Windowsドライバーモデル

コンピューティングにおいて、Windows Driver Model ( WDM )は、かつてはWin32 Driver Modelとも呼ばれていたデバイスドライバのフレームワークであり、Windows 98およびWindows 2000で導入され、 Windows 95やWindows 3.1などの古いバージョンの Windows で使用されていたVxDやWindows NT Driver Modelに取って代わりました。  

WDM ドライバーはスタックに階層化され、 I/O 要求パケット(IRP)を介して相互に通信します。Microsoft Windows ドライバー モデルは、要件を標準化し、記述する必要のあるコードの量を削減することで、Windows 9x および Windows NT 製品ラインのドライバー モデルを統合しました。WDM ドライバーは、Windows 95 (WDM モデルをサイドロードする OSR2 アップデートの前)、Windows NT 4.0、Windows 3.1 など、Windows 98 または Windows 2000 より前のオペレーティングシステムでは実行できません。WDM に準拠することで、ドライバーはx86ベースのコンピューター上のWindows 98、Windows 98 Second Edition、Windows Me、Windows 2000、Windows XP、Windows Server 2003間でバイナリ互換性とソース互換性を維持できます。WDM ドライバーは前方互換性を持つように設計されているため、ドライバーが最初に作成されたバージョンよりも新しいバージョンの Windows で実行できますが、そうすると、ドライバーは新しいバージョンで導入された新機能を利用できなくなります。 WDMは一般的に下位互換性がありません。つまり、WDMドライバが古いバージョンのWindowsで動作することは保証されていません。例えば、Windows XPはWindows 2000用に作成されたドライバを使用できますが、Windows XPで導入された新しいWDM機能は利用できません。ただし、Windows XP用に作成されたドライバがWindows 2000でロードされるかどうかは保証されません。

WDMはWinHEC 1996で発表され、当初はWindows NT 5.0のコアドライバモデルとして登場しました。^{[ 1 ]} WDMはWindows 2000カーネルモードドライバの中間層に存在し、Windowsのドライバ作成の機能性と容易性を向上させるために導入されました。WDMは主にWindows 98とWindows 2000の間でバイナリとソースの互換性を持つように設計されましたが、必ずしもそれが望ましいとは限らないため、それぞれのオペレーティングシステム向けに特定のドライバを開発することも可能です。

WDMフレームワークは、オペレーティングシステムとカーネル内のドライバ間の通信を簡素化するためにMicrosoftによって開発されました。Windowsオペレーティングシステムでは、WDMドライバはポータブル実行可能形式のダイナミックリンクライブラリ（.DLL）または.SYSファイルとして実装されます。WDM準拠のドライバは、設計、初期化、プラグアンドプレイ、電源管理、およびメモリ割り当てのルールに従う必要があります。実際には、WDMドライバプログラマは、新しいオブジェクト指向ドライバを構築する際に、大きなコード片を再利用します。これは、WDMスタックのドライバには、仕様書に記載されていない残存機能が含まれている可能性があることを意味します。^{[ 7 ]} Microsoftの品質テストに合格したドライバは、Microsoftによってデジタル署名されます。Microsoftハードウェア互換性テストとドライバ開発キットには、信頼性テストとストレステストが含まれています。^{[ 8 ]}

特定のハードウェア コンポーネント向けに設計されていないデバイス ドライバでも、別のデバイスが動作する場合があります。これは、ハードウェア デバイス クラスの基本的な機能が似ているためです。たとえば、ビデオ カード クラスの機能により、Microsoft Basic Display Adapter ドライバはさまざまなビデオ カードで動作します。ただし、デバイスに間違ったドライバをインストールすると、デバイスのすべての機能が使用できなくなり、パフォーマンスの低下や Windows オペレーティングシステムの不安定化につながる可能性があります。ハードウェア デバイス ベンダーは、パフォーマンスの向上、機能の追加、またはバグの修正のために、特定の Windows オペレーティングシステム向けに更新されたデバイス ドライバをリリースする場合があります。デバイスが期待どおりに動作しない場合は、ベンダーの Web サイトから最新のデバイス ドライバをダウンロードしてインストールする必要があります。^{[ 9 ]}

デバイス ドライバは特定の Windows オペレーティングシステム バージョン向けに設計されており、以前のバージョンの Windows 用のデバイス ドライバは、他のバージョンでは正しく動作しないか、まったく動作しない可能性があります。多くのデバイス ドライバはカーネル モードで実行されるため、以前のオペレーティングシステム バージョン用のドライバをインストールすると、Windows オペレーティングシステムが不安定になる可能性があります。そのため、コンピュータをより高いバージョンの Windows オペレーティングシステムに移行するには、すべてのハードウェア コンポーネントに新しいデバイス ドライバをインストールする必要があります。最新のデバイス ドライバを見つけてWindows 10にインストールすることは、移行プロセスに複雑さをもたらしています。^{[ 9 ]}

