基于ARM系统硬盘接口的使用和文件管理系统

　在“计算机接口技术”教学中， 有关硬磁盘接口适配器这一章比较难学， 主要涉及到I？O 控制层对扇区读写和使用逻辑映射层对数据进行管理问题，内容比较抽象， 教师和学生只能凭想象去教与学。笔者在科研中， 通过对嵌入式微处理器与硬盘接口的开发应用， 加深了对这些内容的理解， 为拓展这部分教学内容的深度和广度奠定了基础， 并采用理论与实际结合的方式去讲授有关的内容， 受到了学生的欢迎。故撰此文与从事硬盘接口技术教学的老师们作一交流。

　　1　ARM 系统及IDE 接口综述

ARM （A dvanced RS IC M ach ines） 是一种低功耗、高性能的32 位处理器。本文介绍的系统是基于Sam sung 公司S3C44B0X 构建而成。该CPU 的内核是ARM 7TDM I， 采用了三级流水线和VONN eumann 结构， 并且具有UART、IIC、IIS、S IO 接口，ADC、PWM 通道， 实时时钟、LCD 控制器等。

硬盘接口结构主要分I/O 控制层和逻辑映射层。其中I/O 控制层包括与ARM 的物理接口， 实现对硬盘状态的查询、设置和对扇区的读写。它是依据A TA 标准连接的IDE 接口。通过IDE 接口选择可编程的P IO 或使用DMA 方法传输数据。本文将介绍P IO 方式传送， 即对硬盘每一次访问都需要分别进行编程。

逻辑映射层实现对目录、文件与扇区数据逻辑映射， 以及数据的存储和修改。该部分应用微软公司FA T 标准， 为每个文件的磁盘块构造链接表， 通过链接表和它的索引实现对整个磁盘文件进行管理。

在微机应用中， 由于常涉及大批量数据的存储，在联网条件不备的情况下， 通过IDE 接口连接大容量硬盘是一个有效方法。若按照AN S I 的A TA 标准连接硬盘， 并通过Fat32 文件系统进行数据管理，嵌入式系统读写过的硬盘， 还可以脱机移到W in2dow s 操作系统支持下的PC 机中， 实现与常规操作系统共享硬盘数据资源。本文介绍的方法可以推广到其它微处理器应用系统中。

　　2　硬件结构与I/O 控制层

A TA 标准对IDE 硬盘接口作了详细描述。

图1 是按照A TA 规范结合P IO 传输特点进行连接。由于没有使用DMA 传输方式， 故DMARQ 和DMACK 两根悬空; / IOCS16 用于选择使用DD0～DD15 进行16 位传输或使用DD0～DD7 进行8 位传输; /D IOR 和/D IOW 是对磁盘驱动寄存器进行读写操作的一对握手信号; /C S0 用来选定命令寄存器组， /C S1 选择控制寄存器组。这两根信号线结合DA 0～DA 2， 就可以对IDE 多个寄存器进行访问，如数据寄存器、状态寄存器、命令寄存器等。

此外，A TA 标准对IDE 命令也有严格定义， 如用来确认驱动器的0xEC， 读缓冲区的0xE4。在P IO模式中， 系统将IDE 命令送到命令寄存器中， 读写相应的数据、状态寄存器， 实现对硬盘访问和控制。

对硬盘内部数据的操作需要了解它的物理存储方式。磁头、柱面和扇区是硬盘的基本结构， 而扇区是对硬盘读写的最小单位。硬盘内部的寻址方式有两种， 一种是物理寻址的CHS 方式， 另一种是逻辑寻址的LBA 方式。物理寻址CHS 方式是通过柱面、磁头和扇区号来确定唯一的存储单位， 较为繁琐。而逻辑寻址方式是采用线性映射方法， 从物理结构到逻辑块编号的映射关系如下：

LBA = （柱面编号×磁头数+ 磁头号） ×扇区数+ 扇区编号- 1

采用这种方法， 主机不用知道硬盘的物理结构， 就能直接对目标扇区进行寻址。

根据前面的阐述， 编制I/O 控制层的控制程序， 可对IDE 控制寄器进行查询、设置和逻辑寻址，实现对指定扇区的读写。图2 是读一个扇区数据的流程图， 写扇区的方法和它类似， 区别只是在于传送指令和数据流动方向不同。此外， 在检测状态寄存器的时候， 最好加上超时判断， 防止程序陷入死循环。

　　3　逻辑映射层控制标准及实现

　　3.1　关于FAT 标准

由于希望ARM 系统对硬盘的读写操作能与主流操作系统共享， 该部分软件是根据与W indow s 相兼容的FA T 标准进行编制。用户也可以根据实际情况， 把该设计思路推广到如L inux 下的EX2 等其它工作平台。

FA T 标准对硬盘逻辑结构作了划分， 主要有分区表、BPB 表、FA T 表、数据区等几部分。在硬盘格式化和分区后， 会在0 柱面0 磁头1 扇区建立分区表， 此表记载了硬盘在各分区起始和结束所使用的磁头、柱面、扇区号。对于每个分区， 逻辑0 扇区存放了一个BPB 表， 该表储存了整个文件系统关键的数据， 包括文件系统的类型， 每个扇区的字节数（Byte2PerSec ） ， 每簇的扇区数（SecPerClu s） ， 保留扇区数（R svdSecCn t） ， FA T 表数目（N umFA T s） ， 根目录起始簇（Roo tClu s） ，