在ＭＡＴＬＡＢ环境下实现对硬件资源的访问

    摘要：在ＭＡＴＬＡＢ环境下对硬件资源如Ｉ／Ｏ端口或存储单元进行访问的方法进行讨论，通过ＭＥＸ程序的设计，ＭＡＴＬＡＢ可以访问硬件资源，与硬件进行数据交换，也可以在外部程序中调用ＭＡＴＬＡＢ的函数。在ＭＥＸ程序中需要将ＭＡＴＬＡＢ下的数据格式进行转换为Ｃ语言可以处理的数据类型。最后，结合应用实例说明ＭＥＸ程序的设计。

    关键词：硬件资源  访问  ＭＡＴＬＡＢ  ＭＥＸ程序

    ＭＡＴＬＡＢ语言是一种高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。尽管ＭＡＴＬＡＢ本身的编程和数据处理的环境是完整的和自成体系的，可经常在这种环境下，仍有必要与外部的程序和数据进行通讯和数据交换，如需要控制数据采集板的硬件，读取采集后存于数据缓存区的数据等；为此它提供了应用程序接口（ＡＰＩ）函数来支持这样的操作，这样可以利用该函数来访问硬件资源。ＭＡＴＬＡＢ环境提供了ＭＥＸ－文件，利用该文件可以调用用户自己的Ｃ语言或ＦＯＲＴＲＡＮ语言程序，就像调用内部函数一样方便，这些程序是ＭＡＴＬＡＢ编译器自身可以加载和运行的动态连接子程序库。本文主要就如何利用ＭＥＸ文件实现在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下对数据采集硬件资源的控制和访问。

１ Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下对硬件资源的访问

    我们有时可能需要在ＭＡＴＬＡＢ下直接操作Ｉ／Ｏ端口，或者自己设计了专用的数据采集硬件设备并在ＭＡＴＬＡＢ下使用，希望能够访问这些硬件资源。由于ＭＡＴＬＡＢ是在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下运行，要在它的环境下实现对硬件资源（如Ｉ／Ｏ端口或存储单元）的访问，就有必要了解Ｗｉｎｄｏｗｓ下对硬件进行操作的原理。

    在Ｗｉｎｄｏｗｓ中，操作系统对Ｉ／Ｏ端口进行保护，它将检查是否允许当前程序对这个端口进行操作，如果允许，操作系统就代为执行Ｉ／Ｏ指令；否则，操作系统就会采取相应处理步骤，要么中止该程序，要么向用户报警。

    在Ｗｉｎｄｏｗｓ中，真正的核心是ＶＭＭ（虚拟机管理器）和ＶｘＤ（虚拟设备驱动程序），它们工作在特权级０上，控制着整个系统的运转。正是ＶＭＭ和ＶｘＤ一起负责管理Ｉ／Ｏ端口操作。系统正常运转后，如果应用程序执行了１条Ｉ／Ｏ指令， ＶＭＭ接收到这个消息后，它将调用曾申请截获该端口的ＶｘＤ 提供的处理函数。此时ＶｘＤ可能会根据程序的需要选择采取以下四种动作之一：忽略这条Ｉ／Ｏ指令；仿真执行Ｉ／Ｏ指令；局部解除对该端口截获；代替应用程序执行Ｉ／Ｏ指令。如果Ｉ／Ｏ端口被保护，则应用程序需要利用ＶｘＤ程序进行访问，否则应用程序可以直接进行访问。系统初始化完毕后，没有ＶｘＤｓ申请要截获的Ｉ／Ｏ端口对应用程序来说就是可直接使用Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ指令进行访问。

    对内存单元的访问要复杂一些，一般情况下硬件使用的是物理地址如Ｄ８００：０。而在Ｗｉｎｄｏｗｓ中，内存采用平板模式，利用分页式的内寸管理方案，即内存段起始地址为０，而偏移地址是线性地址，这样要访问实际的物理地址，就要先将物理地址变换为线性地址，而后利用指针对线性地址进行操作，就如同对其它内存单元进行操作一样。在Ｗｉｎｄｏｗｓ中，可以调用ＳＤＫ中的ＭａｐＰｈｙｓＴｏＬｉｎｅａｒ服务函数将物理地址转换为线性地址，也可以利用现有的ＶｘＤ程序进行转换，如使用ＶｔｏｏｌｓＤ公司的ＭＡＰＤＥＶ．ＶＸＤ。

