在“計算機接口技術”教學中, 有關硬磁盤接口適配器這一章比較難學, 主要涉及到I/O 控制層對扇區讀寫和使用邏輯映射層對數據進行管理問題,內容比較抽象, 教師和學生只能憑想象去教與學。筆者在科研中, 通過對嵌入式微處理器與硬盤接口的開發應用, 加深了對這些內容的理解, 為拓展這部分教學內容的深度和廣度奠定了基礎, 并采用理論與實際結合的方式去講授有關的內容, 受到了學生的歡迎。故撰此文與從事硬盤接口技術教學的老師們作一交流。

1　ARM 系統及IDE 接口綜述

ARM (A dvanced RS?IC?M ach ines) 是一種低功耗、高性能的32 位處理器。本文介紹的系統是基于Sam sung 公司S3C44B0X 構建而成。該CPU 的內核是ARM 7TDM I, 采用了三級流水線和VON N eumann 結構, 并且具有UART、IIC、IIS、S IO 接口,ADC、PWM?通道, 實時時鐘、LCD?控制器等。

硬盤接口結構主要分I/O 控制層和邏輯映射層。其中I/O 控制層包括與ARM 的物理接口, 實現對硬盤狀態的查詢、設置和對扇區的讀寫。它是依據A TA 標準連接的IDE 接口。通過IDE 接口選擇可編程的P IO 或使用DMA?方法傳輸數據。本文將介紹P IO 方式傳送, 即對硬盤每一次訪問都需要分別進行編程.

邏輯映射層實現對目錄、文件與扇區數據邏輯映射, 以及數據的存儲和修改。該部分應用微軟公司FA T 標準, 為每個文件的磁盤塊構造鏈接表, 通過鏈接表和它的索引實現對整個磁盤文件進行管理。

在微機應用中, 由于常涉及大批量數據的存儲,在聯網條件不備的情況下, 通過IDE 接口連接大容量硬盤是一個有效方法。若按照AN S I 的A TA 標準連接硬盤, 并通過Fat32 文件系統進行數據管理,嵌入式系統讀寫過的硬盤, 還可以脫機移到W in2dow s 操作系統支持下的PC 機中, 實現與常規操作系統共享硬盤數據資源。本文介紹的方法可以推廣到其它微處理器應用系統中。

2　硬件結構與I/O 控制層

A TA 標準對IDE 硬盤接口作了詳細描述。

圖1 是按照A TA 規范結合P IO 傳輸特點進行連接。由于沒有使用DMA 傳輸方式, 故DMARQ 和DMACK 兩根懸空; / IOCS16 用于選擇使用DD0～DD15 進行16 位傳輸或使用DD0～DD7 進行8 位傳輸; /D IOR 和/D IOW 是對磁盤驅動寄存器進行讀寫操作的一對握手信號; /C S0 用來選定命令寄存器組, /C S1 選擇控制寄存器組。這兩根信號線結合DA 0～DA 2, 就可以對IDE 多個寄存器進行訪問,如數據寄存器、狀態寄存器、命令寄存器等。

此外,A TA 標準對IDE 命令也有嚴格定義, 如用來確認驅動器的0xEC, 讀緩沖區的0xE4。在P IO模式中, 系統將IDE 命令送到命令寄存器中, 讀寫相應的數據、狀態寄存器, 實現對硬盤訪問和控制。

對硬盤內部數據的操作需要了解它的物理存儲方式。磁頭、柱面和扇區是硬盤的基本結構, 而扇區是對硬盤讀寫的最小單位。硬盤內部的尋址方式有兩種, 一種是物理尋址的CHS 方式, 另一種是邏輯尋址的LBA 方式。物理尋址CHS 方式是通過柱面、磁頭和扇區號來確定唯一的存儲單位, 較為繁瑣。而邏輯尋址方式是采用線性映射方法, 從物理結構到邏輯塊編號的映射關系如下:

LBA = (柱面編號×磁頭數+ 磁頭號) ×扇區數+ 扇區編號- 1

采用這種方法, 主機不用知道硬盤的物理結構, 就能直接對目標扇區進行尋址。

根據前面的闡述, 編制I/O 控制層的控制程序, 可對IDE 控制寄器進行查詢、設置和邏輯尋址,實現對指定扇區的讀寫。圖2 是讀一個扇區數據的流程圖, 寫扇區的方法和它類似, 區別只是在于傳送指令和數據流動方向不同。此外, 在檢測狀態寄存器的時候, 最好加上超時判斷, 防止程序陷入死循環。