在“計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”教學(xué)中， 有關(guān)硬磁盤(pán)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(xiě)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(pán)接口的開(kāi)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(pán)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(pán)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(pán)狀態(tài)的查詢、設(shè)置和對(duì)扇區(qū)的讀寫(xiě)。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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)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(pán)， 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(xiě)過(guò)的硬盤(pán)， 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(pán)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(pán)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(méi)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(pán)驅(qū)動(dòng)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)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(xiě)相應(yīng)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)寄存器， 實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤(pán)訪問(wèn)和控制。

　　對(duì)硬盤(pán)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(pán)的基本結(jié)構(gòu)， 而扇區(qū)是對(duì)硬盤(pán)讀寫(xiě)的最小單位。硬盤(pán)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(pán)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(xiě)。圖2 是讀一個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)的流程圖， 寫(xiě)扇區(qū)的方法和它類(lèi)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)。

　　3　邏輯映射層控制標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)

　　3.1　關(guān)于FAT 標(biāo)準(zhǔn)

　　由于希望ARM 系統(tǒng)對(duì)硬盤(pán)的讀寫(xiě)操作能與主流操作系統(tǒng)共享， 該部分軟件是根據(jù)與W indow s 相兼容的FA T 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制。用戶也可以根據(jù)實(shí)際情況， 把該設(shè)計(jì)思路推廣到如L inux 下的EX2 等其它工作平臺(tái)。

　　FA T 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬盤(pán)邏輯結(jié)構(gòu)作了劃分， 主要有分區(qū)表、BPB 表、FA T 表、數(shù)據(jù)區(qū)等幾部分。在硬盤(pán)格式化和分區(qū)后， 會(huì)在0 柱面0 磁頭1 扇區(qū)建立分區(qū)表， 此表記載了硬盤(pán)在各分區(qū)起始和結(jié)束所使用的磁頭、柱面、扇區(qū)號(hào)。對(duì)于每個(gè)分區(qū)， 邏輯0 扇區(qū)存放了一個(gè)BPB 表， 該表儲(chǔ)存了整個(gè)文件系統(tǒng)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)， 包括文件系統(tǒng)的類(lèi)型， 每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)（Byte2PerSec ） ， 每簇的扇區(qū)數(shù)（SecPerClu s） ， 保留扇區(qū)數(shù)（R svdSecCn t） ， FA T 表數(shù)目（N umFA T s） ， 根目錄起始簇（Roo tClu s） ， 以及盤(pán)符和卷標(biāo)等。其中簇（Clu STer） 是文件系統(tǒng)在效率原則下管理的最小單位， FA T 32 標(biāo)準(zhǔn)意味著每簇有8 扇區(qū)， 簇內(nèi)存貯單元采用32 位二進(jìn)制數(shù)。文件系統(tǒng)類(lèi)型還可以使用FA T 12 和FA T 16 標(biāo)準(zhǔn)， 表示簇內(nèi)存貯單元分別采用12 位和16 位二進(jìn)制數(shù)。在格式化硬盤(pán)時(shí)， 依據(jù)硬盤(pán)簇的數(shù)目判斷選用哪種文件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)， 若簇?cái)?shù)小于4085 則是FA T 12， 若在4085 和65525 之間則是FA T 16， 大于65525 則是FA T 32。由于本文所述的系統(tǒng)使用大容量硬盤(pán)， 因而采用FA T 32 文件系統(tǒng)。

　　在原理上， FA T 32 和其它兩種方式是相同的， 完全可以移植過(guò)去。保留扇區(qū)是為BPB 表以后擴(kuò)展保留一段區(qū)間， 暫且未被使用。