２ ＭＡＴＬＡＢ环境下ＭＥＸ程序的设计

    ＭＥＸ程序提供了ＭＡＴＬＡＢ和外部应用程序（如Ｃ语言程序）的接口，它自身包含两部分代码：（１）执行外部程序中的计算和输入／输出命令的程序代码；（２）通过入口函数ｍｅｘＦｕｎｃｔｉｏｎ及其参数ｐｒｈｓ，ｎｒｈｓ， ｐｌｈｓ ｎｌｈｓ将ＭＡＴＬＡＢ环境下的变量和数据与应用程序进行接口，这部分程序称为关口程序。

    当ＭＡＴＬＡＢ要执行子程序调用时，常用以下命令格式：

    [ａ,ｂ,ｃ……]＝ｆｕｎｃ(ｄ,ｅ,ｆ……)

    其中，ａ，ｂ，ｃ为左端变量，表示函数调用后要返回的参数值，而ｄ，ｅ，ｆ等为右边变量，表示调用函数时要送往函数的参数值。

    在ＭＥＸ程序中关口函数总是为ｍｅｘＦｕｎｃｔｉｏｎ，其变量和格式为:

    ｖｏｉｄ ｍｅｘＦｕｎｃｔｉｏｎ (ｉｎｔ ｎｌｈｓ, ｍｘＡｒｒａｙ *ｐｌｈｓ[], Ｉｎｔ ｎｒｈｓ, Ｃｏｎｓｔ ｍｘＡｒｒａｙ *ｐｌｈｓ[])

    其中ｎｒｈｓ, ｎｌｈｓ分别表示输入／输出（右端／左端）参数数目; *ｐｌｈｓ[], *ｐｒｈｓ[]分别表示指向左端输出／右端输入变量的指针，这两个变量具有ＭＡＴＬＡＢ特有的数据结构ｍｘＡｒｒａｙ形式。

    在ＭＥＸ程序中，也可以调用ＭＡＴＬＡＢ函数或用户自定义的函数。调用的指令为ｍｘＣａｌｌＭＡＴＬＡＢ(ｐｌｈｓ, *ｐｌｈｓ[]), ｎｒｈｓ,*ｐｒｈｓ[], ｃｈａｒ *ｃｏｍｍａｎｄ－ｎａｍｅ)，其中ｐｌｈｓ, *ｐｌｈｓ, ｎｒｈｓ,*ｐｒｈｓ等参数意义和前述参数意义相同，而*ｃｏｍｍａｎｄ－ｎａｍｅ为指令字符串的指针，该函数在调用成功以后就返回０值。反之，则返回非零值。

    在Ｗｉｎｄｗｏｗｓ平台下，要生成ＭＥＸ文件，就必须先为编译器安置选项文件ｍｅｘｏｐｔ．ｂａｔ，通过ｓｅｔｕｐ开关可以进入选项配置程序，只要按照程序提示内容进行，就可完成对编译器的选项配置。在此之后要把外部ＭＥＸ的Ｃ语言程序的路径加入到ＭＡＴＬＡＢ目录路径，这样只要键入ＭＥＸ[应用程序名Ｃ]就可以编译生成带有ＤＬＬ扩展名的ＭＥＸ文件。要调用ＭＥＸ程序就和调用一般的ＭＡＴＬＡＢ内部命令一样。由于ＭＡＴＬＡＢ程序解释器当在同一目录下遇到具有相同名字的Ｍ文件和ＭＥＸ文件时，首先执行ＭＥＸ文件；而使用ＨＥＬＰ命令时，ＭＡＴＬＡＢ首先查找Ｍ文件，这样就可以用Ｍ文件对ＭＥＸ文件进行注释。

３ ＭＡＴＬＡＢ环境下和ＭＥＸ程序中的数据格式处理

    ＭＥＸ程序采用的数据格式与Ｃ语言的格式是相同的，具有不同的整数和浮点数类型。而在ＭＡＴＬＡＢ语言中，仅有一种对象类型，ＭＡＴＬＡＢ阵列ｍｘＡｒｒａｙ。所有的变量包括标量、向量、矩阵、字符串，单元阵列和结构等都以该阵列方式存储，ｍｘＡｒｒａｙ数据结构包含有以下几部分：

    类型：如果是数值，标明是实数或复数。

    维数：如是稀疏矩阵，包含索引和非零元素。

    和该阵列相关的数据：如是结构或对象，包含域的数量和名字。

    对于ｍｘＡｒｒａｙ的数据结构形式，ＭＡＴＬＡＢ的ＡＰＩ程序提供了一系列函数，利用这些函数用户可以生成具有ｍｘＡｒｒａｙ格式的各种标量、向量等，也可以将ｍｘＡｒｒａｙ中的向量或标量的维数和数据转换为Ｃ语言可以直接处理的数据类型。

