从0.99到1实现一个Windows上的虚拟hid键盘设备

昏睡红猹2025-08-22 21:14

在虚拟机、远程控制、或者诸如云电脑之类的应用中，我们经常能够看到虚拟设备的身影。对于初学者来说，从0到1实现一个虚拟设备或许非常困难，但从0.99到1改造一个虚拟设备就简单多了。本文根据微软提供的UMDF版本HID minidriver的示例代码，稍加改造，将其变成一个虚拟HID键盘设备。

HID minidriver sample

微软提供的这个示例代码的仓库地址是：https://github.com/microsoft/Windows-driver-samples/tree/main/hid/vhidmini2

这个示例代码实现了一个hid驱动程序和一个客户端，演示了客户端如何与hid驱动程序通信。我想将其改造成一个HID键盘设备，通过客户端与其通信，控制其按键。

第一步 修改HID报告描述符

原代码的HID报告描述符包含了一个Vender Usage的顶级集合，集合里定义了一个HID报告，用于客户端和驱动程序的通信。这个集合可以保留下来继续用来通信。

要实现HID键盘的功能，需要一个Keyboard的顶级集合，下面是一个常见的HID键盘的报告描述符，我把LED相关的输出报告删除了，仅保留了按键相关的输入报告。报告描述符直接添加到原来的报告描述符的尾部即可。

复制代码 
HID_REPORT_DESCRIPTOR       G_DefaultReportDescriptor[] = {
    //......
    //原本的报告描述符
    //......

    0x05, 0x01,        // USAGE_PAGE (Generic Desktop)
    0x09, 0x06,        // USAGE (Keyboard)
    0xA1, 0x01,        // COLLECTION (Application)

    0x85, 0x02,        // REPORT_ID (2)

    0x05, 0x07,        //   USAGE_PAGE (Keyboard)
    0x19, 0xE0,        //   USAGE_MINIMUM (Left Control)
    0x29, 0xE7,        //   USAGE_MAXIMUM (Right GUI)
    0x15, 0x00,        //   LOGICAL_MINIMUM (0)
    0x25, 0x01,        //   LOGICAL_MAXIMUM (1)
    0x75, 0x01,        //   REPORT_SIZE (1)
    0x95, 0x08,        //   REPORT_COUNT (8)
    0x81, 0x02,        //   INPUT (Data, Var, Abs)

    0x95, 0x01,        //   REPORT_COUNT (1)
    0x75, 0x08,        //   REPORT_SIZE (8)
    0x81, 0x03,        //   INPUT (Const, Var, Abs)

    0x95, 0x06,        //   REPORT_COUNT (6) 
    0x75, 0x08,        //   REPORT_SIZE (8)
    0x15, 0x00,        //   LOGICAL_MINIMUM (0)
    0x25, 0x65,        //   LOGICAL_MAXIMUM (101)
    0x05, 0x07,        //   USAGE_PAGE (Keyboard)
    0x19, 0x00,        //   USAGE_MINIMUM (No Event)
    0x29, 0x65,        //   USAGE_MAXIMUM (Keyboard Application)
    0x81, 0x00,        //   INPUT (Data, Ary, Abs)

    0xC0,              // END_COLLECTION
};

添加了报告描述符后，安装一下看下效果，安装的方法是，在管理员权限的cmd中，执行以下命令

复制代码 
devcon.exe install "VhidminiUm.inf" root\VhidminiUm

或者

复制代码 
devgen.exe /add /bus root /hardwareid root\VhidminiUm
pnputil /add-driver "VhidminiUm.inf" /install

以上两种方式都是创建一个硬件ID为root\VhidminiUm的设备，然后将我们编译的驱动安装到设备上。devcon和devgen可以在WDK的工具目录下找到，pnputil是全局安装的内置工具。因为这是一个UMDF驱动程序，所以不要进入测试模式也可以安装。

安装完成后可以在设备管理器看到一个HID minidriver设备，在它下面有一个键盘设备和一个Vendor-defined设备，对应HID报告描述符中的两个顶级集合。

