基于单片机的IDE硬盘控制的研究与设计

1．概述

近年来作为数据存储介质的硬盘，其接口智能化程度越来越高，容量不断增大，反而体积在变小，并可脱离系统主机，控制起来比较方便，已经受到人们的普遍重视。现今，在许多以单片机为核心的持续数据采集存储应用系统中，数据存储是一项关键技术，因此，若能将脱机高速大容量硬盘应用到此类系统中，则可提高读写速度、降低单位成本、具有很大优势。但是，硬盘读写是一个复杂的过程，它涉及到硬盘的接口方式、寻址方式、控制寄存器模型等。这样以来，我们就急需找到一种方案，占用较少的单片机资源，却能比较方便的控制硬盘.本文通过8255[1]对单片机进行I/O扩展，驱动IDE硬盘，成功的解决了上述问题，从而使硬盘可以应用到许多智能系统中。

2． 系统硬件结构

如图1所示，本系统由单片机（W78E52）、地址锁存器（74HC373）、8255、施密特反向器（74HC04）、IDE硬盘驱动器组成。单片机通过8位数据总线、A0、A1、CS、WR、RD与8255相连。单片机将8255作为I/O口扩展，8255的端口A和端口B与IDE接口的16位数据线相连；端口C产生IDE总线的控制信号。IDE接口的DASP脚所接的LED作为指示灯，类似PC机，当硬盘忙时，指示灯亮。

IDE[2][5]接口是将ST506控制器集成到驱动器中，从处理器角度看，IDE接口可被描述成一系列I/O端口----一组8/16位的I/O端口，两根片选线（CS1FX和CS3FX），读写控制线（RD和WR），三根地址线（DA0,DA1,DA2）和一个中断请求(INTRQ)以及用来设置数据传输模式的控制线。IDE接口在硬盘的存取采用16位数据总线方式。在ATA[3]标准中，IDE接口对硬盘的输入输出操作均是通过对相应寄存器的读写来实现的，这些端口寄存器统称为命令块寄存器，是由片选线和地址线进行统一编址的，其功能如表1所示：

IDE接口的硬盘驱动器提供两种数据传输模式：PIO模式和DMA模式。由于采用PIO模式控制相对容易，并且提供了一种可编程控制输入/输出的快速传输方法，所以本系统使用PIO模式。该模式采用高速的数据块I/O，以扇区为单位，用中断请求方式与CPU进行批量数据交换。通常情况下，在扇区读写操作时，每次按16位长度通过内部的高速PIO数据寄存器进行传输，每传输一扇区数据就产生一次中断。

系统不能直接用8255的输出口控制IDE接口，是由于8255有一个不良特性：当切换芯片I/O口的输入/输出模式时，将重新复位所有的引脚状态，当然也包括所有的输出信号。这对于作为数据总线的信号影响不大，但对控制信号却有不小的冲击，尤其是它会将IDE接口的复位线使能（IDE的控制引脚都是低电平有效）,这样就不能正常控制硬盘。因此，本系统通过74HC04将8255的控制端口接到IDE接口上。此时，当8255改变I/O口的工作模式时，所有的输出全部复位为“0”，经74HC04后所有的控制信号被拉成高电平，IDE驱动器就不会处于使能状态。

3． 系统软件设计

本系统的软件设计采用程序结构化和功能模块化的设计方法，以便于此设计具有良好的可移植性。系统软件包括主程序和任务子程序。任务子程序由读扇区  (Read_sector)，写扇区 (Write_sector)，错误处理 (Process_error)，逻辑块地址写（wr_lba)，IDE读 (ide_rd)，IDE写 (ide_wr)等组成。主程序流程图如图2所示：

单片机上电后对8255以及IDE驱动器进行初始化，并不停查询键盘，以判断是否有任务到达，如有任务，则根据命令进入到相应任务子程序。在进入任务子程序之前，必须先检测IDE驱动器的状态，IDE驱动器的状态寄存器如表2所示：

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在PIO[4]工作模式下，向硬盘发出命令前，必须先检测驱动器是否忙（BSY）。如果在规定时间内硬盘驱动器一直忙碌，置超时错，否则表示硬盘驱动器空闲，可接受命令，对硬盘进行相应操作。IDE接口通过两个协议来执行命令：PI协议（读扇区）和PO协议（写扇区）。

3.1 读扇区操作

处理器在接收到读扇区的命令后，首先调用ide_rd线程，将8255数据线端口配置成输入模式，然后读出IDE的状态，查询硬盘是否准备好（DRDY=1?）；若准备好则调用wr_lba线程，把逻辑块地址写入到相应寄存器；调用ide_wr线程，将8255数据线端口配置成输出模式，把命令代码写入命令寄存器，读扇区命令开始执行。此时对驱动器状态寄存器的BSY位置1，同时将硬盘上指定扇区上的数据送入扇区缓冲区。当扇区缓冲区准备好时，置位DRQ位，清除BSY位，发中断请求INTRQ信号。

