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 控制層對扇區讀寫和使用邏輯映射層對數據進行管理問題,內容比較抽象, 教師和學生只能憑想象去教與學。本文介紹了一種新的實現方法。硬件上依據A TA 標準通過ARM 微處理器與大容量的IDE 硬盤相連, 軟件采用FA T32 文件系統對數據進行存儲管理。硬盤脫機接入PC 系統中, 通過W indow s 等支持FA T 文件格式的操作系統, 能夠直接應用硬盤中的數據。

　　1　ARM 系統及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VON N 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, 實現對硬盤狀態的查詢、設置和對扇區的讀寫。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.

　　邏輯映射層實現對目錄、文件與扇區數據邏輯映射, 以及數據的存儲和修改。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據的存儲,在聯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 文件系統進行數據管理,嵌入式系統讀寫過的硬盤, 還可以脫機移到W in2dow s 操作系統支持下的PC 機中, 實現與常規操作系統共享硬盤數據資源。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,如數據寄存器、狀態寄存器、命令寄存器等。

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　　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, 讀緩沖區的0xE4。在P IO模式中, 系統將IDE 命令送到命令寄存器中, 讀寫相應的數據、狀態寄存器, 實現對硬盤訪問和控制。

　　對硬盤內部數據的操作需要了解它的物理存儲方式。磁頭、柱面和扇區是硬盤的基本結構, 而扇區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+ 磁頭號) ×扇區數+ 扇區編號- 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,實現對指定扇區的讀寫。圖2 是讀一個扇區數據的流程圖, 寫扇區的方法和它類似, 區別只是在于傳送指令和數據流動方向不同。此外, 在檢測狀態寄存器的時候, 最好加上超時判斷, 防止程序陷入死循環。

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　　3　邏輯映射層控制標準及實現

　　3.1　關于FAT 標準

　　由于希望ARM 系統對硬盤的讀寫操作能與主流操作系統共享, 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, 主要有分區表、BPB 表、FA T 表、數據區等幾部分。在硬盤格式化和分區后, 會在0 柱面0 磁頭1 扇區建立分區表, 此表記載了硬盤在各分區起始和結束所使用的磁頭、柱面、扇區號。對于每個分區, 邏輯0 扇區存放了一個BPB 表, 該表儲存了整個文件系統關鍵的數據, 包括文件系統的類型, 每個扇區的字節數(Byte2PerSec ) , 每簇的扇區數(SecPerClu s) , 保留扇區數(R svdSecCn t) , FA T 表數目(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, 簇內存貯單元采用32 位二進制數。文件系統類型還可以使用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。在格式化硬盤時, 依據硬盤簇的數目判斷選用哪種文件系統標準, 若簇數小于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使用大容量硬盤, 因而采用FA T 32 文件系統。

　　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。保留扇區是為BPB 表以后擴展保留一段區間, 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據的鏈接表。

　　對于FA T 32 來說, 每四個字節(32b it) 對應硬盤數據區上的一個簇, 它們的數值是當前文件下一個簇的指針。如果這四個字節大于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, 沒有存放數據, 而0xFFFFFF7 表示這個簇已經損壞。采用這種方法, 在存取數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　硬盤數據區

　　FA T 表之后是硬盤的數據區, 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、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, 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, 執行對整個文件相應操作。

　　3.4　資源共享的實現

　　對于不同的文字平臺, 為能夠實現資源共享, 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, 先把數據寫入空白簇后再把FA T 表更新, 其中包括更新備份部分。

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　　4　結束語

　　系統目前正被使用到遠程電力網數據檢測系統之中, 為嵌入式系統海量數據存儲提供一種新的設計思路。