基于DMA技术实现高速数据采集系统的设计

介绍基于Windows98平台的DMA虚拟设备驱动程序的开发，并给出了一个简单的DMA虚拟设备驱动程序的开发实例。

直接存储器存取方式不仅具有高速度、高效率的特点，而且CPU资源占用少，因此在需要高速、批量交换数据的场合得到了广泛的应用。在DOS下编写DMA控制程序并不难，但要编制出精美实用的界面则是一件非常繁锁的工作，而且效果往往不佳。Windows自问世以来便以身采取的保护措施使得Windows与硬件直接接口时需要程序员编写专用的虚拟设备驱动程序。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。作者在开发利用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（缓存的地址由两片74LS393级联产生）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（ring0级）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，这在客观上要求用于DMA数据传输的内存必须是物理连续的。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。

专门开发虚拟设备驱动程序的工具以WindowsDDK和VtoolsD较著名。前者比较复杂，要求编程者熟悉C语言和汇编语言。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。这使得程序员可以将精力集中于VxD的功能实现上，而不必去理会其底层细节。这里假设设备名为MYDMA，在填写了相关的信息后，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；最后在VisualC++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（Buffer）和应用程序内存缓冲（Region）。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。如前所述，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。这样在DMA传输开始前，选尝试锁定Region以获得其物理地址（因为Buffer是很宝贵的系统资源，只有在必须时才申请它来传输数据）。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，或通过对/EOP信号的检测以确定DMA传输完成与否。在此VxD程序中用的是查询现行字节寄存器的方法，此种方法简单易行。当然还可以在DMA传输完成以后，由/EOP信号产生一次中断，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 //最大传输字节数（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，操作更加方便、灵活，大大缩短了开发周期，提高了效率。

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