基于Win98平臺的DMA高速數據采集系統設計
摘要:介紹基于Windows98平臺的DMA虛擬設備驅動程序的開發(fā),并給出了一個簡單的DMA虛擬設備驅動程序的開發(fā)實例。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/246964.htm關鍵詞:直接存儲器存取(DMA)方式 虛擬設備驅動程序(VxD)VtoolsD
直接存儲器存取方式不僅具有高速度、高效率的特點,而且CPU資源占用少,因此在需要高速、批量交換數據的場合得到了廣泛的應用。在DOS下編寫DMA控制程序并不難,但要編制出精美實用的界面則是一件非常繁鎖的工作,而且效果往往不佳。Windows自問世以來便以身采取的保護措施使得Windows與硬件直接接口時需要程序員編寫專用的虛擬設備驅動程序。針對DMA的 Windows虛擬設備驅動程序并不常見,因為DMA設備對物理地址采取的是直接尋址,要保護正確地尋址相對較困難。作者在開發(fā)利用DMA技術實現的高速數據采集系統——核譜獲取和高速生理信號采集處理系統時,成功地編寫了DMA虛擬設備驅動程序。
1 系統硬件設計
利用DMA技術實現的高速數據采集系統框圖如圖1所示,該系統采用了ISA總線與PC機接口。當數據通過A/D轉換采集進來后,先存儲到系統內部的數據緩存SRAM(緩存的地址由兩片 74LS393級聯產生)中;當數據存滿預定的字節(jié)數后,系統即向計算機發(fā)出DMA申請。DMA控制器在接管總線以后,在沒有CPU的干預下,以極快的速度將緩存中的數據經計算機總線送到計算機內存中,再由計算機進行數據分析處理。
2 基于Win98平臺的DMA高速數據采集系統的軟件設計
軟件部分先使用VtoolsD開發(fā)出虛擬設備驅動程序(VxD),再以Visual C++6.0為開發(fā)工具進行界面設計和數據處理。
虛擬設備驅動程序VxD(Virtual Device Driver)是用來擴展Windows操作系統功能的一類程序。它主要向一般的應用程序(運行于ring3級)提供位于系統底層(ring0級)的服務,解決難于被一般的ring3級的應用程序處理的問題,如對硬件的支持等。VxD可以不受限制地訪問所有的硬件設備,可以自由檢查操作系統的數據結構,并可以訪問一些內存地址。
VDMAD即DMA設備驅動程序,它提供一個虛擬的DMA控制器,使得在 Windows平臺上,虛擬機(VM)之間共享DMA成為可能。在DMA方式下傳輸數據時,DMA控制器從一個物理地址開始,每傳送完一個字節(jié),地址自動加1或減1,再順序存放下一字節(jié)的內容,這在客觀上要求用于DMA數據傳輸的內存必須是物理連續(xù)的。執(zhí)行DMA數據傳輸時,VDMAD自身占用了一塊物理連續(xù)的內容,此內存便成了VM與DMA通道間交換信息的關鍵。
專門開發(fā)虛擬設備驅動程序的工具以Windows DDK和VtoolsD較著名。前者比較復雜,要求編程者熟悉C語言和匯編語言。VtoolsD較方便、快捷,是專門用于編寫虛擬設備驅動(VxD)程序的表格式的開發(fā)工具。編程者只要填寫了有關的設備名稱、版本信息、需求的Windows控制消息之后,VtoolsD就會自生成VxD的程序框架,只需對一些有用的消息增添相應的功能代碼,就可以編譯成VxD文件,供一般的應用程序調用。這使得程序員可以將精力集中于VxD的功能實現上,而不必去理會其底層細節(jié)。這里假設設備名為MYDMA,在填寫了相關的信息后,VtoolsD輸出三個有用的程序:Madma.h、Mydma.c、Mydma.mak;分別打開Mydma.h和Mydma.c進行代碼功能的完善;最后在Visual C++6.0中,通過Mydma.mak文件加載工程,編程生成Mydma.VxD文件;在ring3級程序中即可中通過CreateFile函數進行調用。
3 DMA設備驅動程序的編寫
VxD在虛擬化了某個DMA通道后,必須利用VDMAD提供的特殊服務,管理DMA內存緩沖(Buffer)和應用程序內存緩沖(Region)。Buffer是一塊在物理地址上連續(xù)的內存;Region是一塊在線性地址上連續(xù)的內存。如前所述,因為DMA只能識別物理地址,從而要求用于DMA傳輸的內存地址是線性的。這樣在DMA傳輸開始前,選嘗試鎖定Region以獲得其物理地址(因為Buffer是很寶貴的系統資源,只有在必須時才申請它來傳輸數據)。如果Region不能滿足需要或是不連續(xù)時,VxD向VDMAD申請一個Buffer用作傳輸數據的中介。VDMAD控制DMA設備的設備驅動程序,賦給設備要傳送數據的邏輯地址、數據長度及傳送方向,該設備在沒有主機CPU的幫助下將數據移到指定的內容。
這里給出一個簡單的開發(fā)實例,使用的DMA通道是第3號通道。有過在DOS下 DMA編程經驗的人都知道,在允許DMA傳輸之后,要對其狀態(tài)寄存器進行查詢,或通過對/EOP信號的檢測以確定DMA傳輸完成與否。在此VxD程序中用的是查詢現行字節(jié)寄存器的方法,此種方法簡單易行。當然還可以在DMA傳輸完成以后,由/EOP信號產生一次中斷,通知計算機DMA傳輸結束;或是用一個 timeout估計傳輸時間進行計時,計時到即DMA傳輸結束。部分程序如下:
//Mydma.h頭文件
#define MAX_TRANSFER_BYTES //最大傳輸字節(jié)數(自定)
#define MAX_PHYS_ADDR 0xFFF
#define DMA_CHANNEL_NUMBER 3 //使用3號通道
#define READ_DATA 111 //ring3級程序傳入的命令碼
//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級程序調用
CreateFile函數打開VxD文件
......//進行簡單處理即可
case DIOC_CLOSEHANDLE://當ring3級程序調用CloseHandle函數時
...... //簡單處理即可
case READ_DATA: //命令碼傳入
...... //對一變量進行賦值
status=VDMAD_Lock_DMA_Region(ClientBuffer,nBytes,0,&MaxLockable,&PhysAddr,&error);
if (status ==0) //region鎖定失敗,申請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DMA模式寄存器
VDMAD_UnMask_Channel(hVM,hDMA); //允許DMA傳輸
while(count!=0x0) //查詢DMA現行字節(jié)計數器,等待DMA傳輸完畢
{
Count=VDMAD_Get_Phys_Count(hDMA);
}
...... //作些結束處理
default:
return 1; //調用失敗
}
}
4 VxD的調用示例
//在ring3級中調用VxD的方法
HANDLE hVxD
HVxD=CreateFile (\.mydma3.vxd,0,0,0,CREATE_NEW,FILE_FLAG_SELETE_ON_CLOSE,0); 打開設備文件
//DeviceIoControl函數用法,其中pVal為預留的內存,bighytes為ring3級程序傳遞給VxD的數據緩沖字節(jié)數。
DeviceIoControl (hVxD,READ_DATA,pVal,bigbytes,NULL,
0,&nbytes,0)
采用DMA技術傳輸數據較之查詢、中斷方式,無論在速度上還是數據傳輸量的大小上都優(yōu)越得多。尤其在Windows98下虛擬設備驅動程序的開發(fā),使得整個系統的圖文界面更加美觀,操作更加方便、靈活,大大縮短了開發(fā)周期,提高了效率。
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