1．概述

近年來(lái)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的硬盤(pán)，其接口智能化程度越來(lái)越高，容量不斷增大，反而體積在變小，并可脫離系統(tǒng)主機(jī)，控制起來(lái)比較方便，已經(jīng)受到人們的普遍重視。現(xiàn)今，在許多以單片機(jī)為核心的持續(xù)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因此，若能將脫機(jī)高速大容量硬盤(pán)應(yīng)用到此類(lèi)系統(tǒng)中，則可提高讀寫(xiě)速度、降低單位成本、具有很大優(yōu)勢(shì)。但是，硬盤(pán)讀寫(xiě)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它涉及到硬盤(pán)的接口方式、尋址方式、控制寄存器模型等。這樣以來(lái)，我們就急需找到一種方案，占用較少的單片機(jī)資源，卻能比較方便的控制硬盤(pán).本文通過(guò)8255[1]對(duì)單片機(jī)進(jìn)行I/O擴(kuò)展，驅(qū)動(dòng)IDE硬盤(pán)，成功的解決了上述問(wèn)題，從而使硬盤(pán)可以應(yīng)用到許多智能系統(tǒng)中。

2． 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)由單片機(jī)（W78E52）、地址鎖存器（74HC373）、8255、施密特反向器（74HC04）、IDE硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器組成。單片機(jī)通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線、A0、A1、CS、WR、RD與8255相連。單片機(jī)將8255作為I/O口擴(kuò)展，8255的端口A和端口B與IDE接口的16位數(shù)據(jù)線相連；端口C產(chǎn)生IDE總線的控制信號(hào)。IDE接口的DASP腳所接的LED作為指示燈，類(lèi)似PC機(jī)，當(dāng)硬盤(pán)忙時(shí)，指示燈亮。

IDE[2][5]接口是將ST506控制器集成到驅(qū)動(dòng)器中，從處理器角度看，IDE接口可被描述成一系列I/O端口----一組8/16位的I/O端口，兩根片選線（CS1FX和CS3FX），讀寫(xiě)控制線（RD和WR），三根地址線（DA0,DA1,DA2）和一個(gè)中斷請(qǐng)求(INTRQ)以及用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸模式的控制線。IDE接口在硬盤(pán)的存取采用16位數(shù)據(jù)總線方式。在ATA[3]標(biāo)準(zhǔn)中，IDE接口對(duì)硬盤(pán)的輸入輸出操作均是通過(guò)對(duì)相應(yīng)寄存器的讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些端口寄存器統(tǒng)稱(chēng)為命令塊寄存器，是由片選線和地址線進(jìn)行統(tǒng)一編址的，其功能如表1所示：

IDE接口的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器提供兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：PIO模式和DMA模式。由于采用PIO模式控制相對(duì)容易，并且提供了一種可編程控制輸入/輸出的快速傳輸方法，所以本系統(tǒng)使用PIO模式。該模式采用高速的數(shù)據(jù)塊I/O，以扇區(qū)為單位，用中斷請(qǐng)求方式與CPU進(jìn)行批量數(shù)據(jù)交換。通常情況下，在扇區(qū)讀寫(xiě)操作時(shí)，每次按16位長(zhǎng)度通過(guò)內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行傳輸，每傳輸一扇區(qū)數(shù)據(jù)就產(chǎn)生一次中斷。

系統(tǒng)不能直接用8255的輸出口控制IDE接口，是由于8255有一個(gè)不良特性：當(dāng)切換芯片I/O口的輸入/輸出模式時(shí)，將重新復(fù)位所有的引腳狀態(tài)，當(dāng)然也包括所有的輸出信號(hào)。這對(duì)于作為數(shù)據(jù)總線的信號(hào)影響不大，但對(duì)控制信號(hào)卻有不小的沖擊，尤其是它會(huì)將IDE接口的復(fù)位線使能（IDE的控制引腳都是低電平有效）,這樣就不能正?？刂朴脖P(pán)。因此，本系統(tǒng)通過(guò)74HC04將8255的控制端口接到IDE接口上。此時(shí)，當(dāng)8255改變I/O口的工作模式時(shí)，所有的輸出全部復(fù)位為“0”，經(jīng)74HC04后所有的控制信號(hào)被拉成高電平，IDE驅(qū)動(dòng)器就不會(huì)處于使能狀態(tài)。

