51集成度高，控制、處理能力強(qiáng)，工作可靠穩(wěn)定，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程的自動檢測、工業(yè)實時控制、機(jī)器人、通信、導(dǎo)航、醫(yī)療衛(wèi)生和智能儀器儀表等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，特別是在工程信號的自動測試、分析中，常常需要記錄、存儲大量的數(shù)據(jù)，某些數(shù)據(jù)還需長期或永久保存。目前，單片機(jī)系統(tǒng)保存、記錄數(shù)據(jù)的工具是隨機(jī)存取存儲器(RAM)。眾所周知，RAM不能長久保存數(shù)據(jù)，51系列單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器最大只有64 KB，因此這些方法滿足不了某些實際系統(tǒng)的要求。當(dāng)前磁記錄技術(shù)已非常成熟，硬盤記錄、存儲系統(tǒng)已成為計算機(jī)系統(tǒng)中的主流設(shè)備。它的存儲容量大，存取速度高，可以永久性地保存數(shù)據(jù)，而價格卻越來越低。將其應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)，可使組成的系統(tǒng)性能大為提高。

IBM - PC計算機(jī)支持硬盤系統(tǒng)，主機(jī)與硬盤之間的接口技術(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，已得到廣泛的應(yīng)用。用IBM - PC機(jī)的硬盤系統(tǒng)作為51系列單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，接口電路結(jié)構(gòu)簡單，無需專門設(shè)計硬盤的驅(qū)動電路，因而構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)性能價格比非常高。

一、接口電路的設(shè)計

IBM - PC機(jī)簡稱硬盤控制器。它是一個智能部件，可接一個或兩個硬盤，通過系統(tǒng)板上62腳I/O通道插槽與PC機(jī)相連。這62腳信號線在此只用了40腳，其中AO～A19為20位地址線;DO～D7是8位數(shù)據(jù)線;MEMR用于讀硬盤的基本I/O程序;IOR和IOW分別為主機(jī)讀、寫硬盤控制器的控制信號;IRQ5、DRQ3分別為硬盤控制器的中斷請求和DMA請求信號;DACK3為主機(jī)響應(yīng)DMA時送給控制器的信號;另外還有一個復(fù)位硬盤控制器的RESET信號，一個DMA數(shù)據(jù)傳送時禁止I/O操作的AEN信號和6根電源、地線。主機(jī)從硬盤讀取數(shù)據(jù)或向硬盤寫入數(shù)據(jù)均是通過向硬盤控制器提供的6個可訪問的寄存器寫入命令和控制字來實現(xiàn)的。因此，設(shè)計單片機(jī)與硬盤控制器的接口電路時，只要考慮以上信號的產(chǎn)生、接收，單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展，DMA控制器的連接等問題即可。在PC機(jī)中，硬盤控制器的6個可訪問的寄存器占用主機(jī)的I/O端口地址320—323H，信號的發(fā)送、接收均是通過這幾個口地址尋址的。20根地址線實際只用了10根，51系列單片機(jī)有16根地址線，能滿足地址譯碼的要求。51系列單片機(jī)不直接支持DMA數(shù)據(jù)傳送方式，而硬盤控制器和數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)必須采用DMA方式。在PC機(jī)中，主機(jī)對硬盤控制器的讀/寫操作是通過對I/0端口的讀/寫來實現(xiàn)的，而單片機(jī)系統(tǒng)沒有I/O讀/寫指令，可采用存儲器映射方式，將硬盤控制器的4個地址映射到外部數(shù)據(jù)存儲器，這樣控制器的IOR和IOW分別與單片機(jī)的WR和RD相連即可。硬盤控制器的中斷請求信號IRQ5只用于硬盤操作結(jié)束信號，因此，此信號作為單片機(jī)的INT1。其他信號線的連接方式不贅述，本接口電路如圖1- 91所示。

