Windows98平台下DMA高速数据采集系统的开发

　　微软公司的windows视窗不仅改变了计算机操作界面，同时也改变了一个时代，它不需要有很高的打字技巧，也不需要理解各种枯燥、深奥的命令，使越来越多的人能够接触计算机，并且在各自的生活、工作、学习中广泛运用。人们只要按一下鼠标或者一两个按键，就可以完成很多事情，计算机也因此更加生活化，并以前所未有的速度普及开来。

　　针对DMA的Windows虚拟设备驱动程序并不常见，因为DMA设备对物理地址采取的是直接寻址，要保护正确地寻址相对较困难。笔者在开发利用DMA技术实现的高速数据采集系统——核谱获取和高速生理信号采集处理系统时，成功地编写了DMA虚拟设备驱动程序。

　　1 系统硬件设计

　　利用DMA技术实现的高速数据采集系统框图如图1所示，该系统采用了ISA总线与PC机接口。当数据通过A/D转换采集进来后，先存储到系统内部的数据缓存SRAM中；当数据存满预定的字节数后，系统即向计算机发出DMA申请。DMA控制器在接管总线以后，在没有CPU的干预下，以极快的速度将缓存中的数据经计算机总线送到计算机内存中，再由计算机进行数据分析处理。

　　2 基于Win98平台的DMA高速数据采集系统的软件设计

　　软件部分先使用VtoolsD开发出虚拟设备驱动程序（VxD），再以Visual C++6.0为开发工具进行界面设计和数据处理。

　　虚拟设备驱动程序VxD（Virtual Device Driver）是用来扩展Windows操作系统功能的一类程序。它主要向一般的应用程序（运行于ring3级）提供位于系统底层的服务，解决难于被一般的ring3级的应用程序处理的问题，如对硬件的支持等。VxD可以不受限制地访问所有的硬件设备，可以自由检查操作系统的数据结构，并可以访问一些内存地址。

　　VDMAD即DMA设备驱动程序，它提供一个虚拟的DMA控制器，使得在Windows平台上，虚拟机（VM）之间共享DMA成为可能。在DMA方式下传输数据时，DMA控制器从一个物理地址开始，每传送完一个字节，地址自动加1或减1，再顺序存放下一字节的内容。执行DMA数据传输时，VDMAD自身占用了一块物理连续的内容，此内存便成了VM与DMA通道间交换信息的关键。

　　windows98是微软公司推出的windows95的升级版本，它保持了原来window95的风格，也增加了不少新的特征。windows98各种新增的系统工具使系统的性能更稳定，功能更强大；FAT32，系统文件检查器，电源管理，磁盘扫描和整理，这些都是您不可缺少的好帮手。windows98创新的、容易使用的特征使您可以更方便地使用计算机；调整向导、WEB集成、更新的向导方式，及增强的帮助，仔细琢磨一下，肯定会有大收获。windows98新的向导使复杂的操作变得更简单，增强的即插即用功能使您可以更方便地添加新硬件，而它强大的网络功能和与WEB集成的特征使您可以更方便地使用Internet，系统附加的各种多媒体程序使您的计算机成为一个娱乐中心。

　　另外，windows98还提供了更多的硬件支持功能，譬如，它可支持多台显示器同时工作，您可一边欣赏电影，一边工作；它还支持通用串行总线USB（Universal Serial Bus），通过此端口，可支持多达127个外加周边设备，如USB扬声器、扫描仪、数码镜头等；除此之外，windows98还支持DVD等新型多媒体设备。

　　专门开发虚拟设备驱动程序的工具以Windows DDK和VtoolsD较着名。VtoolsD较方便、快捷，是专门用于编写虚拟设备驱动（VxD）程序的表格式的开发工具。编程者只要填写了有关的设备名称、版本信息、需求的Windows控制消息之后，VtoolsD就会自生成VxD的程序框架，只需对一些有用的消息增添相应的功能代码，就可以编译成VxD文件，供一般的应用程序调用。这里假设设备名为MYDMA，VtoolsD输出三个有用的程序：Madma.h、Mydma.c、Mydma.mak；分别打开Mydma.h和Mydma.c进行代码功能的完善；在Visual C++6.0中，通过Mydma.mak文件加载工程，编程生成Mydma.VxD文件；在ring3级程序中即可中通过CreateFile函数进行调用。

