0 引言

    電子盤又稱電子硬盤，它采用符合硬盤接口技術(shù)（Advanced Technology Attachment,，ATA）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù),，克服了傳統(tǒng)機械硬盤的弊病，能夠提供高性能和高可靠的數(shù)據(jù)儲存,，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制,、軍工、航空航天等領(lǐng)域^[1],。VxWorks是風(fēng)河公司開發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng),，其中VxWorks5.5版本具有較高的可靠性和卓越的實時性，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用^[2],。但是VxWorks5.5系統(tǒng)原生電子盤驅(qū)動僅支持過程輸入輸出（Process Input Output,，PIO）方式，存取速度較慢,，無法滿足某些應(yīng)用的實時性要求,，需要設(shè)計基于直接存儲器存取（Direct Memory Access,，DMA）方式的驅(qū)動，以提升電子盤讀寫速度,，擴展其應(yīng)用領(lǐng)域,。

1 硬件環(huán)境

    硬件平臺為中船重工第七一六研究所生產(chǎn)的CM6066單板加固計算機。該計算機主板采用Intel Core Duo L2400/L2500低功耗處理器, 配以Intel 945GM芯片組,，南橋芯片為ICH7-M（82801GBM）,，提供的接口包括SATA,、ATA/IDE、USB2.0,、千兆以太網(wǎng)及串口等,，主要功能框圖見圖1。

    該計算機模塊搭載的電子盤為源科公司生產(chǎn)的飛龍V系列閃存硬盤,，它采用NandFlash閃存芯片,，基于標(biāo)準(zhǔn)的ATA/IDE端口，支持ATA-6協(xié)議,。

2 硬盤工作原理分析

    硬盤的讀寫是一個復(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,。硬盤的存儲介質(zhì)也從最初的磁性材料、光磁介質(zhì)發(fā)展到半導(dǎo)體存儲材料,，但不同硬盤的讀寫方法和尋址方式都一樣,，因為不同硬盤都遵循ATA協(xié)議。ATA協(xié)議的最新版本為ATA-8,，ATA-6及之前的版本僅支持IDE接口,，從ATA-7開始，協(xié)議增加了對SATA接口的支持,。在ATA-6協(xié)議中,，硬盤參數(shù)信息共占用512 B，分為256個WORD,，表1簡單說明了部分字節(jié)代表的意義,。

    在ATA-6協(xié)議中，CPU與硬盤設(shè)備的通信是通過讀寫設(shè)備接口上的寄存器實現(xiàn)的,。接口寄存器分為兩組,，一組為命令塊寄存器，用于CPU向設(shè)備發(fā)送命令或從設(shè)備讀取狀態(tài),；另一組為控制塊寄存器,，用于CPU控制設(shè)備或獲取備用狀態(tài)，如表2所示,。

    各接口寄存器功能如下所述：

    數(shù)據(jù)寄存器：用于CPU與硬盤設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換,，該種方式即PIO模式，DMA傳輸不使用該寄存器,；

