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(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，并給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的DMA虛擬設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：直接存儲器存取(DMA)方式 虛擬設備驅動(dòng)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(diǎn)，而且CPU資源占用少，因此在需要高速、批量交換數據的場(chǎng)合得到了廣泛的應用。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)用的虛擬設備驅動(dòng)程序。針對DMA的 Windows虛擬設備驅動(dòng)程序并不常見(jiàn)，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(kāi)發(fā)利用DMA技術(shù)實(shí)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(shí)，成功地編寫(xiě)了DMA虛擬設備驅動(dòng)程序。

1 系統硬件設計

利用DMA技術(shù)實(shí)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(xiàn)與PC機接口。當數據通過(guò)A/D轉換采集進(jìn)來(lái)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(lián)產(chǎn)生)中;當數據存滿(mǎn)預定的字節數后，系統即向計算機發(fā)出DMA申請。DMA控制器在接管總線(xiàn)以后，在沒(méi)有CPU的干預下，以極快的速度將緩存中的數據經(jīng)計算機總線(xiàn)送到計算機內存中，再由計算機進(jìn)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(kāi)發(fā)出虛擬設備驅動(dòng)程序(VxD)，再以Visual C++6.0為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行界面設計和數據處理。

虛擬設備驅動(dòng)程序VxD(Virtual Device Driver)是用來(lái)擴展Windows操作系統功能的一類(lèi)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(wù)，解決難于被一般的ring3級的應用程序處理的問(wèn)題，如對硬件的支持等。VxD可以不受限制地訪(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)一些內存地址。

VDMAD即DMA設備驅動(dòng)程序，它提供一個(gè)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(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，地址自動(dòng)加1或減1，再順序存放下一字節的內容，這在客觀(guān)上要求用于DMA數據傳輸的內存必須是物理連續的。執行DMA數據傳輸時(shí)，VDMAD自身占用了一塊物理連續的內容，此內存便成了VM與DMA通道間交換信息的關(guān)鍵。

專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)虛擬設備驅動(dòng)程序的工具以Windows DDK和VtoolsD較著(zhù)名。前者比較復雜，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)虛擬設備驅動(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(shí)現上，而不必去理會(huì )其底層細節。這里假設設備名為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級程序中即可中通過(guò)CreateFile函數進(jìn)行調用。

3 DMA設備驅動(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的內存;Region是一塊在線(xiàn)性地址上連續的內存。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(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(因為Buffer是很寶貴的系統資源，只有在必須時(shí)才申請它來(lái)傳輸數據)。如果Region不能滿(mǎn)足需要或是不連續時(shí)，VxD向VDMAD申請一個(gè)Buffer用作傳輸數據的中介。VDMAD控制DMA設備的設備驅動(dòng)程序，賦給設備要傳送數據的邏輯地址、數據長(cháng)度及傳送方向，該設備在沒(méi)有主機CPU的幫助下將數據移到指定的內容。

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號通道。有過(guò)在DOS下 DMA編程經(jīng)驗的人都知道，在允許DMA傳輸之后，要對其狀態(tài)寄存器進(jìn)行查詢(xún)，或通過(guò)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(xún)現行字節寄存器的方法，此種方法簡(jiǎn)單易行。當然還可以在DMA傳輸完成以后，由/EOP信號產(chǎn)生一次中斷，通知計算機DMA傳輸結束;或是用一個(gè) timeout估計傳輸時(shí)間進(jìn)行計時(shí)，計時(shí)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級程序調用

CreateFile函數打開(kāi)VxD文件

......//進(jìn)行簡(jiǎn)單處理即可

case DIOC_CLOSEHANDLE://當ring3級程序調用CloseHandle函數時(shí)

...... //簡(jiǎn)單處理即可

case READ_DATA: //命令碼傳入

...... //對一變量進(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現行字節計數器，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(kāi)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的數據緩沖字節數。

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

0，&nbytes,0)

采用DMA技術(shù)傳輸數據較之查詢(xún)、中斷方式，無(wú)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(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，使得整個(gè)系統的圖文界面更加美觀(guān)，操作更加方便、靈活，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了效率。