摘　要： 在MATLAB环境下对硬件资源如I／O端口或存储单元" title="存储单元">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" title="应用程序">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" title="动态连接">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" title="设备驱动程序">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" title="数据结构">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?选＝3)
　　mexErrMsgTxt(″需要三个输入参数.″);
　　if(nlhs?选＝2)
　　mexErrMsgTxt(″需要两个输出参数.″);
　　／* 检查参数类型 *／
　　if( ?选mxIsNumeric(prhs^[2]) ｜｜ ?选mxIsDouble(prhs^[2]) ｜｜
　　mxIsEmpty(prhs^[2]) ｜｜ mxIsComplex(prhs^[2]) ｜｜
　　mxGetN(prhs^[2])*mxGetM(prhs^[2])?选＝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 (?选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。
参考资料
1 The MathWorks、 Inc. Application Program Interface Guide. January 1998 Revised for 5.2
2 徐志海，郭武，徐守时.Win95 下利用VXD访问物理地址.微计算机应用，1998;19(3)
3 杨 强、李堂球编著.Win 9X虚拟设备驱动程序编程指南.北京：清华大学出版社，1999.3