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，并給出了一個簡單的DMA虛擬設備驅動程序的開發實例。

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，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容，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：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，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。