二、軟件設(shè)計

在IBM - PC機(jī)中，主機(jī)可通過調(diào)用BIOS程序?qū)崿F(xiàn)控制器、驅(qū)動器和硬盤的診斷，數(shù)據(jù)的存入和取出，設(shè)置硬盤的參數(shù)，測試硬盤驅(qū)動器是否準(zhǔn)備好，格式化硬盤等功能;可通過DOS中斷程序靈活地進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的加工、處理;還可通過硬盤啟動和引導(dǎo)系統(tǒng)，安裝各種應(yīng)用程序。因此它的軟件結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，程序量也很大。在本例中，只是把硬盤作為大容量數(shù)據(jù)存儲器，因此只需簡單地格式化磁盤，讀/寫數(shù)據(jù)以及測試硬盤驅(qū)動器的好壞、是否準(zhǔn)備好等功能，可通過向控制器的6個寄存器寫入命令和控制字來實現(xiàn)。這6個寄存器的訪問邏輯見表1- 25。

數(shù)據(jù)輸入/輸出寄存器( DIOR)很重要，是控制器的信號主吞吐口。狀態(tài)寄存器(321R)提供硬盤控制器的硬件狀態(tài)，圖1- 92為該寄存器每一位的作用。其他4個寄存器的功能、用途參見相關(guān)文獻(xiàn)，在此不贅述。硬盤控制器的命令是由6字節(jié)組成的字塊，稱為命令塊。由命令塊可發(fā)布19條命令，本節(jié)只選用其中的少數(shù)幾條，如讀盤(READ)、寫盤(WRITE)、格式化驅(qū)動器(FMTDRV)和測試驅(qū)動器是否就緒(TSTRDY)等。一條硬盤控制器命令的執(zhí)行全過程可分為3個階段：命令的發(fā)送、執(zhí)行和結(jié)束。在命令的發(fā)送階段，首先須寫“選擇控制器”寄存器，把硬盤控制器“啟動”起來，然后再向控制器寫入6字節(jié)的命令塊;在命令的執(zhí)行階段，控制器根據(jù)接收到的命令內(nèi)容執(zhí)行各種操作;當(dāng)命令執(zhí)行完后，只有主機(jī)經(jīng)DIOR把“完成狀態(tài)”字節(jié)讀走，命令執(zhí)行的全過程才告結(jié)束，否則，硬盤控制器的工作狀態(tài)將發(fā)生混亂?？刂破魈峁┑?ldquo;完成狀態(tài)”字節(jié)主要是向主機(jī)報告此次操作是否出現(xiàn)錯誤，若出現(xiàn)錯誤，主機(jī)還可讀出錯誤的類型、出錯的扇段地址等信息。

根據(jù)以上分析，軟件設(shè)計如下：

(1)主監(jiān)控程序

此部分程序主要實現(xiàn)硬盤控制器的初始化、參數(shù)設(shè)定等功能。其程序框圖如圖1 - 93所示。

(2)功能模塊

對于硬盤上數(shù)據(jù)的讀/寫，控制器采用DMA數(shù)據(jù)傳送方式。當(dāng)數(shù)據(jù)讀/寫操作完成后，控制器還發(fā)出中斷請求信號，報告命令執(zhí)行完畢。因此，對于讀盤和寫盤操作，進(jìn)入功能程序后，先設(shè)置DMA控制器的參數(shù)、工作狀態(tài)，初始化中斷服務(wù)程序;然后寫入命令塊和DMA、中斷使能，進(jìn)入讀/寫操作。寫盤程序流程圖如圖1- 94所示。

讀盤操作與寫盤操作非常相似，只是數(shù)據(jù)傳送方向相反。因此，程序結(jié)構(gòu)基本一樣，在此不再贅述。

測試硬盤工作是否就緒、格式化硬盤等操作不需要傳送數(shù)據(jù)，這部分程序不需要DMA參與，但硬件中斷還需要。其他和寫盤操作也基本相同，不再說明。

本例研究的51單片機(jī)與IBM - PC硬盤驅(qū)動器的接口電路已應(yīng)用于便攜式智能數(shù)據(jù)分析、測試儀，性能穩(wěn)定、可靠。由于數(shù)據(jù)存儲到硬盤上的方式與IBM - PC機(jī)相同，因此，單片機(jī)系統(tǒng)可與IBM - PC機(jī)共享數(shù)據(jù)，為工程技術(shù)人員提供了極大的方便。