一般的なデバイスドライバの互換性の問題には、32 ビットWindows オペレーティングシステムには 32 ビット デバイスドライバが必要であり、64ビット Windows オペレーティングシステムには 64 ビット デバイスドライバが必要であることが含まれます。64 ビット デバイスドライバはカーネル モードで実行され、コンピュータ ハードウェアへの無制限のアクセス権限を持つため、Microsoft による署名が必要です。Windows 10 より前のオペレーティングシステムでは、ベンダーが互換性テストを実施していることを前提として、Microsoft はベンダー自身による 64 ビット ドライバへの署名を許可していました。しかし、Windows 10 の 64 ビット ドライバは現在、Microsoft による署名が必要です。そのため、デバイス ベンダーはテストと承認のためにドライバを Microsoft に提出する必要があります。ドライバのインストール パッケージには .inf ディレクトリ内のすべてのファイルが含まれており、パッケージ内のすべてのファイルをインストールする必要があります。そうしないと、デバイス ドライバのインストールが失敗する可能性があります。Windows 10 より前のオペレーティングシステム バージョンでは、この要件が一貫して適用されていなかったため、ドライバのインストールに必要なすべてのファイルがパッケージに含まれていませんでした。一部のデバイス ドライバ インストーラにはユーザー インターフェイスGUIがあり、多くの場合、ユーザーによる構成入力が必要です。ユーザーインターフェイスがないからといって、デバイスドライバのインストールが成功していないわけではありません。また、Windows 10 デバイスドライバにはユーザーインターフェイスを含めることは許可されていません。Windows 10 オペレーティングシステムでは、ネットワークデバイスにネットワークドライバインターフェイス仕様(NDIS) 10.x が使用されています。Windows XP用のネットワークデバイスドライバはNDIS 5.x を使用しており、後続の Windows オペレーティングシステムでも動作する可能性がありますが、パフォーマンス上の理由から、ネットワークデバイスドライバは NDIS 6.0 以降を実装する必要があります。^{[ 9 ]}

デバイスマネージャーは、Microsoft Windows オペレーティングシステムのコントロール パネル アプレットです。これにより、ユーザーはコンピューターに接続されているハードウェアを表示および制御できます。ハードウェア デバイスのプロパティを表示および変更することができ、デバイス ドライバーを管理するための主要なツールでもあります。^{[ 9 ]}

Windows ドライバー モデルは、それ以前に使用されていたVxDおよびWindows NT ドライバー モデルに比べて大幅に改善されているものの、ドライバー ソフトウェア開発者から批判を受けており、^{[ 10 ]}特に以下の点が問題視されている。

• 電源管理イベントやプラグアンドプレイとの連携は困難です。そのため、ドライバコードのバグが原因で、 Windowsマシンがスリープモードに正しく移行または復帰できない状況が発生する可能性があります。
• I/Oキャンセルを正しく実装するのは難しい。^{[ 11 ]}
• すべてのドライバには、複雑な定型サポートコードが必要となる。
• 純粋なユーザーモードドライバを作成するためのサポートはありません。

マイクロソフトが提供したドキュメントやサンプルの品質についても、多くの懸念が表明された。

これらの問題を受けて、マイクロソフトはWDMの上に新たなフレームワーク群であるWindows Driver Frameworks（WDF、旧称Windows Driver Foundation）をリリースしました。これには、カーネルモードドライバーフレームワーク（KMDF）とユーザーモードドライバーフレームワーク（UMDF）が含まれます。Windows Vistaは、純粋なWDMと新しいWDFの両方をサポートしています。KMDFはWindows XPおよびWindows 2000向けにもダウンロード可能で、UMDFはWindows XP以降向けに提供されています。

• Windows ドライバーフレームワーク(WDF)
  • カーネルモードドライバフレームワーク（KMDF）
  • ユーザーモードドライバフレームワーク（UMDF）
• Windowsディスプレイドライバーモデル（WDDM）

• フィネル、リン（2000）。MCSE試験70-215、Microsoft Windows 2000 Server。Microsoft Press。ISBN 1-57231-903-8。
• Oney, Walter (2003). 『Windowsドライバモデルのプログラミング』、Microsoft Press、ISBN 0-7356-1803-8。

• WDM入出力の概念– この記事では、Windowsドライバモデルで定義されているI/Oの概念について、概要を説明します。
• Windows ドライバー API の基本– この記事では、WDM、 ASIO、MME、DirectX などのサウンドカードドライバーの基本について説明します。
• Channel 9 Video – Microsoftのデバイス管理およびインストールチームへのインタビュー。主にプラグアンドプレイについて取り上げています。
• Wayback Machineに保存されているWindowsカーネルプログラミングの講義ノート（2016年3月3日アーカイブ） – Windowsドライバの基本的な作成、カーネルモードプログラミング、メモリ管理について詳述した無料の講義ノートの断片