基于单片机的IDE硬盘控制的研究与设计

1．概述

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

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。

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：

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。

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。

3． 系统软件设计

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：

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：

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）。

3.1 读扇区操作

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。

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。

在读的过程中查询状态寄存器的ERR位，若有错误产生