基于單片機(jī)的IDE硬盤控制的研究與設(shè)計(jì)

1．概述

近年來(lái)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的硬盤，其接口智能化程度越來(lái)越高，容量不斷增大，反而體積在變小，并可脫離系統(tǒng)主機(jī)，控制起來(lái)比較方便，已經(jīng)受到人們的普遍重視?，F(xiàn)今，在許多以單片機(jī)為核心的持續(xù)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，因此，若能將脫機(jī)高速大容量硬盤應(yīng)用到此類系統(tǒng)中，則可提高讀寫速度、降低單位成本、具有很大優(yōu)勢(shì)。但是，硬盤讀寫是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它涉及到硬盤的接口方式、尋址方式、控制寄存器模型等。這樣以來(lái)，我們就急需找到一種方案，占用較少的單片機(jī)資源，卻能比較方便的控制硬盤.本文通過(guò)8255[1]對(duì)單片機(jī)進(jìn)行I/O擴(kuò)展，驅(qū)動(dòng)IDE硬盤，成功的解決了上述問(wèn)題，從而使硬盤可以應(yīng)用到許多智能系統(tǒng)中。

2． 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)由單片機(jī)（W78E52）、地址鎖存器（74HC373）、8255、施密特反向器（74HC04）、IDE硬盤驅(qū)動(dòng)器組成。單片機(jī)通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線、A0、A1、CS、WR、RD與8255相連。單片機(jī)將8255作為I/O口擴(kuò)展，8255的端口A和端口B與IDE接口的16位數(shù)據(jù)線相連；端口C產(chǎn)生IDE總線的控制信號(hào)。IDE接口的DASP腳所接的LED作為指示燈，類似PC機(jī)，當(dāng)硬盤忙時(shí)，指示燈亮。

IDE[2][5]接口是將ST506控制器集成到驅(qū)動(dòng)器中，從處理器角度看，IDE接口可被描述成一系列I/O端口----一組8/16位的I/O端口，兩根片選線（CS1FX和CS3FX），讀寫控制線（RD和WR），三根地址線（DA0,DA1,DA2）和一個(gè)中斷請(qǐng)求(INTRQ)以及用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸模式的控制線。IDE接口在硬盤的存取采用16位數(shù)據(jù)總線方式。在ATA[3]標(biāo)準(zhǔn)中，IDE接口對(duì)硬盤的輸入輸出操作均是通過(guò)對(duì)相應(yīng)寄存器的讀寫來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些端口寄存器統(tǒng)稱為命令塊寄存器，是由片選線和地址線進(jìn)行統(tǒng)一編址的，其功能如表1所示：

IDE接口的硬盤驅(qū)動(dòng)器提供兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：PIO模式和DMA模式。由于采用PIO模式控制相對(duì)容易，并且提供了一種可編程控制輸入/輸出的快速傳輸方法，所以本系統(tǒng)使用PIO模式。該模式采用高速的數(shù)據(jù)塊I/O，以扇區(qū)為單位，用中斷請(qǐng)求方式與CPU進(jìn)行批量數(shù)據(jù)交換。通常情況下，在扇區(qū)讀寫操作時(shí)，每次按16位長(zhǎng)度通過(guò)內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行傳輸，每傳輸一扇區(qū)數(shù)據(jù)就產(chǎn)生一次中斷。

系統(tǒng)不能直接用8255的輸出口控制IDE接口，是由于8255有一個(gè)不良特性：當(dāng)切換芯片I/O口的輸入/輸出模式時(shí)，將重新復(fù)位所有的引腳狀態(tài)，當(dāng)然也包括所有的輸出信號(hào)。這對(duì)于作為數(shù)據(jù)總線的信號(hào)影響不大，但對(duì)控制信號(hào)卻有不小的沖擊，尤其是它會(huì)將IDE接口的復(fù)位線使能（IDE的控制引腳都是低電平有效）,這樣就不能正常控制硬盤。因此，本系統(tǒng)通過(guò)74HC04將8255的控制端口接到IDE接口上。此時(shí)，當(dāng)8255改變I/O口的工作模式時(shí)，所有的輸出全部復(fù)位為“0”，經(jīng)74HC04后所有的控制信號(hào)被拉成高電平，IDE驅(qū)動(dòng)器就不會(huì)處于使能狀態(tài)。

3． 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用程序結(jié)構(gòu)化和功能模塊化的設(shè)計(jì)方法，以便于此設(shè)計(jì)具有良好的可移植性。系統(tǒng)軟件包括主程序和任務(wù)子程序。任務(wù)子程序由讀扇區(qū) (Read_sector)，寫扇區(qū) (Write_sector)，錯(cuò)誤處理 (Process_error)，邏輯塊地址寫（wr_lba)，IDE讀 (ide_rd)，IDE寫 (ide_wr)等組成。主程序流程圖如圖2所示：

單片機(jī)上電后對(duì)8255以及IDE驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行初始化，并不停查詢鍵盤，以判斷是否有任務(wù)到達(dá)，如有任務(wù)，則根據(jù)命令進(jìn)入到相應(yīng)任務(wù)子程序。在進(jìn)入任務(wù)子程序之前，必須先檢測(cè)IDE驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，IDE驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)寄存器如表2所示：