基于Win98平臺(tái)的DMA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹基于Windows98平臺(tái)的DMA虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，并給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的DMA虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式 虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(VxD)VtoolsD

直接存儲(chǔ)器存取方式不僅具有高速度、高效率的特點(diǎn)，而且CPU資源占用少，因此在需要高速、批量交換數(shù)據(jù)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。在DOS下編寫(xiě)DMA控制程序并不難，但要編制出精美實(shí)用的界面則是一件非常繁鎖的工作，而且效果往往不佳。Windows自問(wèn)世以來(lái)便以身采取的保護(hù)措施使得Windows與硬件直接接口時(shí)需要程序員編寫(xiě)專(zhuān)用的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。針對(duì)DMA的 Windows虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并不常見(jiàn)，因?yàn)镈MA設(shè)備對(duì)物理地址采取的是直接尋址，要保護(hù)正確地尋址相對(duì)較困難。作者在開(kāi)發(fā)利用DMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——核譜獲取和高速生理信號(hào)采集處理系統(tǒng)時(shí)，成功地編寫(xiě)了DMA虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

利用DMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)采用了ISA總線(xiàn)與PC機(jī)接口。當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采集進(jìn)來(lái)后，先存儲(chǔ)到系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存SRAM(緩存的地址由兩片 74LS393級(jí)聯(lián)產(chǎn)生)中;當(dāng)數(shù)據(jù)存滿(mǎn)預(yù)定的字節(jié)數(shù)后，系統(tǒng)即向計(jì)算機(jī)發(fā)出DMA申請(qǐng)。DMA控制器在接管總線(xiàn)以后，在沒(méi)有CPU的干預(yù)下，以極快的速度將緩存中的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)總線(xiàn)送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 基于Win98平臺(tái)的DMA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分先使用VtoolsD開(kāi)發(fā)出虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(VxD)，再以Visual C++6.0為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。

虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序VxD(Virtual Device Driver)是用來(lái)擴(kuò)展Windows操作系統(tǒng)功能的一類(lèi)程序。它主要向一般的應(yīng)用程序(運(yùn)行于ring3級(jí))提供位于系統(tǒng)底層(ring0級(jí))的服務(wù)，解決難于被一般的ring3級(jí)的應(yīng)用程序處理的問(wèn)題，如對(duì)硬件的支持等。VxD可以不受限制地訪(fǎng)問(wèn)所有的硬件設(shè)備，可以自由檢查操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并可以訪(fǎng)問(wèn)一些內(nèi)存地址。

VDMAD即DMA設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它提供一個(gè)虛擬的DMA控制器，使得在 Windows平臺(tái)上，虛擬機(jī)(VM)之間共享DMA成為可能。在DMA方式下傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，DMA控制器從一個(gè)物理地址開(kāi)始，每傳送完一個(gè)字節(jié)，地址自動(dòng)加1或減1，再順序存放下一字節(jié)的內(nèi)容，這在客觀上要求用于DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)存必須是物理連續(xù)的。執(zhí)行DMA數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，VDMAD自身占用了一塊物理連續(xù)的內(nèi)容，此內(nèi)存便成了VM與DMA通道間交換信息的關(guān)鍵。

專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工具以Windows DDK和VtoolsD較著名。前者比較復(fù)雜，要求編程者熟悉C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。VtoolsD較方便、快捷，是專(zhuān)門(mén)用于編寫(xiě)虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)(VxD)程序的表格式的開(kāi)發(fā)工具。編程者只要填寫(xiě)了有關(guān)的設(shè)備名稱(chēng)、版本信息、需求的Windows控制消息之后，VtoolsD就會(huì)自生成VxD的程序框架，只需對(duì)一些有用的消息增添相應(yīng)的功能代碼，就可以編譯成VxD文件，供一般的應(yīng)用程序調(diào)用。這使得程序員可以將精力集中于VxD的功能實(shí)現(xiàn)上，而不必去理會(huì)其底層細(xì)節(jié)。這里假設(shè)設(shè)備名為MYDMA，在填寫(xiě)了相關(guān)的信息后，VtoolsD輸出三個(gè)有用的程序：Madma.h、Mydma.c、Mydma.mak;分別打開(kāi)Mydma.h和Mydma.c進(jìn)行代碼功能的完善;最后在Visual C++6.0中，通過(guò)Mydma.mak文件加載工程，編程生成Mydma.VxD文件;在ring3級(jí)程序中即可中通過(guò)CreateFile函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

3 DMA設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)

VxD在虛擬化了某個(gè)DMA通道后，必須利用VDMAD提供的特殊服務(wù)，管理DMA內(nèi)存緩沖(Buffer)和應(yīng)用程序內(nèi)存緩沖(Region)。Buffer是一塊在物理地址上連續(xù)的內(nèi)存;Region是一塊在線(xiàn)性地址上連續(xù)的內(nèi)存。如前所述，因?yàn)镈MA只能識(shí)別物理地址，從而要求用于DMA傳輸?shù)膬?nèi)存地址是線(xiàn)性的。這樣在DMA傳輸開(kāi)始前，選嘗試鎖定Region以獲得其物理地址(因?yàn)锽uffer是很寶貴的系統(tǒng)資源，只有在必須時(shí)才申請(qǐng)它來(lái)傳輸數(shù)據(jù))。如果Region不能滿(mǎn)足需要或是不連續(xù)時(shí)，VxD向VDMAD申請(qǐng)一個(gè)Buffer用作傳輸數(shù)據(jù)的中介。VDMAD控制DMA設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，賦給設(shè)備要傳送數(shù)據(jù)的邏輯地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及傳送方向，該設(shè)備在沒(méi)有主機(jī)CPU的幫助下將數(shù)據(jù)移到指定的內(nèi)容。

