基于Windows98平臺開發(fā)DMA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
摘要：介紹基于Windows98平臺的DMA虛擬設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)，并給出了一個簡單的DMA虛擬設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)實例。
關(guān)鍵詞：直接存儲器存取(DMA)方式 虛擬設(shè)備驅(qū)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(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(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，要保護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機接口。當(dāng)數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換采集進來后，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)計算機總線送到計算機內(nèi)存中，再由計算機進行數(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級的應(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(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)容，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：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(shù)進行調(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，選嘗試鎖定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CPU的幫助下將數(shù)據(jù)移到指定的內(nèi)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(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DMA傳輸結(jié)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(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(xiàn)行字節(jié)計數(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。
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