　　3 DMA设备驱动程序的编写

　　VxD在虚拟化了某个DMA通道后，必须利用VDMAD提供的特殊服务，管理DMA内存缓冲以及应用程序内存缓冲。Buffer是一块在物理地址上连续的内存；Region是一块在线性地址上连续的内存。因为DMA只能识别物理地址，从而要求用于DMA传输的内存地址是线性的。如果Region不能满足需要或是不连续时，VxD向VDMAD申请一个Buffer用作传输数据的中介。VDMAD控制DMA设备的设备驱动程序，赋给设备要传送数据的逻辑地址、数据长度以及传送方向，该设备在没有主机CPU的帮助下将数据移到指定的内容。

　　这里给出一个简单的开发实例，使用的DMA通道是第3号通道。有过在DOS下DMA编程经验的人都知道，在允许DMA传输之后，要对其状态寄存器进行查询。当然还可以在DMA传输完成以后，由/EOP信号产生中断，通知计算机DMA传输结束；或是用一个timeout估计传输时间进行计时，计时到即DMA传输结束。部分程序如下：

　　//Mydma.h头文件

　　#define MAX_TRANSFER_BYTES //传输字节数（自定）

　　#define MAX_PHYS_ADDR 0xFFF

　　#define DMA_CHANNEL_NUMBER 3 //使用3号通道

　　#define READ_DATA 111 //ring3级程序传入的命令码

　　//模式字定义

　　#define SINGLE_MODE 0x40 //单字节传输模式

　　#define INCREMENT_MODE 0x00 //地址加1传输模式

　　#define WRITEMEM_MODE 0x04 //写传输

　　……

　　//Mydma.c文件

　　//全局变量声明

　　BOOL hDMA;

　　PVOID ClientBuffer;

　　ULONG PhysAddr;

　　DWORD nBytes;

　　DWORD nPages;

　　PVOID DMABufferLinear;

　　……

　　BOOL OnSysDynamicDeviceInit（ ）

　　{

　　//虚拟化通道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;

　　//局部变量定义

　　VMHANDLE hVM=Get_Cur_VM_Handle（ ）；

　　Switch （p->dioc_IOCtlCode）

　　{

　　case DIOC_OPEN://ring3级程序调用

　　CreateFile函数打开VxD文件

　　……//进行简单处理即可

　　case DIOC_CLOSEHANDLE://当ring3级程序调用CloseHandle函数时

　　…… //简单处理即可

　　case READ_DATA: //命令码传入

　　…… //对一变量进行赋值

　　status=VDMAD_Lock_DMA_Region（ClientBuffer,nBytes,0,&MaxLockable,&PhysAddr,&error）；

　　if （status ==0） //region锁定失败，申请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）； //写DMA模式寄存器

　　VDMAD_UnMask_Channel（hVM,hDMA）； //允许DMA传输

　　while（count!=0x0） //查询DMA现行字节计数器，等待DMA传输完毕

　　{

　　Count=VDMAD_Get_Phys_Count（hDMA）；

　　}

　　…… //作些结束处理

　　default:

　　return 1; //调用失败

　　}

　　}

　　4 VxD的调用示例

　　//在ring3级中调用VxD的方法

　　HANDLE hVxD

　　HVxD=CreateFile （\\.\mydma3.vxd,0,0,0,CREATE_NEW,FILE_FLAG_SELETE_ON_CLOSE,0）； 打开设备文件

　　//DeviceIoControl函数用法，其中pVal为预留的内存，bighytes为ring3级程序传递给VxD的数据缓冲字节数。

　　DeviceIoControl （hVxD，READ_DATA，pVal,bigbytes，NULL，

　　0，&nbytes,0）

　　采用DMA技术传输数据较之查询、中断方式，无论在速度上还是数据传输量的大小上都优越得多。尤其在Windows98下虚拟设备驱动程序的开发，使得整个系统的图文界面更加美观，操作方便、灵活，大大缩短了开发周期，提高了效率。