摘　要： 在MATLAB環(huán)境下對硬件資源如I／O端口或存儲單元" title="存儲單元">存儲單元進行訪問的方法進行討論，通過MEX程序的設計，MATLAB可以訪問硬件資源，與硬件進行數據交換，也可以在外部程序中調用MATLAB的函數。在MEX程序中需要將MATLAB下的數據格式進行轉換為C語言可以處理的數據類型。最后，結合應用實例說明MEX程序的設計。
　　關鍵詞： 硬件資源 訪問 MATLAB MEX程序

?

　　MATLAB語言是一種高性能的數值計算和可視化軟件，它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。盡管MATLAB本身的編程和數據處理的環(huán)境是完整的和自成體系的，可經常在這種環(huán)境下，仍有必要與外部的程序和數據進行通訊和數據交換，如需要控制數據采集板的硬件，讀取采集后存于數據緩存區(qū)的數據等；為此它提供了應用程序" title="應用程序">應用程序接口(API)函數來支持這樣的操作，這樣可以利用該函數來訪問硬件資源。MATLAB環(huán)境提供了MEX－文件，利用該文件可以調用用戶自己的C語言或FORTRAN語言程序，就像調用內部函數一樣方便，這些程序是MATLAB編譯器自身可以加載和運行的動態(tài)連接" title="動態(tài)連接">動態(tài)連接子程序庫。本文主要就如何利用MEX文件實現在Windows環(huán)境下對數據采集硬件資源的控制和訪問。
1 Windows環(huán)境下對硬件資源的訪問
　　我們有時可能需要在MATLAB下直接操作I／O端口，或者自己設計了專用的數據采集硬件設備并在MATLAB下使用，希望能夠訪問這些硬件資源。由于MATLAB是在Windows環(huán)境下運行，要在它的環(huán)境下實現對硬件資源(如I／O端口或存儲單元)的訪問，就有必要了解Windows下對硬件進行操作的原理。
　　在Windows中，操作系統(tǒng)對I／O端口進行保護，它將檢查是否允許當前程序對這個端口進行操作，如果允許，操作系統(tǒng)就代為執(zhí)行I／O指令；否則，操作系統(tǒng)就會采取相應處理步驟，要么中止該程序，要么向用戶報警。
　　在Windows中，真正的核心是VMM(虛擬機管理器)和VxD(虛擬設備驅動程序" title="設備驅動程序">設備驅動程序)，它們工作在特權級0上，控制著整個系統(tǒng)的運轉。正是VMM和VxD一起負責管理I／O端口操作。系統(tǒng)正常運轉后，如果應用程序執(zhí)行了1條I／O指令， VMM接收到這個消息后，它將調用曾申請截獲該端口的VxD 提供的處理函數。此時VxD可能會根據程序的需要選擇采取以下四種動作之一：忽略這條I／O指令；仿真執(zhí)行I／O指令；局部解除對該端口截獲；代替應用程序執(zhí)行I／O指令。如果I／O端口被保護，則應用程序需要利用VxD程序進行訪問，否則應用程序可以直接進行訪問。系統(tǒng)初始化完畢后，沒有VxDs申請要截獲的I／O端口對應用程序來說就是可直接使用Input／Output指令進行訪問。
　　對內存單元的訪問要復雜一些，一般情況下硬件使用的是物理地址如D800：0。而在Windows中，內存采用平板模式，利用分頁式的內寸管理方案，即內存段起始地址為0，而偏移地址是線性地址，這樣要訪問實際的物理地址，就要先將物理地址變換為線性地址，而后利用指針對線性地址進行操作，就如同對其它內存單元進行操作一樣。在Windows中，可以調用SDK中的MapPhysToLinear服務函數將物理地址轉換為線性地址，也可以利用現有的VxD程序進行轉換，如使用VtoolsD公司的MAPDEV.VXD。
2 MATLAB環(huán)境下MEX程序的設計
　　MEX程序提供了MATLAB和外部應用程序(如C語言程序)的接口，它自身包含兩部分代碼：(1)執(zhí)行外部程序中的計算和輸入／輸出命令的程序代碼；(2)通過入口函數mexFunction及其參數prhs、nrhs、 plhs nlhs將MATLAB環(huán)境下的變量和數據與應用程序進行接口，這部分程序稱為關口程序。
　　當MATLAB要執(zhí)行子程序調用時，常用以下命令格式：
　　[a、 b、 c……]＝func (d、 e、 f……)
　　其中，a，b，c為左端變量，表示函數調用后要返回的參數值，而d，e，f等為右邊變量，表示調用函數時要送往函數的參數值。
　　在MEX程序中關口函數總是為mexFunction，其變量和格式為:
　　void mexFunction (int nlhs、 mxArray *plhs[]、 Int nrhs、 Const mxArray *plhs[])
