基于單片機(jī)的IDE硬盤控制的研究與設(shè)計

1．概述

近年來作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的硬盤，其接口智能化程度越來越高，容量不斷增大，反而體積在變小，并可脫離系統(tǒng)主機(jī)，控制起來比較方便，已經(jīng)受到人們的普遍重視?，F(xiàn)今，在許多以單片機(jī)為核心的持續(xù)數(shù)據(jù)采集存儲應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因此，若能將脫機(jī)高速大容量硬盤應(yīng)用到此類系統(tǒng)中，則可提高讀寫速度、降低單位成本、具有很大優(yōu)勢。但是，硬盤讀寫是一個復(fù)雜的過程，它涉及到硬盤的接口方式、尋址方式、控制寄存器模型等。這樣以來，我們就急需找到一種方案，占用較少的單片機(jī)資源，卻能比較方便的控制硬盤.本文通過8255[1]對單片機(jī)進(jìn)行I/O擴(kuò)展，驅(qū)動IDE硬盤，成功的解決了上述問題，從而使硬盤可以應(yīng)用到許多智能系統(tǒng)中。

2． 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)由單片機(jī)（W78E52）、地址鎖存器（74HC373）、8255、施密特反向器（74HC04）、IDE硬盤驅(qū)動器組成。單片機(jī)通過8位數(shù)據(jù)總線、A0、A1、CS、WR、RD與8255相連。單片機(jī)將8255作為I/O口擴(kuò)展，8255的端口A和端口B與IDE接口的16位數(shù)據(jù)線相連；端口C產(chǎn)生IDE總線的控制信號。IDE接口的DASP腳所接的LED作為指示燈，類似PC機(jī)，當(dāng)硬盤忙時，指示燈亮。

IDE[2][5]接口是將ST506控制器集成到驅(qū)動器中，從處理器角度看，IDE接口可被描述成一系列I/O端口----一組8/16位的I/O端口，兩根片選線（CS1FX和CS3FX），讀寫控制線（RD和WR），三根地址線（DA0,DA1,DA2）和一個中斷請求(INTRQ)以及用來設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸模式的控制線。IDE接口在硬盤的存取采用16位數(shù)據(jù)總線方式。在ATA[3]標(biāo)準(zhǔn)中，IDE接口對硬盤的輸入輸出操作均是通過對相應(yīng)寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)的，這些端口寄存器統(tǒng)稱為命令塊寄存器，是由片選線和地址線進(jìn)行統(tǒng)一編址的，其功能如表1所示：

IDE接口的硬盤驅(qū)動器提供兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：PIO模式和DMA模式。由于采用PIO模式控制相對容易，并且提供了一種可編程控制輸入/輸出的快速傳輸方法，所以本系統(tǒng)使用PIO模式。該模式采用高速的數(shù)據(jù)塊I/O，以扇區(qū)為單位，用中斷請求方式與CPU進(jìn)行批量數(shù)據(jù)交換。通常情況下，在扇區(qū)讀寫操作時，每次按16位長度通過內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行傳輸，每傳輸一扇區(qū)數(shù)據(jù)就產(chǎn)生一次中斷。

系統(tǒng)不能直接用8255的輸出口控制IDE接口，是由于8255有一個不良特性：當(dāng)切換芯片I/O口的輸入/輸出模式時，將重新復(fù)位所有的引腳狀態(tài)，當(dāng)然也包括所有的輸出信號。這對于作為數(shù)據(jù)總線的信號影響不大，但對控制信號卻有不小的沖擊，尤其是它會將IDE接口的復(fù)位線使能（IDE的控制引腳都是低電平有效）,這樣就不能正常控制硬盤。因此，本系統(tǒng)通過74HC04將8255的控制端口接到IDE接口上。此時，當(dāng)8255改變I/O口的工作模式時，所有的輸出全部復(fù)位為“0”，經(jīng)74HC04后所有的控制信號被拉成高電平，IDE驅(qū)動器就不會處于使能狀態(tài)。

