基于Windows98平臺開發DMA高速數據采集系統

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,要保證正確地尋址相對較困難。作者在開發利用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數后,系統即向計算機發出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開發出虛擬設備驅動程序(VxD) ,再以Visual C++6.0為開發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,地址自動加1或減1,再順序存放下一字節的內容,這在客觀上要求用于DMA數據傳輸的內存必須是物理連續的。執行DMA數據傳輸時,VDMAD自身占用了一塊物理連續的內存,此內存便成了VM與DMA通道間交換信息的關鍵。

　　專門開發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就會自動生成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。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:Mydma.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,編譯生成Mydma.VxD文件;在ring3級程序中即可通過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的內存;Region 是一塊在線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存。

　　這里給出一個簡單的開發實例,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

…… //對一些變量進行賦值

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 |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現行字節

計數器,等待DMA傳輸完畢

{

count=VDMAD_Get_Phys_Count(hDMA)；

}

　……　　　　　 //作一些結束處理

　　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_DELETE_ON_CLOSE，0)；

//打開設備文件

　 //DeviceIoControl函數用法，其中pVal為預留的內存,bigbytes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越得多。尤其在Windows98下虛擬設備驅動程序的開發,使得整個系統的圖文界面更加美觀,操作更加方便、靈活，大大縮短了開發周期,提高了效率。