原创 基于单片机的IDE硬盘控制的研究与设计

摘要：本文提出了一种用单片机扩展8255来控制IDE硬盘的方法，并给出了完整的硬件和软件设计方案，详细讨论并成功解决了控制过程中所遇到的问题，较好的实现了对硬盘的存取操作。
B!O#b2{H po28152关键词：单片机  IDE  接口电子园51单片机学习网 y%vT;PQ+p\;E@

&J3h"^JB5o k6J281521．概述电子园51单片机学习网,qB5mHq

o$Zn,{4e8y28152    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
2sB$Zq%Zs$FG28152 
+{^;fcYx&A S28152    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。电子园51单片机学习网VRG5^7et
     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：电子园51单片机学习网L'~C~a!V0v

电子园51单片机学习网t3Zo)Qw g m R

6@R H]rN"Fv#~28152    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。电子园51单片机学习网x/Y,DQVl(l4Cc
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。电子园51单片机学习网:k9dC%hJ4P

a2c!R~ FnL#K%d281523． 系统软件设计电子园51单片机学习网a$UdqE#q4N,_*s

    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：电子园51单片机学习网 osCA5p S~"@?

9}D*O'u5E8R[l28152    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：

ga5kJ-{X8_'f28152    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）。电子园51单片机学习网*C xY6K4\){S#S
3.1 读扇区操作电子园51单片机学习网N k(H'[Y,p8^ja}p
    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。
P6EZU _,e28152    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。电子园51单片机学习网n^Vh6s7o-o3z
    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。电子园51单片机学习网4i.L'O5q6T)j
    其程序流程图如图3：电子园51单片机学习网n$?@[g V

@ SjatIKWL28152电子园51单片机学习网2Q,[7} Y m$H,q
 电子园51单片机学习网 ^*]N:\(D0B yl
3.2 写扇区操作电子园51单片机学习网wwcMC)tS-W

)~5D$@'xBBmE28152    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。电子园51单片机学习网@Q3Jg{/]q
    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逻辑块寻址操作电子园51单片机学习网 N5],dS%O9b
    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：电子园51单片机学习网5dK*VE%yePo3jC
LBA=(柱面号*磁头数+磁头号)*扇区数+扇区编号?1电子园51单片机学习网J%|Z5}K6]Z5H
    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。
`d1`/f0`281523.4 ide_rd线程和ide_wr线程电子园51单片机学习网 CO/EUZ/F
    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。
+}R/P_,sG"J*a28152读周期（ide_rd）：
%g;n X0G5v!z28152ide_rd：
7l,Ww.~5Z.J#a#v28152push acc
p7p/n6BI0I5}N n!f28152mov dptr, #cfg8255
;T'MN6ly!|-Q28152mov a, #rd_ide_8255
d1d%c*DeS q'J;q/L28152movx @dptr, a                   ；配置8255的 工作方式为读模式
"b1G!` ~ Dk]*a7S28152mov dptr, #ide_8255_ctl电子园51单片机学习网%NSe3bf bL m\o:N
pop acc电子园51单片机学习网.|W)S8S I ^)p
movx @dptr, a                   ；选中所需寄存器
e3c|1q)|X7_[28152orl a, #ide_rd_line
s"he^7z,S F!x28152movx @dptr, a                   ；使能读引脚电子园51单片机学习网'c{ x-{*[sNO
mov dptr, #ide_8255_msb
DHX1yU28152clr a电子园51单片机学习网+\{ f:?-O.k.n
movc a, @a+dptr                 ；读寄存器高字节电子园51单片机学习网 V xr?x`"ta5P \
mov r3,a
-mQ:t)](I Oww"O-E28152mov dptr, #ide_8255_lsb
2S/Ya9}/L,UH`28152clr a电子园51单片机学习网Qa8O cj
movc a,@a+dptr                  ；读寄存器低字节
pup?,p(K S)s?7m _28152mov r2, a
n6EZ}X)UIrSi2L"f28152mov dptr, #ide_8255_ctl
N)r \YRQ#T9XFkI,|28152clr a
[$`M*DTKH28152movx @dptr, a                   ；将控制端口复位电子园51单片机学习网*G'xI(Bw F rd
ret                             ；子程序返回

    写周期（ide_wr）：电子园51单片机学习网mv-G"~WGo
     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。
X3d#~0`4h@281523.5错误处理操作
0U%Eo1BR'_28152    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。

xS0Memo-V U)Z&v+H281524． 结束语电子园51单片机学习网9rH `\bBf7k

K{4mJkF28152    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。

参考文献电子园51单片机学习网vj3y)N*J#W {zp
[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
3w(m7zp9NP"]{28152[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
B#E$F2Wn C5x ? q(H28152[3].AT Attachment with Packet Interface Extension (ATA/ATAPI-5) ANSI NCITS 1998  P317
iCgXQ;~W^,X28152[4].Maury Wright. Disk Drivers at 40 Lean . Mean Storage Machines .1996  P41
$pO e^/HU Y'H ~28152[5]. 徐厚俊 IDE接口和IDE硬盘驱动器 新浪潮 1996  P17电子园51单片机学习网#W%KHv%N+\