    錯誤寄存器：用于記錄硬盤執(zhí)行命令后的出錯信息,；

    特征寄存器：用于存儲命令代碼；

    扇區(qū)計數(shù)寄存器：用于存儲要讀/寫的扇區(qū)總數(shù)；

    LBA高/中/低8位寄存器：用于LBA尋址,；

    設(shè)備寄存器：用于使能被選設(shè)備并提供配置信息,；

    狀態(tài)寄存器：用于記錄硬盤設(shè)備執(zhí)行命令后的狀態(tài)；

    命令寄存器：用于執(zhí)行命令,；

    備用寄存器：其內(nèi)部數(shù)據(jù)與狀態(tài)寄存器相同,；

    設(shè)備控制寄存器：用于控制硬盤設(shè)備。

3 驅(qū)動程序設(shè)計

3.1 驅(qū)動與文件系統(tǒng)關(guān)系

    VxWorks下的設(shè)備包括字符設(shè)備,、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等,，電子盤等存儲設(shè)備屬于塊設(shè)備，此類型設(shè)備以“塊”為單位進行數(shù)據(jù)操作,，可大大提高數(shù)據(jù)的訪問速度,，但也帶來了巨大的數(shù)據(jù)維護工作量，因此,，塊設(shè)備驅(qū)動程序與I/O系統(tǒng)之間還存在一個中間層,，即文件系統(tǒng)^[4]。VxWorks使用的dosFs文件系統(tǒng)是一種與MS_DOS文件系統(tǒng)兼容的文件系統(tǒng),，能夠滿足實時應(yīng)用的多種需求^[5],。dosFs文件系統(tǒng)以簇為單位讀寫數(shù)據(jù)，每簇包含64個扇區(qū),，每一個扇區(qū)（512 B）為一個存儲塊,，所以一次讀寫4 KB數(shù)據(jù)^[6]。應(yīng)用程序訪問電子盤數(shù)據(jù)時,，I/O系統(tǒng)會調(diào)用文件系統(tǒng)計算出相應(yīng)扇區(qū)的地址及數(shù)量,，而后文件系統(tǒng)再調(diào)用電子盤驅(qū)動程序訪問電子盤，完成讀寫操作,。以讀操作為例,，具體過程如圖2所示^[7]。

3.2 初始化

    電子盤在PIO模式下,，僅使用命令塊寄存器中的數(shù)據(jù)寄存器進行數(shù)據(jù)交換,，傳輸過程十分簡單，但在DMA模式下需要專用的IDE控制器,，傳輸過程比較復(fù)雜,。IDE控制器集成在ICH7-M芯片組中，是標(biāo)準(zhǔn)PCI設(shè)備,，在256 B的配置空間中,，偏移0x20的寄存器配置為IDE主控寄存器組基地址。主控寄存器組包含3個寄存器,，分別為主控命令寄存器,、主控狀態(tài)寄存器,、物理設(shè)備描述符表指針寄存器，各寄存器地址映射如表3所示,。

    在初始化過程中，首先搜尋PCI-IDE控制器并獲取寄存器基地址,、中斷信號量等信息,，之后分配必要的資源，如同步信號量,、看門狗,、PRDT表等，然后掛接中斷服務(wù)程序,，建立CPU與控制器的連接,。連接成功后首先獲取電子盤參數(shù)信息，然后根據(jù)參數(shù)設(shè)置讀寫傳輸模式和其他一些支持的屬性,，如電源管理,、SMART指令等。在電子盤設(shè)備初始化過程中,，CPU會向設(shè)備發(fā)送指令來進行操作,。發(fā)送指令時, CPU先填寫各種指令參數(shù)到相關(guān)寄存器中, 然后向命令寄存器發(fā)送命令字啟動指令, 之后設(shè)備開始執(zhí)行指令^[9]。

    指令執(zhí)行一般要經(jīng)過以下幾種狀態(tài)：

    (1)發(fā)送指令, 進入等待狀態(tài),；

    (2)設(shè)備執(zhí)行完指令后發(fā)出中斷,檢驗設(shè)備狀態(tài),；

    (3)如狀態(tài)正確, 則進行后續(xù)操作；否則返回,。

    設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸模式時,，為保證電子盤能夠更高效工作，優(yōu)先選擇UDMA傳輸模式,；若電子盤不支持UDMA,，則選擇MDMA模式；若不支持MDMA,，則選擇SDMA模式,；若不支持SDMA，則選擇PIO模式,。

3.3 DMA讀寫設(shè)計

    每一次DMA傳輸都需要設(shè)置一系列寄存器,，使得開銷很大，然而文件系統(tǒng)對硬盤的I/O請求是不連續(xù)的,，物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)也是不連續(xù)的,。為了提高傳輸效率，需要將不連續(xù)的數(shù)據(jù)組合在一起,，再啟用DMA操作,，這些數(shù)據(jù)就能夠一次傳輸完成,。為此，DMA傳輸使用了物理設(shè)備描述符表（Physical Region Descriptor Table,，PRDT）,，表中的描述符指向內(nèi)存緩沖區(qū)的起始地址和長度，這樣一次DMA傳輸,，即可將表中記錄的數(shù)據(jù)都傳輸完成,，PRDT表結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

    在PRDT表中,，每個描述符占8 B,，前4 B指向緩沖區(qū)地址，后4 B低16 bit表示緩沖區(qū)長度,，地址和長度的第0位必須為0,，當(dāng)緩沖區(qū)長度為0時，數(shù)據(jù)長度為64 KB,，EOT位為緩沖區(qū)結(jié)束標(biāo)志位(為1表示當(dāng)前緩沖區(qū)為最后一個),。當(dāng)執(zhí)行DMA讀時，控制器將電子盤中扇區(qū)數(shù)據(jù)讀到各個內(nèi)存緩沖區(qū)中,；當(dāng)執(zhí)行DMA寫時,，控制器將各個緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的扇區(qū)中。

