基于Windows98平臺開發(fā)DMA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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(shù)據(jù)的場合得到了廣泛的應(yīng)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瑣的工作,而且效果往往不佳。Windows自問世以來便以其美觀方便的操作界面受到了廣泛的歡迎,但它本身采取的保護(hù)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(shè)備驅(qū)動程序。針對DMA的Windows虛擬設(shè)備驅(qū)動程序并不常見,因為DMA設(shè)備對物理地址采取的是直接尋址,要保證正確地尋址相對較困難。作者在開發(fā)利用DMA技術(shù)實現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——核譜獲取和高速生理信號采集處理系統(tǒng)時,成功地編寫了DMA虛擬設(shè)備驅(qū)動程序。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　利用DMA技術(shù)實現(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總線與PC機(jī)接口。當(dāng)數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換采集進(jìn)來后,先存儲到系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存SRAM(緩存的地址由兩片74LS393級聯(lián)產(chǎn)生)中;當(dāng)數(shù)據(jù)存滿預(yù)定的字節(jié)數(shù)后,系統(tǒng)即向計算機(jī)發(fā)出DMA申請。DMA控制器在接管總線以后,在沒有CPU的干預(yù)下,以極快的速度將緩存中的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機(jī)總線送到計算機(jī)內(nèi)存中,再由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

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

　　軟件部分先使用VtoolsD開發(fā)出虛擬設(shè)備驅(qū)動程序(VxD) ,再以Visual C++6.0為開發(fā)工具進(jìn)行界面設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。

　　虛擬設(shè)備驅(qū)動程序VxD(Virtual Device Driver)是用來擴(kuò)展Windows 操作系統(tǒng)功能的一類程序。它主要向一般的應(yīng)用程序(運(yùn)行于ring3級)提供位于系統(tǒng)底層(ring0級)的服務(wù),解決難于被一般的ring3級應(yīng)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(shè)備,可以自由檢查操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并可以訪問一些內(nèi)存地址。

　　VDMAD即DMA設(shè)備驅(qū)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(jī)(VM)之間共享DMA成為可能。在DMA方式下傳輸數(shù)據(jù)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(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,VDMAD自身占用了一塊物理連續(xù)的內(nèi)存,此內(nèi)存便成了VM與DMA通道間交換信息的關(guān)鍵。

　　專門開發(fā)虛擬設(shè)備驅(qū)動程序的工具以Windows DDK和VtoolsD較著名。前者比較復(fù)雜，要求編程者熟悉C語言和匯編語言。VtoolsD較方便、快捷,是專門用于編寫虛擬設(shè)備驅(qū)動(VxD)程序的表格式的開發(fā)工具。編程者只要填寫了有關(guān)的設(shè)備名稱、版本信息、需求的Windows控制消息之后,VtoolsD就會自動生成VxD的程序框架,只需對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的功能實現(xiàn)上,而不必去理會其底層細(xì)節(jié)。這里假設(shè)設(shè)備名為MYDMA,在填寫了相關(guān)的信息后,VtoolsD輸出三個有用的程序:Mydma.h、Mydma.c、Mydma.mak;分別打開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Mydma.mak文件加載工程,編譯生成Mydma.VxD文件;在ring3級程序中即可通過CreateFile函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

3 DMA設(shè)備驅(qū)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(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 是一塊在線性地址上連續(xù)的內(nèi)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?shù)膬?nèi)存地址是線性的。這樣在DMA傳輸開始前,先嘗試鎖定Region以獲得其物理地址(因為Buffer是很寶貴的系統(tǒng)資源,只有在必須時才申請它來傳輸數(shù)據(jù))。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(shù)據(jù)的中介。VDMAD控制DMA設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序,賦給設(shè)備要傳送數(shù)據(jù)的邏輯地址、數(shù)據(jù)長度及傳送方向,該設(shè)備在沒有主機(jī)CPU的幫助下將數(shù)據(jù)移到指定的內(nèi)存。

　　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(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,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(xiàn)行字節(jié)寄存器的方法,此種方法簡單易行。當(dāng)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(jī)DMA傳輸結(jié)束;或是用一個timeout估計傳輸時間進(jìn)行計時,計時到即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(diào)用

                                          CreateFile函數(shù)打開VxD文件

        …… 　　　　　　　　　　//進(jìn)行簡單處理即可

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

        ……      　　　　　 　 //簡單處理即可

　　　　case READ_DATA：       //命令碼傳入

        ……                    //對一些變量進(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 |PAGEFIXED | PAGEUSEALIGN，

    　            &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?芽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(xiàn)行字節(jié)

                                   計數(shù)器,等待DMA傳輸完畢

       {

              count=VDMAD_Get_Phys_Count(hDMA)；

       }

     　……　　　　　            //作一些結(jié)束處理

　　default：

  　　    return 1；             // 調(diào)用失敗

　　}

　　}

4 VxD的調(diào)用示例

　　//在ring3級中調(diào)用VxD的方法

　　HANDLE  hVxD

　　HVxD=CreateFile(″\.mydma3.vxd″，0，0，0，CREATE_NEW，F(xiàn)ILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE，0)；

                                                           //打開設(shè)備文件

 　 //DeviceIoControl函數(shù)用法，其中pVal為預(yù)留的內(nèi)存,bigbytes為ring3級程序傳遞給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、中斷方式,無論在速度上還是數(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)動程序的開發(fā),使得整個系統(tǒng)的圖文界面更加美觀,操作更加方便、靈活，大大縮短了開發(fā)周期,提高了效率。