    用户在进入ＭＥＸ应用程序以后，首先要确定输入变量的参数个数和返回变量的参数个数，再确定各变量的维数和类型是否和预先设定的一致，对于返回变量需要调用创建语句构造数组。当输入和返回变量不止一个时，ｐｌｈｓ[]和ｐｒｈｓ[]数组中分别包括了指向变量的指针，如ｐｌｈｓ[0]表示指向第１个返回参数的指针，ｐｒｈｓ[１]表示指向第２个返回参数的指针。在创建数组时，返回的是指向ｍｘＡｒｒａｙ类型数组的指针，要访问具体的数据需要调用ｍｘＧｅｔＰｒ来获取指向实际数据的指针。

    结构和单元阵列是ＭＡＴＬＡＢ ５．０下的新的数据格式，将它们传递到ＭＥＸ文件中就和传递其它类型的数据一样简单，只不过应注意调用函数ｍｘＧｅｔＦｉｅｌｄ和ｍｘＧｅｔＣｅｌｌ返回的是指向ｍｘＡｒｒａｙ类型的指针，而后可以调用ｍｘＧｅｔＤａｔａ来获取真正的数据。对复数而言，可以分别调用ｍｘＧｅｔＰｒ和ｍｘＧｅｔＰｉ来获取指向真正的实部和虚部数据的指针。

    在ＭＥＸ函数中，要处理８位、１６位和３２位数据，则可以先用ｍｘＣｒｅａｔＮｕｍｅｒｉｃＡｒｒａｙ来建立数组，在ｍｘＣｌａｓｓＩＤ中定义要创建数据的类型，一旦建立了数组，可以用ｍｘＧｅｔＤａｔａ和ｍｘＧｅｔＩｍａｇＤａｔａ函数分别获取实部和虚部的指针，而后进行操作。这样就可以在ＭＥＸ函数中处理ＭＡＴＬＡＢ中不易处理的８位、１６位和３２位整数数据，当数据传送回ＭＡＴＬＡＢ后，要将其变为双精度数据。对于多维数组，也可以按照相同的方式处理，只不过注意数据是按列存储，计算下标时要注意。

４ 应用实例分析

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｃｏｎｉｏ．ｈ＞

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ″ｍｅｘ．ｈ″ ／* ＭＥＸ 文件的头文件 *／

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｍｅｍｏｒｙ．ｈ＞

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｄｉｏ．ｈ＞

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｓｔｄｌｉｂ．ｈ＞

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ＜ｗｉｎｄｏｗｓ．ｈ＞

    ／* 调用ＶｘＤ程序需要的头文件 *／

    ｄｅｆｉｎｅ ＮｏｔＶｘＤ

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ″ｍａｐｄｅｖ．ｈ″

    ＃ｉｎｃｌｕｄｅ ″ｗｉｎｉｏｃｔｌ．ｈ″

    ＨＡＮＤＬＥ ｈＤｅｖｉｃｅ;

    ｉｎｔ ｄｉｍｓ[２]＝{４０９６,１};

    ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ＡＤＤａｔａ１[８１９２]; ／*申请缓冲区*／

    ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ *ｂｕｆｆ１, *ｂｕｆｆ２;

    ｉｎｔ ｐｏｉｎｔｓ;

    ／* 关口函数 *／

    ｖｏｉｄ ｍｅｘＦｕｎｃｔｉｏｎ(ｉｎｔ ｎｌｈｓ, ｍｘＡｒｒａｙ *ｐｌｈｓ[],

ｉｎｔ ｎｒｈｓ, ｃｏｎｓｔ ｍｘＡｒｒａｙ *ｐｒｈｓ[])

    {

    ｄｏｕｂｌｅ *ｘ *ｙ;

    ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ *ｔｅｍｐ;

    ｄｏｕｂｌｅ ｚ;

    ｉｎｔ ｎｘ, ｎｙ, ｎｚ, ａｄ＿ｍｏｄｅ, ｓｔａｔｕｓ, ｍｒｏｗｓ,ｎｃｏｌｓ,ｃｈａｎｎｅｌｎｕｍ,ｉ,ｋ;

    ｆｌｏａｔ ＡＤＦｒｅ, ＦｉｌｔｅｒＦｒｅ;

    ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ ａｄｓｔｏｐｌ, ａｄｓｔｏｐｈ;