    通常情況下,，硬盤的DMA讀寫過程一般需要如下幾個步驟：

    (1)首先判斷硬盤狀態(tài),，當(dāng)其處于就緒狀態(tài)才可以進行操作；

    (2)填寫控制器相關(guān)寄存器指定起始邏輯塊（LBA尋址方式）和扇區(qū)總數(shù),；

    (3)啟動控制器,，開始讀寫操作；

    (4)讀寫完畢后,，提起中斷通知,。

    在VxWorks5.5中，電子盤驅(qū)動讀寫硬盤的接口讀函數(shù)定義為ataBlkRd,，寫函數(shù)定義為ataBlkWrt,，讀寫函數(shù)最終調(diào)用ataBlkRW實現(xiàn)讀寫功能。該函數(shù)定義為STATUS ataBlkRW(ATA_DEV *pDev,，sector_t startBlk,，UINT32 nBlks，char *pBuf,，int direction)^[10],。該接口函數(shù)僅使用PIO模式進行讀寫操作，需要使用DMA讀寫模式將其重新實現(xiàn),。具體過程如下：

    (1)將主控狀態(tài)寄存器的Interrupt及Error位置1,，清除錯誤,、中斷等狀態(tài)值；

    (2)設(shè)置主控命令寄存器的R/W位,，讀電子盤時,，設(shè)為1，寫電子盤時,，設(shè)為0,；

    (3)將PRDT表地址寫入描述符表指針寄存器，并根據(jù)緩沖區(qū)地址及長度配置PRDT表,；

    (4)將要傳輸?shù)纳葏^(qū)地址、數(shù)量等信息寫入ATA設(shè)備寄存器,，方法如下：在LBA 48b尋址模式下,，首先將要讀取（寫入）的扇區(qū)數(shù)高8位,、低8位寫入Sector Count寄存器,，然后將LBA（31:24）、LBA（7:0）寫入LBA Low寄存器,；將LBA（39:32）,、LBA（15:8）寫入LBA Mid寄存器；將LBA（47:40）,、LBA（23:16）寫入LBA High寄存器,；接著配置Device寄存器，其bit 4表示設(shè)備號,，主盤置0,，從盤置1，bit 6表示LBA尋址,，需置1,；最后將操作指令寫入Command寄存器，讀操作指令為0x25,，寫操作指令為0x35,；

    (5)主控命令寄存器的Start/Stop位置1，開啟DMA傳輸,；

    (6)待傳輸結(jié)束后,，硬盤發(fā)出一個中斷請求，PCI-IDE控制器隨之向CPU提起中斷,；

    (7)響應(yīng)中斷后,，將主控狀態(tài)寄存器的Interrupt位置1，清除中斷信息,；

    (8)最后將主控命令寄存器的Start/Stop位置0,，關(guān)閉DMA傳輸,。

4 試驗結(jié)果與分析

    在CM6066單板加固計算機（南橋芯片為ICH7-M，即82801GBM）上測試新設(shè)計的DMA模式驅(qū)動,，測試結(jié)果顯示可成功讀寫電子盤文件,，接著對讀寫速度進行測試，并與原生PIO方式驅(qū)動的讀寫速度進行對比,。測試方法如下：采用系統(tǒng)自帶函數(shù)tickGet()進行計時,，測試寫速度時將一段內(nèi)存數(shù)據(jù)（200 MB）寫入電子盤中；測試讀速度時將電子盤中文件（200 MB）讀入內(nèi)存中,，由此可計算出讀寫速度[11],。分別使用兩種驅(qū)動進行測試，結(jié)果表明,，采用DMA方式的驅(qū)動可顯著提升電子盤讀寫速度,，具體數(shù)值見表4。

5 結(jié)束語

    本文開展的基于VxWorks5.5系統(tǒng)的電子盤DMA驅(qū)動軟件的研究具有很大的實用價值,，以Intel ICH7-M芯片為硬件平臺,，完成了新驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)，并通過應(yīng)用測試證明該設(shè)計行之有效,，能夠顯著提升電子盤性能,。該驅(qū)動程序工作穩(wěn)定、性能可靠,、實時性較好,，目前已應(yīng)用在某電子海圖項目中，可大幅縮短海圖文件的加載時間,，實現(xiàn)了海圖的快速拖拽及縮放功能,。該驅(qū)動亦可應(yīng)用于其他要求高實時性的工業(yè)控制領(lǐng)域。

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