　　其中nrhs、 nlhs分別表示輸入／輸出(右端／左端)參數數目; *plhs[]、 *prhs[]分別表示指向左端輸出／右端輸入變量的指針，這兩個變量具有MATLAB特有的數據結構" title="數據結構">數據結構mxArray形式。
　　在MEX程序中，也可以調用MATLAB函數或用戶自定義的函數。調用的指令為mxCallMATLAB(plhs、 *plhs[])、 nrhs、 *prhs[]、 char *command－name) ，其中plhs、 *plhs、 nrhs、 *prhs等參數意義和前述參數意義相同，而*command－name為指令字符串的指針，該函數在調用成功以后、就返回0值。反之，則返回非零值。
　　在Windwows平臺下，要生成MEX文件，就必須先為編譯器安置選項文件mexopt.bat，通過setup開關可以進入選項配置程序，只要按照程序提示內容進行，就可完成對編譯器的選項配置。在此之后要把外部MEX的C語言程序的路徑加入到MATLAB目錄路徑，這樣只要鍵入MEX [應用程序名C]就可以編譯生成帶有DLL擴展名的MEX文件。要調用MEX程序就和調用一般的MATLAB內部命令一樣。由于MATLAB程序解釋器當在同一目錄下遇到具有相同名字的M文件和MEX文件時，首先執(zhí)行MEX文件；而使用HELP命令時，MATLAB首先查找M文件，這樣就可以用M文件對MEX文件進行注釋。
3 MATLAB環(huán)境下和MEX程序中的數據格式處理
　　MEX程序采用的數據格式與C語言的格式是相同的，具有不同的整數和浮點數類型。而在MATLAB語言中，僅有一種對象類型，MATLAB陣列mxArray。所有的變量包括標量、向量、矩陣、字符串，單元陣列和結構等都以該陣列方式存儲，mxArray數據結構包含有以下幾部分：
　　類型：如果是數值，標明是實數或復數。
　　維數：如是稀疏矩陣，包含索引和非零元素。
　　和該陣列相關的數據：如是結構或對象，包含域的數量和名字。
　　對于mxArray的數據結構形式，MATLAB的API程序提供了一系列函數，利用這些函數用戶可以生成具有mxArray格式的各種標量、向量等，也可以將mxArray中的向量或標量的維數和數據轉換為C語言可以直接處理的數據類型。
　　用戶在進入MEX應用程序以后，首先要確定輸入變量的參數個數和返回變量的參數個數，再確定各變量的維數和類型是否和預先設定的一致，對于返回變量需要調用創(chuàng)建語句構造數組。當輸入和返回變量不止一個時，plhs[]和prhs[]數組中分別包括了指向變量的指針，如plhs[0]表示指向第1個返回參數的指針，prhs^[1]表示指向第2個返回參數的指針。在創(chuàng)建數組時，返回的是指向mxArray類型數組的指針，要訪問具體的數據需要調用mxGetPr來獲取指向實際數據的指針。
　　結構和單元陣列是MATLAB 5.0下的新的數據格式，將它們傳遞到MEX文件中就和傳遞其它類型的數據一樣簡單，只不過應注意調用函數mxGetField和mxGetCell返回的是指向mxArray類型的指針，而后可以調用mxGetData來獲取真正的數據。對復數而言，可以分別調用mxGetPr和mxGetPi來獲取指向真正的實部和虛部數據的指針。
　　在MEX函數中，要處理8位、16位和32位數據，則可以先用mxCreatNumericArray來建立數組，在mxClassID中定義要創(chuàng)建數據的類型，一旦建立了數組，可以用mxGetData和mxGetImagData函數分別獲取實部和虛部的指針，而后進行操作。這樣就可以在MEX函數中處理MATLAB中不易處理的8位、16位和32位整數數據，當數據傳送回MATLAB后，要將其變?yōu)殡p精度數據。對于多維數組，也可以按照相同的方式處理，只不過注意數據是按列存儲，計算下標時要注意。
4 應用實例分析
　　#include ＜conio.h＞
　　#include ″mex.h″ ／* MEX 文件的頭文件 *／
　　#include ＜memory.h＞
　　#include ＜stdio.h＞
　　#include ＜stdlib.h＞
　　#include ＜windows.h＞
　?。? 調用VxD程序需要的頭文件 *／
　　define NotVxD
　　#include ″mapdev.h″
　　#include ″winioctl.h″
　　HANDLE hDevice;
　　int dims^[2]＝{4096、1};
　　unsigned short ADData1[8192]; ／*申請緩沖區(qū)*／
　　unsigned short *buff1、 *buff2;