這里給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)實(shí)例，使用的DMA通道是第3號(hào)通道。有過(guò)在DOS下 DMA編程經(jīng)驗(yàn)的人都知道，在允許DMA傳輸之后，要對(duì)其狀態(tài)寄存器進(jìn)行查詢(xún)，或通過(guò)對(duì)/EOP信號(hào)的檢測(cè)以確定DMA傳輸完成與否。在此VxD程序中用的是查詢(xún)現(xiàn)行字節(jié)寄存器的方法，此種方法簡(jiǎn)單易行。當(dāng)然還可以在DMA傳輸完成以后，由/EOP信號(hào)產(chǎn)生一次中斷，通知計(jì)算機(jī)DMA傳輸結(jié)束;或是用一個(gè) timeout估計(jì)傳輸時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)到即DMA傳輸結(jié)束。部分程序如下：

//Mydma.h頭文件

#define MAX_TRANSFER_BYTES //最大傳輸字節(jié)數(shù)(自定)

#define MAX_PHYS_ADDR 0xFFF

#define DMA_CHANNEL_NUMBER 3 //使用3號(hào)通道

#define READ_DATA 111 //ring3級(jí)程序傳入的命令碼

//模式字定義

#define SINGLE_MODE 0x40 //單字節(jié)傳輸模式

#define INCREMENT_MODE 0x00 //地址加1傳輸模式

#define WRITEMEM_MODE 0x04 //寫(xiě)傳輸

......

//Mydma.c文件

//全局變量聲明

BOOL hDMA;

PVOID ClientBuffer;

ULONG PhysAddr;

DWORD nBytes;

DWORD nPages;

PVOID DMABufferLinear;

......

BOOL OnSysDynamicDeviceInit( )

{

//虛擬化通道3

hDMA=VDMAD_Virtualize_Channel(DMA_CHANNEL_NUMBER,NULL,NULL);

if (hDMA = =0)

{

}

return FALSE;

}

else

return TRUE;

}

BOOL OnSysDynamicDeviceExit( )

{

if (hDMA)

VDMAD_Unvirtualize_Channel(hDMA);

return TRUE;

}

DWORD OnW32Deviceiocontrol(PIOCTLPARAMS p)

{

BOOL status;

DWORD count;

//局部變量定義

VMHANDLE hVM=Get_Cur_VM_Handle( );

Switch (p->dioc_IOCtlCode)

{

case DIOC_OPEN://ring3級(jí)程序調(diào)用

CreateFile函數(shù)打開(kāi)VxD文件

......//進(jìn)行簡(jiǎn)單處理即可

case DIOC_CLOSEHANDLE://當(dāng)ring3級(jí)程序調(diào)用CloseHandle函數(shù)時(shí)

...... //簡(jiǎn)單處理即可

case READ_DATA: //命令碼傳入

...... //對(duì)一變量進(jìn)行賦值

status=VDMAD_Lock_DMA_Region(ClientBuffer,nBytes,0,&MaxLockable,&PhysAddr,&error);

if (status ==0) //region鎖定失敗，申請(qǐng)buffer

{

nPages =......

status=PageAllocate(nPages，PG_SYS，0，0xF,0,MAX_PHYS_ADDR,&PhysAddr,PAGE CONTIG PHGEFIXED PAGEUSEALLGN,&hMem,&DMABufferLinear);

if (status = =FALSE)

{

return DIOC_FAILURE;

}

......

}

VDMAD_Phys_Mask_Channel(hDMA) //屏蔽DMA通道

VDMAD_Set_Region_Info(hDMA,bufID,TRUE,bUsingDMABuffer?DMABufferLinear:ClientBuffer,nBytes,(PVOID)PhysAddr);

VDMAD_Set_Phys_State(hDMA,hVM,SINGLE_MODE WRITEMEM_MODE INCRE-MENT_MODE); //寫(xiě)DMA模式寄存器

VDMAD_UnMask_Channel(hVM,hDMA); //允許DMA傳輸

while(count!=0x0) //查詢(xún)DMA現(xiàn)行字節(jié)計(jì)數(shù)器，等待DMA傳輸完畢

{

Count=VDMAD_Get_Phys_Count(hDMA);

}

...... //作些結(jié)束處理

default:

return 1; //調(diào)用失敗

}

}

4 VxD的調(diào)用示例

//在ring3級(jí)中調(diào)用VxD的方法

HANDLE hVxD

HVxD=CreateFile (\.mydma3.vxd,0,0,0,CREATE_NEW,FILE_FLAG_SELETE_ON_CLOSE,0); 打開(kāi)設(shè)備文件

//DeviceIoControl函數(shù)用法，其中pVal為預(yù)留的內(nèi)存，bighytes為ring3級(jí)程序傳遞給VxD的數(shù)據(jù)緩沖字節(jié)數(shù)。

DeviceIoControl (hVxD，READ_DATA，pVal,bigbytes，NULL，

0，&nbytes,0)

采用DMA技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)較之查詢(xún)、中斷方式，無(wú)論在速度上還是數(shù)據(jù)傳輸量的大小上都優(yōu)越得多。尤其在Windows98下虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，使得整個(gè)系統(tǒng)的圖文界面更加美觀，操作更加方便、靈活，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了效率。