第二步 修改IOCTL_HID_READ_REPORT请求的处理函数

现在，这个键盘设备还不会上报任何按键。要让键盘设备上报按键，需要在IOCTL_HID_READ_REPORT请求的处理函数中提供正确的HID报告。

根据HID报告描述符，HID报告包含报告ID在内应该有9个字节

byte(s) description
0 报告ID(2)
1 每个bit代表一个控制键，1表示按下
2 保留
3~8 每个字节表示一个按下的按键

例如，下面这个HID报告表示'A'键处于按下状态

复制代码 
[0x02, 0, 0, 0x04, 0, 0, 0, 0, 0]

在接收到IOCTL_HID_READ_REPORT请求的时候，把上面的数据复制到输出缓冲区，就可以模拟'A'键按下的状态。在后续的IOCTL_HID_READ_REPORT请求中，我们再将下面的数据复制到输出缓冲区，就可以模拟'A'键抬起的状态

复制代码 
[0x02, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]

在原始的示例代码中，IOCTL_HID_READ_REPORT请求没有直接在处理函数中进行处理，而是传递给另一个请求队列，然后由一个定时器去轮询，当这个队列中有请求时就处理这个请求。这模拟的是真实设备中：

  1. 请求达到时设备还没有准备好数据，请求处理未完成状态
  2. 一定时间后（也就是定时器到期后），数据准备好了，填充数据，完成请求

改造后的虚拟HID键盘设备中，这个逻辑可以保留，也可以删除。

  1. 如果保留的话，将定时器的处理函数EvtTimerFunc修改为

    void
    EvtTimerFunc(
    In WDFTIMER Timer
    )
    {
    NTSTATUS status;
    WDFQUEUE queue;
    PMANUAL_QUEUE_CONTEXT queueContext;
    WDFREQUEST request;
    HIDMINI_KBD_INPUT_REPORT readReport;

    复制代码 
     KdPrint(("EvtTimerFunc\n"));

 queue = (WDFQUEUE)WdfTimerGetParentObject(Timer);
 queueContext = GetManualQueueContext(queue);

 //
 // see if we have a request in manual queue
 //
 status = WdfIoQueueRetrieveNextRequest(
                         queueContext->Queue,
                         &request);

 if (NT_SUCCESS(status)) {

     memset(&readReport, 0, sizeof(readReport));
     readReport.ReportId = 2;
     readReport.Data[2] = 0x04; //'A'键

     status = RequestCopyFromBuffer(request,
                         &readReport,
                         sizeof(readReport));

     WdfRequestComplete(request, status);
 }

    }

其中，_HIDMINI_KBD_INPUT_REPORT是在common.h中新增的结构体，用来表示键盘设备的HID输入报告，代码如下

复制代码 
typedef struct _HIDMINI_KBD_INPUT_REPORT {

    UCHAR ReportId;

    UCHAR Data[8];

} HIDMINI_KBD_INPUT_REPORT, * PHIDMINI_KBD_INPUT_REPORT;

  1. 如果不需要这个定时器逻辑的话，就将ReadReport函数改为

    NTSTATUS
    ReadReport(
    In PQUEUE_CONTEXT QueueContext,
    In WDFREQUEST Request,
    Always(Out)
    BOOLEAN* CompleteRequest
    )
    {
    NTSTATUS status;
    HIDMINI_KBD_INPUT_REPORT readReport;

    复制代码 
     UNREFERENCED_PARAMETER(CompleteRequest);
 KdPrint(("ReadReport\n"));

 memset(&readReport, 0, sizeof(readReport));
 readReport.ReportId = 2;
 readReport.Data[2] = 0x4;

 status = RequestCopyFromBuffer(Request,
     &readReport,
     sizeof(readReport));

 return status;

    }

修改完代码后，再次安装，就会发现，彷佛有一个键盘一直在长按'A'键。

第三步 使用客户端控制按键的状态

现在这个驱动一旦安装之后，就会马上按下'A'键，并且不会抬起，因此需要一个客户端来控制按哪个键，什么时候按下，什么时候抬起。

原来的代码定义了一个vendor defined设备，这个设备的输出报告中可以传递一个字节的数据，那么客户端就可以利用这个字节将需要按下的HID键码发送给设备。如果要控制多个按键的话，就需要修改这个输出报告，本文先讨论单个按键的情况。

客户端通过IOCTL_HID_WRITE_REPORT请求将输出报告发送到设备，输出报告携带了一个字节的数据，在该请求的处理函数WriteReport中，这个字节的数据被保存到了设备上下文的自定义字段中，代码如下

复制代码 
QueueContext->DeviceContext->DeviceData = outputReport->Data;

