基于DMA技術(shù)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

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。

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(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，要保護(hù)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(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)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WindowsDDK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(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：Madma.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VisualC++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(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，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(jī)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(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，F(xiàn)ILE_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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