如何基于使用ARM系統硬盤(pán)接口和文件管理？

在“計算機接口技術(shù)”教學(xué)中, 有關(guān)硬磁盤(pán)接口適配器這一章比較難學(xué), 主要涉及到I?O 控制層對扇區讀寫(xiě)和使用邏輯映射層對數據進(jìn)行管理問(wèn)題,內容比較抽象, 教師和學(xué)生只能憑想象去教與學(xué)。筆者在科研中, 通過(guò)對嵌入式微處理器與硬盤(pán)接口的開(kāi)發(fā)應用, 加深了對這些內容的理解, 為拓展這部分教學(xué)內容的深度和廣度奠定了基礎, 并采用理論與實(shí)際結合的方式去講授有關(guān)的內容, 受到了學(xué)生的歡迎。故撰此文與從事硬盤(pán)接口技術(shù)教學(xué)的老師們作一交流。

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(xiàn)和VON N eumann 結構, 并且具有UART、IIC、IIS、S IO 接口,ADC、PWM 通道, 實(shí)時(shí)時(shí)鐘、LCD 控制器等。

硬盤(pán)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(shí)現對硬盤(pán)狀態(tài)的查詢(xún)、設置和對扇區的讀寫(xiě)。它是依據A TA 標準連接的IDE 接口。通過(guò)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(pán)每一次訪(fǎng)問(wèn)都需要分別進(jìn)行編程.

邏輯映射層實(shí)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(gè)文件的磁盤(pán)塊構造鏈接表, 通過(guò)鏈接表和它的索引實(shí)現對整個(gè)磁盤(pán)文件進(jìn)行管理。

在微機應用中, 由于常涉及大批量數據的存儲,在聯(lián)網(wǎng)條件不備的情況下, 通過(guò)IDE 接口連接大容量硬盤(pán)是一個(gè)有效方法。若按照AN S I 的A TA 標準連接硬盤(pán), 并通過(guò)Fat32 文件系統進(jìn)行數據管理,嵌入式系統讀寫(xiě)過(guò)的硬盤(pán), 還可以脫機移到W in2dow s 操作系統支持下的PC 機中, 實(shí)現與常規操作系統共享硬盤(pán)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(pán)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(diǎn)進(jìn)行連接。由于沒(méi)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(jìn)行16 位傳輸或使用DD0～DD7 進(jìn)行8 位傳輸; /D IOR 和/D IOW 是對磁盤(pán)驅動(dòng)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作的一對握手信號; /C S0 用來(lái)選定命令寄存器組, /C S1 選擇控制寄存器組。這兩根信號線(xiàn)結合DA 0～DA 2, 就可以對IDE 多個(gè)寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),如數據寄存器、狀態(tài)寄存器、命令寄存器等。

此外,A TA 標準對IDE 命令也有嚴格定義, 如用來(lái)確認驅動(dòng)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(xiě)相應的數據、狀態(tài)寄存器, 實(shí)現對硬盤(pán)訪(fǎng)問(wèn)和控制。

對硬盤(pán)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(pán)的基本結構, 而扇區是對硬盤(pán)讀寫(xiě)的最小單位。硬盤(pán)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(guò)柱面、磁頭和扇區號來(lái)確定唯一的存儲單位, 較為繁瑣。而邏輯尋址方式是采用線(xiàn)性映射方法, 從物理結構到邏輯塊編號的映射關(guān)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(pán)的物理結構, 就能直接對目標扇區進(jìn)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(jìn)行查詢(xún)、設置和邏輯尋址,實(shí)現對指定扇區的讀寫(xiě)。圖2 是讀一個(gè)扇區數據的流程圖, 寫(xiě)扇區的方法和它類(lèi)似, 區別只是在于傳送指令和數據流動(dòng)方向不同。此外, 在檢測狀態(tài)寄存器的時(shí)候, 最好加上超時(shí)判斷, 防止程序陷入死循環(huán)。

3　邏輯映射層控制標準及實(shí)現

3.1　關(guān)于FAT 標準

由于希望ARM 系統對硬盤(pán)的讀寫(xiě)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(jìn)行編制。用戶(hù)也可以根據實(shí)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(pán)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(pán)格式化和分區后, 會(huì )在0 柱面0 磁頭1 扇區建立分區表, 此表記載了硬盤(pán)在各分區起始和結束所使用的磁頭、柱面、扇區號。對于每個(gè)分區, 邏輯0 扇區存放了一個(gè)BPB 表, 該表儲存了整個(gè)文件系統關(guān)鍵的數據, 包括文件系統的類(lèi)型, 每個(gè)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(pán)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(zhù)每簇有8 扇區, 簇內存貯單元采用32 位二進(jìn)制數。文件系統類(lèi)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(jìn)制數。在格式化硬盤(pán)時(shí), 依據硬盤(pán)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(pán), 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(guò)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(guān)于FAT 表

FA T 表實(shí)質(zhì)上是一系列存放著(zhù)數據的鏈接表。

對于FA T 32 來(lái)說(shuō), 每四個(gè)字節(32b it) 對應硬盤(pán)數據區上的一個(gè)簇, 它們的數值是當前文件下一個(gè)簇的指針。如果這四個(gè)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(méi)有存放數據, 而0xFFFFFF7 表示這個(gè)簇已經(jīng)損壞。采用這種方法, 在存取數據時(shí)只需沿著(zhù)鏈接表尋址就行了, 不需按順序存取, 也不會(huì )因刪除文件造成磁盤(pán)碎片。FA T 表的大小是根據磁盤(pán)容量也就是簇的數量來(lái)決定, 不同磁盤(pán)FA T 表的大小不同。