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(qū)讀寫和使用邏輯映射層對數(shù)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(fā)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(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 構建而成,。該CPU 的內核是ARM 7TDM I,， 采用了三級流水線和VONN 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(xiàn)對硬盤狀態(tài)的查詢、設置和對扇區(qū)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(shù)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(xiàn)對目錄、文件與扇區(qū)數(shù)據邏輯映射,， 以及數(shù)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(xiàn)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(shù)據的存儲,，在聯(lián)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(tǒng)進行數(shù)據管理,，嵌入式系統(tǒng)讀寫過的硬盤， 還可以脫機移到W in2dow s 操作系統(tǒng)支持下的PC 機中,， 實現(xiàn)與常規(guī)操作系統(tǒng)共享硬盤數(shù)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(tǒng)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(guī)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(shù)據寄存器,、狀態(tài)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(qū)的0xE4,。在P IO模式中， 系統(tǒng)將IDE 命令送到命令寄存器中,， 讀寫相應的數(shù)據,、狀態(tài)寄存器， 實現(xiàn)對硬盤訪問和控制,。
對硬盤內部數(shù)據的操作需要了解它的物理存儲方式,。磁頭、柱面和扇區(qū)是硬盤的基本結構,， 而扇區(qū)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(qū)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(shù)+ 磁頭號） ×扇區(qū)數(shù)+ 扇區(qū)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(qū)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(xiàn)對指定扇區(qū)的讀寫,。圖2 是讀一個扇區(qū)數(shù)據的流程圖,， 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)據流動方向不同,。此外,， 在檢測狀態(tài)寄存器的時候， 最好加上超時判斷,， 防止程序陷入死循環(huán),。
3 邏輯映射層控制標準及實現(xiàn)
3.1 關于FAT 標準
由于希望ARM 系統(tǒng)對硬盤的讀寫操作能與主流操作系統(tǒng)共享， 該部分軟件是根據與W indow s 相兼容的FA T 標準進行編制,。用戶也可以根據實際情況,， 把該設計思路推廣到如L inux 下的EX2 等其它工作平臺。
FA T 標準對硬盤邏輯結構作了劃分,， 主要有分區(qū)表,、BPB 表、FA T 表,、數(shù)據區(qū)等幾部分,。在硬盤格式化和分區(qū)后， 會在0 柱面0 磁頭1 扇區(qū)建立分區(qū)表,， 此表記載了硬盤在各分區(qū)起始和結束所使用的磁頭,、柱面、扇區(qū)號,。對于每個分區(qū),， 邏輯0 扇區(qū)存放了一個BPB 表， 該表儲存了整個文件系統(tǒng)關鍵的數(shù)據,， 包括文件系統(tǒng)的類型,， 每個扇區(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） ,， 以及盤符和卷標等,。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 標準意味著每簇有8 扇區(qū),， 簇內存貯單元采用32 位二進制數(shù),。文件系統(tǒng)類型還可以使用FA T 12 和FA T 16 標準， 表示簇內存貯單元分別采用12 位和16 位二進制數(shù),。在格式化硬盤時,， 依據硬盤簇的數(shù)目判斷選用哪種文件系統(tǒng)標準,， 若簇數(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， 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,， 完全可以移植過去,。保留扇區(qū)是為BPB 表以后擴展保留一段區(qū)間， 暫且未被使用,。
3.2 關于FAT 表
FA T 表實質上是一系列存放著數(shù)據的鏈接表,。
對于FA T 32 來說， 每四個字節(jié)（32b it） 對應硬盤數(shù)據區(qū)上的一個簇,， 它們的數(shù)值是當前文件下一個簇的指針,。如果這四個字節(jié)大于0x0FFFFFF8， 則表示當前文件在該簇內結束,。若是0x00 則表示該簇是空的,， 沒有存放數(shù)據， 而0xFFFFFF7 表示這個簇已經損壞,。采用這種方法,， 在存取數(shù)據時只需沿著鏈接表尋址就行了， 不需按順序存取,， 也不會因刪除文件造成磁盤碎片,。FA T 表的大小是根據磁盤容量也就是簇的數(shù)量來決定， 不同磁盤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 來定,， 通常為2,。
這樣在突然斷電等意外情況下， 可以根據備份的FA T 表進行修復,。
3.3 硬盤數(shù)據區(qū)
FA T 表之后是硬盤的數(shù)據區(qū),， 其開始是根目錄（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,， 一種是長文件名， 一種是短文件名（標準的813 格式） ,， 通過數(shù)據中的特征位能分辨出來,。長文件名和短文件名格式見參考文獻,， 它包含了文件的名字、屬性,、大小,、起始簇數(shù)、建立及寫操作的時間,。實際上子目錄的信息也被當作一個文件存儲在根目錄區(qū),， 只是它的屬性為目錄， 大小為0,。同樣,， 子目錄起始簇內存放了該目錄下文件和子目錄的信息表。依據這些信息,， 可以在FA T 表找到該文件的鏈接表,， 執(zhí)行對整個文件相應操作。
3.4 資源共享的實現(xiàn)
對于不同的文字平臺,， 為能夠實現(xiàn)資源共享,， 采用UN ICODE 來存儲文件名。在長文件名中,， 每個字符都是用16b it s 的UN ICODE 來表示的,， 而在短文件名中， 采用用戶自定義的類型,， 例如在簡體中文W indow s 下,， 采用A SC？ 碼和GB2312 碼,。通過U 2N ICODE 與其它碼表對比查找程序,， 用戶可以在自己期望的文字平臺上進行操作。
圖3 是讀取一個文件的流程,， 寫文件的方法和讀文件相類似,， 只要注意在目錄里建立文件時， 先把數(shù)據寫入空白簇后再把FA T 表更新,， 其中包括更新備份部分,。
4 結束語
筆者通過U SB 接口使用S3C44B0X 中ARM 7TDM I 微處理器對20GB 以上的硬盤進行接口連接及控制， 用FA T 32 文件系統(tǒng)對硬盤進行數(shù)據管理,， 多個大容量硬盤除了在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機上， 均能實現(xiàn)數(shù)據資源共享,?；贏RM 系統(tǒng)大容量硬盤管理與控制系統(tǒng)， 目前正被使用到遠程電力網數(shù)據檢測系統(tǒng)之中,， 為嵌入式系統(tǒng)海量數(shù)據存儲提供一種新的設計思路,。