　　3.2　關(guān)于FAT 表

　　FA T 表實(shí)質(zhì)上是一系列存放著數(shù)據(jù)的鏈接表。

　　對(duì)于FA T 32 來(lái)說(shuō)， 每四個(gè)字節(jié)（32b it） 對(duì)應(yīng)硬盤(pán)數(shù)據(jù)區(qū)上的一個(gè)簇， 它們的數(shù)值是當(dāng)前文件下一個(gè)簇的指針。如果這四個(gè)字節(jié)大于0x0FFFFFF8， 則表示當(dāng)前文件在該簇內(nèi)結(jié)束。若是0x00 則表示該簇是空的， 沒(méi)有存放數(shù)據(jù)， 而0xFFFFFF7 表示這個(gè)簇已經(jīng)損壞。采用這種方法， 在存取數(shù)據(jù)時(shí)只需沿著鏈接表尋址就行了， 不需按順序存取， 也不會(huì)因刪除文件造成磁盤(pán)碎片。FA T 表的大小是根據(jù)磁盤(pán)容量也就是簇的數(shù)量來(lái)決定， 不同磁盤(pán)FA T 表的大小不同。

　　出于可靠性考慮， FA T 表一般都要冗余它的備份，冗余數(shù)量由BPB 表的N umFA T s 來(lái)定， 通常為2。

　　這樣在突然斷電等意外情況下， 可以根據(jù)備份的FA T 表進(jìn)行修復(fù)。

　　3.3　硬盤(pán)數(shù)據(jù)區(qū)

　　FA T 表之后是硬盤(pán)的數(shù)據(jù)區(qū)， 其開(kāi)始是根目錄（ROO T D irecto ry） ， 此處存放了FA T 表根目錄下的文件與子目錄。存放格式有兩種， 一種是長(zhǎng)文件名， 一種是短文件名（標(biāo)準(zhǔn)的813 格式） ， 通過(guò)數(shù)據(jù)中的特征位能分辨出來(lái)。長(zhǎng)文件名和短文件名格式見(jiàn)參考文獻(xiàn)， 它包含了文件的名字、屬性、大小、起始簇?cái)?shù)、建立及寫(xiě)操作的時(shí)間。實(shí)際上子目錄的信息也被當(dāng)作一個(gè)文件存儲(chǔ)在根目錄區(qū)， 只是它的屬性為目錄， 大小為0。同樣， 子目錄起始簇內(nèi)存放了該目錄下文件和子目錄的信息表。依據(jù)這些信息， 可以在FA T 表找到該文件的鏈接表， 執(zhí)行對(duì)整個(gè)文件相應(yīng)操作。

　　3.4　資源共享的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于不同的文字平臺(tái)， 為能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享， 采用UN ICODE 來(lái)存儲(chǔ)文件名。在長(zhǎng)文件名中， 每個(gè)字符都是用16b it s 的UN ICODE 來(lái)表示的， 而在短文件名中， 采用用戶自定義的類(lèi)型， 例如在簡(jiǎn)體中文W indow s 下， 采用A SC？ 碼和GB2312 碼。通過(guò)U 2N ICODE 與其它碼表對(duì)比查找程序， 用戶可以在自己期望的文字平臺(tái)上進(jìn)行操作。

　　圖3 是讀取一個(gè)文件的流程， 寫(xiě)文件的方法和讀文件相類(lèi)似， 只要注意在目錄里建立文件時(shí)， 先把數(shù)據(jù)寫(xiě)入空白簇后再把FA T 表更新， 其中包括更新備份部分。

　　4　結(jié)束語(yǔ)

　　筆者通過(guò)U SB 接口使用S3C44B0X 中ARM 7TDM I 微處理器對(duì)20GB 以上的硬盤(pán)進(jìn)行接口連接及控制， 用FA T 32 文件系統(tǒng)對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理， 多個(gè)大容量硬盤(pán)除了在ARM 系統(tǒng)能正常工作外， 在W IN 98/2000/XP 操作系統(tǒng)支持下的PC機(jī)上， 均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享?；贏RM 系統(tǒng)大容量硬盤(pán)管理與控制系統(tǒng)， 目前正被使用到遠(yuǎn)程電力網(wǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)之中， 為嵌入式系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供一種新的設(shè)計(jì)思路。