    ／* 调用ＶｘＤ程序需要的变量声明 *／

    ＰＶＯＩＤ ｉｎＢｕｆ[１]; ／／ｂｕｆｆｅｒ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔ ｐｏｉｎｔｅｒ ｔｏ

ＶｘＤ

    ＤＷＯＲＤ ＲｅｔＩｎｆｏ[２]; ／／ｂｕｆｆｅｒ ｔｏ ｒｅｃｅｉｖｅ ｄａｔａ

ｆｒｏｍ ＶｘＤ

    ＤＷＯＲＤ ｃｂＢｙｔｅｓＲｅｔｕｒｎｅｄ; ／／ｃｏｕｎｔ ｏｆ ｂｙｔｅｓ ｒｅ－

ｔｕｒｎｅｄ ｆｒｏｍ ＶｘＤ

    ＭＡＰＤＥＶＲＥＱＵＥＳＴ ｒｅｑ; ／／ｍａｐ ｄｅｖｉｃｅ ｒｅｑｕｅｓｔ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

    ｃｏｎｓｔ ＰＣＨＡＲ ＶｘＤＮａｍｅ＝″＼＼＼＼．＼＼ＭＡＰＤＥＶ．ＶＸＤ″;

    ｃｏｎｓｔ ＰＣＨＡＲ ＶｘＤＮａｍｅＡｌｒｅａｄｙＬｏａｄｅｄ＝″＼＼＼＼．＼＼ＭＡＰＤＥＶ″;

    ／*检查参数数量 *／

    ｉｆ(ｎｒｈｓ!＝３)

    ｍｅｘＥｒｒＭｓｇＴｘｔ(″需要三个输入参数．″);

    ｉｆ(ｎｌｈｓ!＝２)

    ｍｅｘＥｒｒＭｓｇＴｘｔ(″需要两个输出参数．″);

    ／* 检查参数类型 *／

    ｉｆ( !ｍｘＩｓＮｕｍｅｒｉｃ(ｐｒｈｓ[２]) ｜｜ !ｍｘＩｓＤｏｕｂｌｅ(ｐｒｈｓ[２]) ｜｜

    ｍｘＩｓＥｍｐｔｙ(ｐｒｈｓ[２]) ｜｜ ｍｘＩｓＣｏｍｐｌｅｘ(ｐｒｈｓ[２])! ｜｜

    ｍｘＧｅｔＮ(ｐｒｈｓ[２])*ｍｘＧｅｔＭ(ｐｒｈｓ[２])!＝１)

    {

    ｍｅｘＥｒｒＭｓｇＴｘｔ(″第三输入参数应为标量．″);

    }

    ／* 获取各输入参数的长度．*／

    ｎｘ ＝ ｍｘＧｅｔＮ(ｐｒｈｓ[０]);

    ｎｙ ＝ ｍｘＧｅｔＮ(ｐｒｈｓ[１]);

    ｎｚ ＝ ｍｘＧｅｔＮ(ｐｒｈｓ[２]);

    ／* 将双精度型数据转换为整数 *／

    ｐｏｉｎｔｓ ＝ (ｉｎｔ) ｍｘＧｅｔＳｃａｌａｒ(ｐｒｈｓ[２]);

    ／* 创建１６位无符号整数数组（４０９６Ｘ１）供输出使用 *／

    ｐｌｈｓ[０]＝ｍｘＣｒｅａｔｅＮｕｍｅｒｉｃＡｒｒａｙ(２,ｄｉｍｓ,ｍｘＵＩＮＴ１６＿ＣＬＡＳＳ,ｍｘＲＥＡＬ);

    ／* 创建１Ｘ１双精度型返回变量 *／

    ｐｌｈｓ[１] ＝ ｍｘＣｒｅａｔｅＤｏｕｂｌｅＭａｔｒｉｘ(１,１,ｍｘＲＥＡＬ);

    ｔｅｍｐ＝(ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ *)ｍｘＧｅｔＰｒ(ｐｌｈｓ[0]);

    ／* 获取输出变量指针 *／

    ｘ ＝ ｍｘＧｅｔＰｒ(ｐｒｈｓ[０]);

    ｙ ＝ ｍｘＧｅｔＰｒ(ｐｒｈｓ[１]);

    ／* 动态调用ＶｘＤ程序 *／

    ｈＤｅｖｉｃｅ ＝ ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ(ＶｘＤＮａｍｅ, ０,０,０,ＣＲＥＡＴＥ＿ＮＥＷ,ＦＩＬＥ＿ＦＬＡＧ＿ＤＥＬＥＴＥ＿ＯＮ＿ＣＬＯＳＥ, ０);

