基于ARM系統(tǒng)硬盤接口的使用和文件管理系統(tǒng)

　在“計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”教學(xué)中， 有關(guān)硬磁盤接口適配器這一章比較難學(xué)， 主要涉及到I？O 控制層對(duì)扇區(qū)讀寫和使用邏輯映射層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理問(wèn)題，內(nèi)容比較抽象， 教師和學(xué)生只能憑想象去教與學(xué)。筆者在科研中， 通過(guò)對(duì)嵌入式微處理器與硬盤接口的開發(fā)應(yīng)用， 加深了對(duì)這些內(nèi)容的理解， 為拓展這部分教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度奠定了基礎(chǔ)， 并采用理論與實(shí)際結(jié)合的方式去講授有關(guān)的內(nèi)容， 受到了學(xué)生的歡迎。故撰此文與從事硬盤接口技術(shù)教學(xué)的老師們作一交流。

　　1　ARM 系統(tǒng)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(tǒng)是基于Sam sung 公司S3C44B0X 構(gòu)建而成。該CPU 的內(nèi)核是ARM 7TDM I， 采用了三級(jí)流水線和VONN eumann 結(jié)構(gòu)， 并且具有UART、IIC、IIS、S IO 接口，ADC、PWM 通道， 實(shí)時(shí)時(shí)鐘、LCD 控制器等。

　　硬盤接口結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤狀態(tài)的查詢、設(shè)置和對(duì)扇區(qū)的讀寫。它是依據(jù)A TA 標(biāo)準(zhǔn)連接的IDE 接口。通過(guò)IDE 接口選擇可編程的P IO 或使用DMA 方法傳輸數(shù)據(jù)。本文將介紹P IO 方式傳送， 即對(duì)硬盤每一次訪問(wèn)都需要分別進(jìn)行編程。

　　邏輯映射層實(shí)現(xiàn)對(duì)目錄、文件與扇區(qū)數(shù)據(jù)邏輯映射， 以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和修改。該部分應(yīng)用微軟公司FA T 標(biāo)準(zhǔn)， 為每個(gè)文件的磁盤塊構(gòu)造鏈接表， 通過(guò)鏈接表和它的索引實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)磁盤文件進(jìn)行管理。

　　在微機(jī)應(yīng)用中， 由于常涉及大批量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在聯(lián)網(wǎng)條件不備的情況下， 通過(guò)IDE 接口連接大容量硬盤是一個(gè)有效方法。若按照AN S I 的A TA 標(biāo)準(zhǔn)連接硬盤， 并通過(guò)Fat32 文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，嵌入式系統(tǒng)讀寫過(guò)的硬盤， 還可以脫機(jī)移到W in2dow s 操作系統(tǒng)支持下的PC 機(jī)中， 實(shí)現(xiàn)與常規(guī)操作系統(tǒng)共享硬盤數(shù)據(jù)資源。本文介紹的方法可以推廣到其它微處理器應(yīng)用系統(tǒng)中。

　　2　硬件結(jié)構(gòu)與I/O 控制層

　　A TA 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IDE 硬盤接口作了詳細(xì)描述。

　　圖1 是按照A TA 規(guī)范結(jié)合P IO 傳輸特點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行16 位傳輸或使用DD0～DD7 進(jìn)行8 位傳輸; /D IOR 和/D IOW 是對(duì)磁盤驅(qū)動(dòng)寄存器進(jìn)行讀寫操作的一對(duì)握手信號(hào); /C S0 用來(lái)選定命令寄存器組， /C S1 選擇控制寄存器組。這兩根信號(hào)線結(jié)合DA 0～DA 2， 就可以對(duì)IDE 多個(gè)寄存器進(jìn)行訪問(wèn)，如數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、命令寄存器等。

　　此外，A TA 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IDE 命令也有嚴(yán)格定義， 如用來(lái)確認(rèn)驅(qū)動(dòng)器的0xEC， 讀緩沖區(qū)的0xE4。在P IO模式中， 系統(tǒng)將IDE 命令送到命令寄存器中， 讀寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)寄存器， 實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤訪問(wèn)和控制。

　　對(duì)硬盤內(nèi)部數(shù)據(jù)的操作需要了解它的物理存儲(chǔ)方式。磁頭、柱面和扇區(qū)是硬盤的基本結(jié)構(gòu)， 而扇區(qū)是對(duì)硬盤讀寫的最小單位。硬盤內(nèi)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(guò)柱面、磁頭和扇區(qū)號(hào)來(lái)確定唯一的存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)到邏輯塊編號(hào)的映射關(guān)系如下：

　　LBA = （柱面編號(hào)×磁頭數(shù)+ 磁頭號(hào)） ×扇區(qū)數(shù)+ 扇區(qū)編號(hào)- 1

　　采用這種方法， 主機(jī)不用知道硬盤的物理結(jié)構(gòu)， 就能直接對(duì)目標(biāo)扇區(qū)進(jìn)行尋址。

　　根據(jù)前面的闡述， 編制I/O 控制層的控制程序， 可對(duì)IDE 控制寄器進(jìn)行查詢、設(shè)置和邏輯尋址，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定扇區(qū)的讀寫。圖2 是讀一個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)的流程圖， 寫扇區(qū)的方法和它類似， 區(qū)別只是在于傳送指令和數(shù)據(jù)流動(dòng)方向不同。此外， 在檢測(cè)狀態(tài)寄存器的時(shí)候， 最好加上超時(shí)判斷， 防止程序陷入死循環(huán)。