基于ARM920T微處理器的IDE硬盤接口設計與實現

1 引言

20世紀90年代后期，嵌入式系統在工業控制、遠程監控和數據采集等領域的應用日趨廣泛，人們對嵌入式系統的存儲容量也提出了較高的要求。因此研制適用于嵌入式系統的大容量、高速率、高可靠性的數據存儲系統變得日益重要。本文針對一款基于ARM920T芯片的開發板，根據ATA硬盤接口規范，設計了IDE硬盤接口電路，實現了對IDE硬盤的讀寫，可以在Linux系統中對其上的文件系統自由訪問，達到了高速率和高可靠性的要求。

2 ARM920T與S3C2410介紹

ARM 包括一系列微處理芯片技術。ARM920T是ARM系列微處理器的一種，它采用5階段管道化ARM9TDMI內核，同時配備了Thumb擴展、EmbeddedICE調試技術和Harvard總線。在生產工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI芯片的兩倍之多。ARM920T系列主要應用于機頂盒產品、掌上電腦、筆記本電腦和打印機。

S3C2410處理器是Samsung 公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18umSU造工藝的32位微控制器。該處理器擁有獨立的16KB指令Cache和16KB數據Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、TouchScreen接口、IIC-BuS接口、IIS-BuS接口、2個USB主機、1個USB設備、SD主機和MMC接口和2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在268MHz。

3 IDE接口及其規范

IDE(Integrated Drive Electronics)是從IBM PC/AT上使用的ATA接口發展而來的。IDE/ATA磁盤驅動器與早期的ATA驅動器相比，增加了任務文件寄存器，包括數據寄存器、狀態寄存器以及反映地址的驅動器號、磁頭號、道號和扇區號寄存器等。ATA接口規范定義了信號電纜和電源線的電器特征、互聯信號的電器和邏輯特征，還定義了存儲設備中可操作的寄存器以及命令和協議。

3.1

寄存器

規范定義了兩組寄存器：命令寄存器和控制寄存器。命令寄存器用來接收命令和傳送數據，控制寄存器用來控制磁盤操作。常用的寄存器包括數據寄存器、命令寄存器、驅動器/磁頭寄存器、柱面號寄存器、扇區號寄存器、扇區數寄存器和狀態寄存器。

3.2

數據傳輸方式

ATA接口規范定義了兩種數據傳輸方式：可編程I/O(PIO)方式和DMA方式。PIO傳送方式下，CPU對控制器的訪問都是通過PIO進行的，包括從控制器讀取狀態信息和錯誤信息，以及向控制器發送命令和參數。在一次PIO數據傳輸過程中，CPU先選址，然后使讀/寫信號有效，CPU或控制器放數據到數據總線，控制器或CPU讀取數據，操作完成后，釋放總線，這樣一次數據傳輸完成。DMA方式，即直接內存訪問，CPU把緩沖區的地址與需要讀寫的長度告訴外設，外設在準備好后向CPU發出一個DMA請求，要求CPU暫停使用內存，獲得同意后就直接在內存和外設之間傳輸數據，完成后再把對內存的訪問權歸還給CPU。

4 硬件實現

如圖1所示，S3C2410與硬盤之間接口電路分為3個部分：片選信號、數據信號和控制信號。硬盤上寄存器分為兩組，分別由IDE_CS0和IDE_CS1選中，DA0~DA2則用于組內寄存器尋址；數據線DD0~DD15因存在輸入/輸出方向問題，故用nOE(讀信號)接buffer(74LVTH162245)的DIR引腳來控制緩沖器方向；控制信號部分因該CPU與硬盤之間DMA時序不一致，故采用一塊EPM7032AETC44-7芯片用于調整其時序。PIO模式下，不需要DMARQ和nDMACK信號，DMA模式下，這兩個信號才起作用。

5 軟件實現

硬盤驅動程序實現分為初始化、打開設備、設備I/O操作和釋放設備等幾部分。

5.1

硬盤初始化與X86不同，在ARM

體系結構中，對內存和外設的訪問使用統一的指令，所以要對外設地址進行內存映射。也就是說，通過一張表將I/O地址映射到內存空間中來，這部分工作是在系統初始化期間完成的。

在IDE子系統初始化期間，Linux系統一旦發現一個IDE控制器，就設置它的ide_hwif_t結構來反映這個控制器和與之相連的磁盤；向Linux的VFS登記每一個控制器，并分別把它加到blk_dev和blkdevs向量表中；請求控制適當的IRQ中斷(主IDE控制器是14，次IDE控制器是15)和I/O空間(主控制器0x1f0，次控制器0x170)：為每一個找到的IDE控制器在gendisk列表中增加一個條目。

IDE硬盤的初始化工作由idedisk_init完成：

(1)在數組ide_hwifs中找出已登記得各IDE控制器控制的所有IDE硬盤(一個控制器最多控制兩個硬盤)，每個IDE硬盤對應一個ide_drive_t結構。

(2)對找到的每個IDE硬盤，調用函數ide_register_subdriver填寫各IDE硬盤結構中的相關信息域，主要是填寫其驅動程序結構ide_driver_t。硬盤驅動中的函數do_rw_disk通過向磁盤控制寄存器寫參數啟動磁盤操作，完成真正的數據讀寫。

(3)對找到的每個IDE硬盤，調用函數idedisk_setup進一步設置其ide_drive_t結構，包括設置該結構的settings域、doorlocking域、cyl、head、sect域、id域等。