3． 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用程序結(jié)構(gòu)化和功能模塊化的設(shè)計方法，以便于此設(shè)計具有良好的可移植性。系統(tǒng)軟件包括主程序和任務(wù)子程序。任務(wù)子程序由讀扇區(qū)  (Read_sector)，寫扇區(qū) (Write_sector)，錯誤處理 (Process_error)，邏輯塊地址寫（wr_lba)，IDE讀 (ide_rd)，IDE寫 (ide_wr)等組成。主程序流程圖如圖2所示：

單片機(jī)上電后對8255以及IDE驅(qū)動器進(jìn)行初始化，并不停查詢鍵盤，以判斷是否有任務(wù)到達(dá)，如有任務(wù)，則根據(jù)命令進(jìn)入到相應(yīng)任務(wù)子程序。在進(jìn)入任務(wù)子程序之前，必須先檢測IDE驅(qū)動器的狀態(tài)，IDE驅(qū)動器的狀態(tài)寄存器如表2所示：

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在PIO[4]工作模式下，向硬盤發(fā)出命令前，必須先檢測驅(qū)動器是否忙（BSY）。如果在規(guī)定時間內(nèi)硬盤驅(qū)動器一直忙碌，置超時錯，否則表示硬盤驅(qū)動器空閑，可接受命令，對硬盤進(jìn)行相應(yīng)操作。IDE接口通過兩個協(xié)議來執(zhí)行命令：PI協(xié)議（讀扇區(qū)）和PO協(xié)議（寫扇區(qū)）。

3.1 讀扇區(qū)操作

處理器在接收到讀扇區(qū)的命令后，首先調(diào)用ide_rd線程，將8255數(shù)據(jù)線端口配置成輸入模式，然后讀出IDE的狀態(tài)，查詢硬盤是否準(zhǔn)備好（DRDY=1?）；若準(zhǔn)備好則調(diào)用wr_lba線程，把邏輯塊地址寫入到相應(yīng)寄存器；調(diào)用ide_wr線程，將8255數(shù)據(jù)線端口配置成輸出模式，把命令代碼寫入命令寄存器，讀扇區(qū)命令開始執(zhí)行。此時對驅(qū)動器狀態(tài)寄存器的BSY位置1，同時將硬盤上指定扇區(qū)上的數(shù)據(jù)送入扇區(qū)緩沖區(qū)。當(dāng)扇區(qū)緩沖區(qū)準(zhǔn)備好時，置位DRQ位，清除BSY位，發(fā)中斷請求INTRQ信號。

而后處理器讀取狀態(tài)寄存器，若DRQ=1，則將扇區(qū)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀走，完畢后，驅(qū)動器置BSY，準(zhǔn)備讀下一個扇區(qū)，直到請求的扇區(qū)全部讀完。

在讀的過程中查詢狀態(tài)寄存器的ERR位，若有錯誤產(chǎn)生，則跳入錯誤處理子程序。

其程序流程圖如圖3：

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3.2 寫扇區(qū)操作

如圖4所示，處理器在接收到寫扇區(qū)的命令后，讀IDE的狀態(tài)，查詢硬盤是否準(zhǔn)備好（DRDY=1?）；若準(zhǔn)備好則把邏輯塊地址寫入到相應(yīng)寄存器，告之所需要操作的扇區(qū)；將寫扇區(qū)命令代碼寫入命令寄存器，同時驅(qū)動器設(shè)置狀態(tài)寄存器的DRQ位，表示準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，處理器通過數(shù)據(jù)寄存器將數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)緩沖區(qū)，當(dāng)扇區(qū)緩沖區(qū)添滿后，驅(qū)動器清除DRQ位，并置位BSY。驅(qū)動器將扇區(qū)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入硬盤，當(dāng)寫盤結(jié)束，清除BSY位，發(fā)中斷請求信號 INTRQ，CPU接收到中斷信號后，讀驅(qū)動器狀態(tài)寄存器，同時將中斷信號INTRQ清除。而后處理器讀取狀態(tài)寄存器，若DRQ=1，則將扇區(qū)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀走，完畢后，驅(qū)動器置BSY，準(zhǔn)備讀下一個扇區(qū)，直到請求的扇區(qū)全部讀完。