而后处理器读取状态寄存器，若DRQ=1，则将扇区缓冲区中的数据读走，完毕后，驱动器置BSY，准备读下一个扇区，直到请求的扇区全部读完。

在读的过程中查询状态寄存器的ERR位，若有错误产生，则跳入错误处理子程序。

其程序流程图如图3：

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3.2 写扇区操作

如图4所示，处理器在接收到写扇区的命令后，读IDE的状态，查询硬盘是否准备好（DRDY=1?）；若准备好则把逻辑块地址写入到相应寄存器，告之所需要操作的扇区；将写扇区命令代码写入命令寄存器，同时驱动器设置状态寄存器的DRQ位，表示准备好接收数据，处理器通过数据寄存器将数据写入扇区缓冲区，当扇区缓冲区添满后，驱动器清除DRQ位，并置位BSY。驱动器将扇区缓冲区中的数据写入硬盘，当写盘结束，清除BSY位，发中断请求信号 INTRQ，CPU接收到中断信号后，读驱动器状态寄存器，同时将中断信号INTRQ清除。而后处理器读取状态寄存器，若DRQ=1，则将扇区缓冲区中的数据读走，完毕后，驱动器置BSY，准备读下一个扇区，直到请求的扇区全部读完。

在写的过程中查询状态寄存器的ERR位，若有错误产生，则跳入错误处理子程序。

3.3逻辑块寻址操作

IDE可以用两种方法来寻址即物理寻址方式（CHS）和逻辑寻找方式（LBA）。由于LAB是将物理参数转换成线性地址，对用户来说驱动器是有由连续数据块（扇区）组成的存储介质，不需要知道驱动器的磁头、磁道等参数。因此，本系统采用LBA，其与CHS影射关系为：

LBA=(柱面号*磁头数+磁头号)*扇区数+扇区编号1

在该操作中，处理器根据上述映射关系通过写4个字节LBA地址分别向磁头号寄存器、柱面号高字节寄存器、柱面号低字节寄存器以及起始扇区号寄存器写入数据，以得出需要操作的扇区。

3.4 ide_rd线程和ide_wr线程

处理器通过ide_rd线程和ide_wr线程，设置8255工作模式，对IDE硬盘的寄存器进行读写操作，控制IDE读写周期。

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读周期（ide_rd）：
ide_rd：
push acc
mov dptr, #cfg8255
mov a, #rd_ide_8255
movx @dptr, a                   ；配置8255的 工作方式为读模式
mov dptr, #ide_8255_ctl
pop acc
movx @dptr, a                   ；选中所需寄存器
orl a, #ide_rd_line
movx @dptr, a                   ；使能读引脚
mov dptr, #ide_8255_msb
clr a
movc a, @a+dptr                 ；读寄存器高字节
mov r3,a
mov dptr, #ide_8255_lsb
clr a
movc a,@a+dptr                  ；读寄存器低字节
mov r2, a
mov dptr, #ide_8255_ctl
clr a
movx @dptr, a                   ；将控制端口复位
ret                             ；子程序返回
写周期（ide_wr）：

写周期与读周期类似，首先将8255配置为写模式，选中所所要操作寄存器，将寄存器高8位和低8位数据分别送到端口A、B，激活IDE总线的写信号；写完毕，通过复位端口的相应位清除IDE总线的写信号。

3.5错误处理操作

在对硬盘读写操作时，需要查询状态寄存器的ERR位，判断是否有错。若有错，查询IDE的错误寄存器，判断错误类型，进行相应的错误处理：在写扇区操作中，当检测到坏扇区（BBK）错误时，跳过并标记坏扇区，重新分配扇区；在读写操作中，如果没有发现0磁道，将调用驱动器重校命令来使驱动器从错误中恢复出来；在读扇区过程中，若发生错误，驱动器将重读出错扇区，若仍有错误，操作将被终止。

4． 结束语

本系统提出了一种单片机控制硬盘的方法，能够比较简洁方便对硬盘进行读写等操作，并成功的应用实际产品中，具有良好的可靠性和稳定性，可以应用到许多要求大容量数据存储的系统中，并可取得了良好的社会效益。

参考文献
[1]. 李华 MCS—51系列单片机实用接口技术[M] 北京 北京航空航天大学出版社 1993 P98-120
[2]. 陈利学 孙彪 赵玉连 微机总线与接口设计[M] 成都 电子科技大学出版社 1988 P45-90
[3].AT Attachment with Packet Interface Extension (ATA/ATAPI-5) ANSI NCITS 1998  P317
[4].Maury Wright. Disk Drivers at 40 Lean . Mean Storage Machines .1996  P41
[5]. 徐厚俊 IDE接口和IDE硬盘驱动器 新浪潮 1996  P17