　　int points;
　?。? 關口函數 *／
　　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;
　　／* 調用VxD程序需要的變量聲明 *／
　　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″;
　?。?檢查參數數量 *／
　　if(nrhs?選＝3)
　　mexErrMsgTxt(″需要三個輸入參數.″);
　　if(nlhs?選＝2)
　　mexErrMsgTxt(″需要兩個輸出參數.″);
　?。? 檢查參數類型 *／
　　if( ?選mxIsNumeric(prhs^[2]) ｜｜ ?選mxIsDouble(prhs^[2]) ｜｜
　　mxIsEmpty(prhs^[2]) ｜｜ mxIsComplex(prhs^[2]) ｜｜
　　mxGetN(prhs^[2])*mxGetM(prhs^[2])?選＝1 )
　　{
　　mexErrMsgTxt(″第三輸入參數應為標量.″);
　　}
　?。? 獲取各輸入參數的長度. *／
　　nx ＝ mxGetN(prhs[0]);
　　ny ＝ mxGetN(prhs^[1]);
　　nz ＝ mxGetN(prhs^[2]);
　?。? 將雙精度型數據轉換為整數 *／
　　points ＝ (int) mxGetScalar(prhs^[2]);
　　／* 創(chuàng)建16位無符號整數數組(4096X1)供輸出使用 *／
　　plhs[0]＝mxCreateNumericArray(2、dims、mxUINT16＿
　　CLASS、mxREAL);
　?。? 創(chuàng)建1X1雙精度型返回變量 *／
　　plhs^[1] ＝ mxCreateDoubleMatrix(1、1、mxREAL);
　　temp＝(unsigned short *)mxGetPr(plhs[0]);
　?。? 獲取輸出變量指針 *／
　　x ＝ mxGetPr(prhs[0]);
　　y ＝ mxGetPr(prhs^[1]);
　　／* 動態(tài)調用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; ／*物理地址為d800:0 *／
　　req.mdr＿SizeInBytes＝0x8000; ／*長度為0x8000*／
　　inBuf[0] ＝ ＆req;
　　if (?選DeviceIoControl(hDevice、 MDR＿SERVICE＿MAP、
　　inBuf、 sizeof(PVOID)、 NULL、 0、 ＆cbBytesReturned、 NULL)
　　)
　　mexPrintf( ″Failed to map device＼n″);
　　buff1＝req.mdr＿LinearAddress; ／* 獲取線性地址指針 *／
　　／* 直接進行I／O操作啟動A／D *／
　　itemp ＝ inp(0x300);
　　itemp｜＝0x2;
　　outp(0x300、 itemp); ／* start AD *／
　　itemp ｜＝ 0x4;
　　outp(0x300、 itemp); ／* A／D initial clear *／
　?。? 對線性地址直接進行指針操作 *／
　　memcpy((unsigned short *)temp、 (unsigned short *)buff1、 8192*sizeof(unsigned short));
　?。? 設置返回標量值為點數 *／
　　temp＝(unsigned short *)mxGetPr(plhs^[1]);
　　*temp＝(unsigned short)points;
　　}
　　綜上所述，在MATLAB環(huán)境下對硬件資源的訪問可以通過MEX程序進行，由MEX程序產生的DLL程序可以作為一個動態(tài)連接庫被MATLAB代碼調用，而MEX程序也可以調用MATLAB的內部函數或外部函數。在MEX程序中利用MATLAB提供的API函數可以將MATLAB的內部數據類型轉換為C語言可以處理的數據類型格式。另一方面，MEX程序傳送回的整數數據也要變?yōu)殡p精度型數據，才能為其它函數所處理。
參考資料
1 The MathWorks、 Inc. Application Program Interface Guide. January 1998 Revised for 5.2
2 徐志海，郭武，徐守時.Win95 下利用VXD訪問物理地址.微計算機應用，1998;19(3)
3 楊 強、李堂球編著.Win 9X虛擬設備驅動程序編程指南.北京：清華大學出版社，1999.3