在寫的過程中查詢狀態(tài)寄存器的ERR位，若有錯誤產(chǎn)生，則跳入錯誤處理子程序。

3.3邏輯塊尋址操作

IDE可以用兩種方法來尋址即物理尋址方式（CHS）和邏輯尋找方式（LBA）。由于LAB是將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成線性地址，對用戶來說驅(qū)動器是有由連續(xù)數(shù)據(jù)塊（扇區(qū)）組成的存儲介質(zhì)，不需要知道驅(qū)動器的磁頭、磁道等參數(shù)。因此，本系統(tǒng)采用LBA，其與CHS影射關(guān)系為：

LBA=(柱面號*磁頭數(shù)+磁頭號)*扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)編號1

在該操作中，處理器根據(jù)上述映射關(guān)系通過寫4個字節(jié)LBA地址分別向磁頭號寄存器、柱面號高字節(jié)寄存器、柱面號低字節(jié)寄存器以及起始扇區(qū)號寄存器寫入數(shù)據(jù)，以得出需要操作的扇區(qū)。

3.4 ide_rd線程和ide_wr線程

處理器通過ide_rd線程和ide_wr線程，設(shè)置8255工作模式，對IDE硬盤的寄存器進(jìn)行讀寫操作，控制IDE讀寫周期。

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讀周期（ide_rd）：
ide_rd：
push acc
mov dptr, #cfg8255
mov a, #rd_ide_8255
movx @dptr, a                   ；配置8255的 工作方式為讀模式
mov dptr, #ide_8255_ctl
pop acc
movx @dptr, a                   ；選中所需寄存器
orl a, #ide_rd_line
movx @dptr, a                   ；使能讀引腳
mov dptr, #ide_8255_msb
clr a
movc a, @a+dptr                 ；讀寄存器高字節(jié)
mov r3,a
mov dptr, #ide_8255_lsb
clr a
movc a,@a+dptr                  ；讀寄存器低字節(jié)
mov r2, a
mov dptr, #ide_8255_ctl
clr a
movx @dptr, a                   ；將控制端口復(fù)位
ret                             ；子程序返回
寫周期（ide_wr）：

寫周期與讀周期類似，首先將8255配置為寫模式，選中所所要操作寄存器，將寄存器高8位和低8位數(shù)據(jù)分別送到端口A、B，激活I(lǐng)DE總線的寫信號；寫完畢，通過復(fù)位端口的相應(yīng)位清除IDE總線的寫信號。

3.5錯誤處理操作

在對硬盤讀寫操作時，需要查詢狀態(tài)寄存器的ERR位，判斷是否有錯。若有錯，查詢IDE的錯誤寄存器，判斷錯誤類型，進(jìn)行相應(yīng)的錯誤處理：在寫扇區(qū)操作中，當(dāng)檢測到壞扇區(qū)（BBK）錯誤時，跳過并標(biāo)記壞扇區(qū)，重新分配扇區(qū)；在讀寫操作中，如果沒有發(fā)現(xiàn)0磁道，將調(diào)用驅(qū)動器重校命令來使驅(qū)動器從錯誤中恢復(fù)出來；在讀扇區(qū)過程中，若發(fā)生錯誤，驅(qū)動器將重讀出錯扇區(qū)，若仍有錯誤，操作將被終止。

4． 結(jié)束語

本系統(tǒng)提出了一種單片機(jī)控制硬盤的方法，能夠比較簡潔方便對硬盤進(jìn)行讀寫等操作，并成功的應(yīng)用實(shí)際產(chǎn)品中，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，可以應(yīng)用到許多要求大容量數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng)中，并可取得了良好的社會效益。

參考文獻(xiàn)
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[4].Maury Wright. Disk Drivers at 40 Lean . Mean Storage Machines .1996  P41
[5]. 徐厚俊 IDE接口和IDE硬盤驅(qū)動器 新浪潮 1996  P17