3． 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用程序結(jié)構(gòu)化和功能模塊化的設(shè)計(jì)方法，以便于此設(shè)計(jì)具有良好的可移植性。系統(tǒng)軟件包括主程序和任務(wù)子程序。任務(wù)子程序由讀扇區(qū)  (Read_sector)，寫(xiě)扇區(qū) (Write_sector)，錯(cuò)誤處理 (Process_error)，邏輯塊地址寫(xiě)（wr_lba)，IDE讀 (ide_rd)，IDE寫(xiě) (ide_wr)等組成。主程序流程圖如圖2所示：

單片機(jī)上電后對(duì)8255以及IDE驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行初始化，并不停查詢鍵盤(pán)，以判斷是否有任務(wù)到達(dá)，如有任務(wù)，則根據(jù)命令進(jìn)入到相應(yīng)任務(wù)子程序。在進(jìn)入任務(wù)子程序之前，必須先檢測(cè)IDE驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，IDE驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)寄存器如表2所示：

在PIO[4]工作模式下，向硬盤(pán)發(fā)出命令前，必須先檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器是否忙（BSY）。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器一直忙碌，置超時(shí)錯(cuò)，否則表示硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器空閑，可接受命令，對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行相應(yīng)操作。IDE接口通過(guò)兩個(gè)協(xié)議來(lái)執(zhí)行命令：PI協(xié)議（讀扇區(qū)）和PO協(xié)議（寫(xiě)扇區(qū)）。

3.1 讀扇區(qū)操作

處理器在接收到讀扇區(qū)的命令后，首先調(diào)用ide_rd線程，將8255數(shù)據(jù)線端口配置成輸入模式，然后讀出IDE的狀態(tài)，查詢硬盤(pán)是否準(zhǔn)備好（DRDY=1?）；若準(zhǔn)備好則調(diào)用wr_lba線程，把邏輯塊地址寫(xiě)入到相應(yīng)寄存器；調(diào)用ide_wr線程，將8255數(shù)據(jù)線端口配置成輸出模式，把命令代碼寫(xiě)入命令寄存器，讀扇區(qū)命令開(kāi)始執(zhí)行。此時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)寄存器的BSY位置1，同時(shí)將硬盤(pán)上指定扇區(qū)上的數(shù)據(jù)送入扇區(qū)緩沖區(qū)。當(dāng)扇區(qū)緩沖區(qū)準(zhǔn)備好時(shí)，置位DRQ位，清除BSY位，發(fā)中斷請(qǐng)求INTRQ信號(hào)。

而后處理器讀取狀態(tài)寄存器，若DRQ=1，則將扇區(qū)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀走，完畢后，驅(qū)動(dòng)器置BSY，準(zhǔn)備讀下一個(gè)扇區(qū)，直到請(qǐng)求的扇區(qū)全部讀完。

在讀的過(guò)程中查詢狀態(tài)寄存器的ERR位，若有錯(cuò)誤產(chǎn)生，則跳入錯(cuò)誤處理子程序。

其程序流程圖如圖3：

3.2 寫(xiě)扇區(qū)操作

如圖4所示，處理器在接收到寫(xiě)扇區(qū)的命令后，讀IDE的狀態(tài)，查詢硬盤(pán)是否準(zhǔn)備好（DRDY=1?）；若準(zhǔn)備好則把邏輯塊地址寫(xiě)入到相應(yīng)寄存器，告之所需要操作的扇區(qū)；將寫(xiě)扇區(qū)命令代碼寫(xiě)入命令寄存器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置狀態(tài)寄存器的DRQ位，表示準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，處理器通過(guò)數(shù)據(jù)寄存器將數(shù)據(jù)寫(xiě)入扇區(qū)緩沖區(qū)，當(dāng)扇區(qū)緩沖區(qū)添滿后，驅(qū)動(dòng)器清除DRQ位，并置位BSY。驅(qū)動(dòng)器將扇區(qū)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入硬盤(pán)，當(dāng)寫(xiě)盤(pán)結(jié)束，清除BSY位，發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào) INTRQ，CPU接收到中斷信號(hào)后，讀驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)寄存器，同時(shí)將中斷信號(hào)INTRQ清除。而后處理器讀取狀態(tài)寄存器，若DRQ=1，則將扇區(qū)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀走，完畢后，驅(qū)動(dòng)器置BSY，準(zhǔn)備讀下一個(gè)扇區(qū)，直到請(qǐng)求的扇區(qū)全部讀完。