这是原始的代码，不需要修改，需要修改的是第二步中IOCTL_HID_READ_REPORT请求的处理函数，将固定填充'A'键键码的代码，改成用DeviceData来填充

复制代码 
readReport.Data[2] = QueueContext->DeviceContext->DeviceData;

这样一来，客户端向设备发送哪个键的HID键码，设备就会模拟哪个键的按下，客户端如果发送0，设备就会模拟按键抬起。

下面是一个用WPF实现的客户端的代码，这个客户端实现的功能是

  1. 当按下Alt+字母键的组合键时，让虚拟设备模拟该字母键长按

  2. 当按下Alt+F1的组合键时，让虚拟设备模拟按键抬起

    using System.ComponentModel;
    using System.Runtime.InteropServices;
    using System.Windows;
    using System.Windows.Input;
    using System.Windows.Interop;
    using HidSharp;

    namespace VirtualHidKbdClient
    {
    ///


    /// Interaction logic for MainWindow.xaml
    ///
    public partial class MainWindow : Window
    {
    private const int AltKeyEventId = 9000;

    复制代码 
         private bool PressedKey = false;
     private HidStream _stream;

     [DllImport("user32.dll")]
     public static extern uint MapVirtualKey(uint uCode, uint type);

     [DllImport("user32.dll")]
     public static extern bool RegisterHotKey(IntPtr hWnd, int id, uint fsModifiers, uint vk);

     [DllImport("user32.dll")]
     public static extern bool UnregisterHotKey(IntPtr hWnd, int id);

     public MainWindow()
     {
         InitializeComponent();
         SourceInitialized += MainWindow_SourceInitialized;
     }

     private void MainWindow_SourceInitialized(object? sender, EventArgs e)
     {
         var handle = new WindowInteropHelper(this).Handle;
         var source = HwndSource.FromHwnd(handle);
         source?.AddHook(HwndHook);

         //注册Alt+F1和Alt+字母键的全局快捷键
         for (int i = (int)Key.A; i <= (int)Key.Z; i++)
         {
             RegisterHotKey(handle, AltKeyEventId, (uint)ModifierKeys.Alt, (uint)KeyInterop.VirtualKeyFromKey((Key)i));
         }
         RegisterHotKey(handle, AltKeyEventId, (uint)ModifierKeys.Alt, (uint)KeyInterop.VirtualKeyFromKey(Key.F1));

         //找到虚拟设备下面的vendor defined设备
         var devices = DeviceList.Local.GetHidDevices(0xDEED, 0xFEED);
         foreach (var d in devices)
         {
             Console.WriteLine(d.DevicePath);
         }

         var device = devices.FirstOrDefault(d => !d.DevicePath.EndsWith("kbd"));

         _stream = device.Open();
     }

     private IntPtr HwndHook(IntPtr hwnd, int msg, IntPtr wParam, IntPtr lParam, ref bool handled)
     {
         const int wmHotkey = 0x0312;

         switch (msg)
         {
             case wmHotkey:
                 switch (wParam.ToInt32())
                 {
                     case AltKeyEventId:
                         var lp = lParam.ToInt32();
                         var virtualKey = lp >> 16;
                         var key = KeyInterop.KeyFromVirtualKey(virtualKey);
                         //虚拟键码到HID键码的转换，字母键是连续的，所以可以简单写成这样
                         var hidKey = virtualKey - 61;
                         var charKey = (char)MapVirtualKey((uint)virtualKey, 2);

                         if (key == Key.F1 && PressedKey)
                         {
                             _stream.Write([1, 0]);
                             MessageBox.Show($"cancel long press");
                             PressedKey = false;
                         }

                         else if(key != Key.F1 && !PressedKey)
                         {
                             PressedKey = true;
                             _stream.Write([1, (byte)hidKey]);
                             MessageBox.Show($"long press {charKey}");
                         }

                         break;
                 }
                 break;
         }
         return IntPtr.Zero;
     }

     protected override void OnClosing(CancelEventArgs e)
     {
         base.OnClosing(e);

         var handle = new WindowInteropHelper(this).Handle;
         //关闭窗口时取消注册
         UnregisterHotKey(handle, AltKeyEventId);

         //关闭窗口时控制虚拟设备按键抬起
         _stream.Write([1, 0]);
         _stream.Close();
     }
 }

    }

最后的效果如下

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