    ｉｆ (ｈＤｅｖｉｃｅ ＝＝ ＩＮＶＡＬＩＤ＿ＨＡＮＤＬＥ＿ＶＡＬＵＥ)ｈＤｅｖｉｃｅ ＝ ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ(ＶｘＤＮａｍｅＡｌｒｅａｄｙＬｏａｄｅｄ, ０,０,０,

    ＣＲＥＡＴＥ＿ＮＥＷ,ＦＩＬＥ＿ＦＬＡＧ＿ＤＥＬＥＴＥ＿ＯＮ＿ＣＬＯＳＥ, ０);

    ｉｆ (ｈＤｅｖｉｃｅ ＝＝ ＩＮＶＡＬＩＤ＿ＨＡＮＤＬＥ＿ＶＡＬＵＥ)

    {

    ｍｅｘＰｒｉｎｔｆ( ″Ｃａｎｎｏｔ ｏｐｅｎ ｄｒｉｖｅｒ, ｅｒｒｏｒ＝％０８ｌｘ＼ｎ″,ＧｅｔＬａｓｔＥｒｒｏｒ());

    }

    ｒｅｑ．ｍｄｒ＿ＳｅｒｖｉｃｅＩＤ ＝ ＭＤＲ＿ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＭＡＰ;

    ｒｅｑ．ｍｄｒ＿ＰｈｙｓｉｃａｌＡｄｄｒｅｓｓ ＝ ０ｘｄ８０００; ／*物理地址为ｄ８００:０ *／

    ｒｅｑ．ｍｄｒ＿ＳｉｚｅＩｎＢｙｔｅｓ＝０ｘ８０００;／*长度为０ｘ８０００*／ｉｎＢｕｆ[０] ＝ ＆ｒｅｑ;

    ｉｆ（！ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（ｈＤｅｖｉｃｅ， ＭＤＲ＿ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＭＡＰ，ｉｎＢｕｆ，ｓｉｚｅｏｆ（ＰＶＯＩＤ），ＮＵＬＬ，０，＆ｃｂＢｙｔｅｓＲｅｔｕｒｎｅｄ，ＮＵＬＬ）

    ）

    ｍｅｘＰｒｉｎｔｆ（ ″Ｆａｉｌｅｄ ｔｏ ｍａｐ ｄｅｖｉｃｅ＼ｎ″）；

    ｂｕｆｆ１＝ｒｅｑ．ｍｄｒ＿ＬｉｎｅａｒＡｄｄｒｅｓｓ； ／* 获取线性地址指针 *／

    ／* 直接进行Ｉ／Ｏ操作启动Ａ／Ｄ *／

    ｉｔｅｍｐ ＝ ｉｎｐ（０ｘ３００）；

    ｉｔｅｍｐ｜＝０ｘ２；

    ｏｕｔｐ（０ｘ３００， ｉｔｅｍｐ）； ／* ｓｔａｒｔ ＡＤ *／

    ｉｔｅｍｐ ｜＝ ０ｘ４；

    ｏｕｔｐ（０ｘ３００， ｉｔｅｍｐ）； ／* Ａ／Ｄ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｌｅａｒ *／

    ／* 对线性地址直接进行指针操作 *／

    ｍｅｍｃｐｙ（（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ *）ｔｅｍｐ，（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ*）ｂｕｆｆ１， ８１９２*ｓｉｚｅｏｆ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ））；

    ／* 设置返回标量值为点数 *／

    ｔｅｍｐ＝（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ *）ｍｘＧｅｔＰｒ（ｐｌｈｓ[１]);

    *ｔｅｍｐ＝(ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ)ｐｏｉｎｔｓ;

    }

    综上所述，在ＭＡＴＬＡＢ环境下对硬件资源的访问可以通过ＭＥＸ程序进行，由ＭＥＸ程序产生的ＤＬＬ程序可以作为一个动态连接库被ＭＡＴＬＡＢ代码调用，而ＭＥＸ程序也可以调用ＭＡＴＬＡＢ的内部函数或外部函数。在ＭＥＸ程序中利用ＭＡＴＬＡＢ提供的ＡＰＩ函数可以将ＭＡＴＬＡＢ的内部数据类型转换为Ｃ语言可以处理的数据类型格式。另一方面，ＭＥＸ程序传送回的整数数据也要变为双精度型数据，才能为其它函数所处理。