在寫(xiě)的過(guò)程中查詢狀態(tài)寄存器的ERR位，若有錯(cuò)誤產(chǎn)生，則跳入錯(cuò)誤處理子程序。

3.3邏輯塊尋址操作

IDE可以用兩種方法來(lái)尋址即物理尋址方式（CHS）和邏輯尋找方式（LBA）。由于LAB是將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成線性地址，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)器是有由連續(xù)數(shù)據(jù)塊（扇區(qū)）組成的存儲(chǔ)介質(zhì)，不需要知道驅(qū)動(dòng)器的磁頭、磁道等參數(shù)。因此，本系統(tǒng)采用LBA，其與CHS影射關(guān)系為：

LBA=(柱面號(hào)*磁頭數(shù)+磁頭號(hào))*扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)編號(hào)1

在該操作中，處理器根據(jù)上述映射關(guān)系通過(guò)寫(xiě)4個(gè)字節(jié)LBA地址分別向磁頭號(hào)寄存器、柱面號(hào)高字節(jié)寄存器、柱面號(hào)低字節(jié)寄存器以及起始扇區(qū)號(hào)寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，以得出需要操作的扇區(qū)。

3.4 ide_rd線程和ide_wr線程

處理器通過(guò)ide_rd線程和ide_wr線程，設(shè)置8255工作模式，對(duì)IDE硬盤(pán)的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，控制IDE讀寫(xiě)周期。

讀周期（ide_rd）：
ide_rd：
push acc
mov dptr, #cfg8255
mov a, #rd_ide_8255
movx @dptr, a                   ；配置8255的 工作方式為讀模式
mov dptr, #ide_8255_ctl
pop acc
movx @dptr, a                   ；選中所需寄存器
orl a, #ide_rd_line
movx @dptr, a                   ；使能讀引腳
mov dptr, #ide_8255_msb
clr a
movc a, @a+dptr                 ；讀寄存器高字節(jié)
mov r3,a
mov dptr, #ide_8255_lsb
clr a
movc a,@a+dptr                  ；讀寄存器低字節(jié)
mov r2, a
mov dptr, #ide_8255_ctl
clr a
movx @dptr, a                   ；將控制端口復(fù)位
ret                             ；子程序返回
寫(xiě)周期（ide_wr）：

寫(xiě)周期與讀周期類(lèi)似，首先將8255配置為寫(xiě)模式，選中所所要操作寄存器，將寄存器高8位和低8位數(shù)據(jù)分別送到端口A、B，激活I(lǐng)DE總線的寫(xiě)信號(hào)；寫(xiě)完畢，通過(guò)復(fù)位端口的相應(yīng)位清除IDE總線的寫(xiě)信號(hào)。

3.5錯(cuò)誤處理操作

在對(duì)硬盤(pán)讀寫(xiě)操作時(shí)，需要查詢狀態(tài)寄存器的ERR位，判斷是否有錯(cuò)。若有錯(cuò)，查詢IDE的錯(cuò)誤寄存器，判斷錯(cuò)誤類(lèi)型，進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理：在寫(xiě)扇區(qū)操作中，當(dāng)檢測(cè)到壞扇區(qū)（BBK）錯(cuò)誤時(shí)，跳過(guò)并標(biāo)記壞扇區(qū)，重新分配扇區(qū)；在讀寫(xiě)操作中，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)0磁道，將調(diào)用驅(qū)動(dòng)器重校命令來(lái)使驅(qū)動(dòng)器從錯(cuò)誤中恢復(fù)出來(lái)；在讀扇區(qū)過(guò)程中，若發(fā)生錯(cuò)誤，驅(qū)動(dòng)器將重讀出錯(cuò)扇區(qū)，若仍有錯(cuò)誤，操作將被終止。

4． 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)提出了一種單片機(jī)控制硬盤(pán)的方法，能夠比較簡(jiǎn)潔方便對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)等操作，并成功的應(yīng)用實(shí)際產(chǎn)品中，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，可以應(yīng)用到許多要求大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的系統(tǒng)中，并可取得了良好的社會(huì)效益。

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