基于單片機的IDE硬盤控制的研究與設計

1．概述

近年來作為數據存儲介質的硬盤，其接口智能化程度越來越高，容量不斷增大，反而體積在變小，并可脫離系統主機，控制起來比較方便，已經受到人們的普遍重視。現今，在許多以單片機為核心的持續數據采集存儲應用系統中，數據存儲是一項關鍵技術，因此，若能將脫機高速大容量硬盤應用到此類系統中，則可提高讀寫速度、降低單位成本、具有很大優勢。但是，硬盤讀寫是一個復雜的過程，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，我們就急需找到一種方案，占用較少的單片機資源，卻能比較方便的控制硬盤.本文通過8255[1]對單片機進行I/O擴展，驅動IDE硬盤，成功的解決了上述問題，從而使硬盤可以應用到許多智能系統中。

2． 系統硬件結構

如圖1所示，本系統由單片機（W78E52）、地址鎖存器（74HC373）、8255、施密特反向器（74HC04）、IDE硬盤驅動器組成。單片機通過8位數據總線、A0、A1、CS、WR、RD與8255相連。單片機將8255作為I/O口擴展，8255的端口A和端口B與IDE接口的16位數據線相連；端口C產生IDE總線的控制信號。IDE接口的DASP腳所接的LED作為指示燈，類似PC機，當硬盤忙時，指示燈亮。

IDE[2][5]接口是將ST506控制器集成到驅動器中，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）和一個中斷請求(INTRQ)以及用來設置數據傳輸模式的控制線。IDE接口在硬盤的存取采用16位數據總線方式。在ATA[3]標準中，IDE接口對硬盤的輸入輸出操作均是通過對相應寄存器的讀寫來實現的，這些端口寄存器統稱為命令塊寄存器，是由片選線和地址線進行統一編址的，其功能如表1所示：

IDE接口的硬盤驅動器提供兩種數據傳輸模式：PIO模式和DMA模式。由于采用PIO模式控制相對容易，并且提供了一種可編程控制輸入/輸出的快速傳輸方法，所以本系統使用PIO模式。該模式采用高速的數據塊I/O，以扇區為單位，用中斷請求方式與CPU進行批量數據交換。通常情況下，在扇區讀寫操作時，每次按16位長度通過內部的高速PIO數據寄存器進行傳輸，每傳輸一扇區數據就產生一次中斷。

系統不能直接用8255的輸出口控制IDE接口，是由于8255有一個不良特性：當切換芯片I/O口的輸入/輸出模式時，將重新復位所有的引腳狀態，當然也包括所有的輸出信號。這對于作為數據總線的信號影響不大，但對控制信號卻有不小的沖擊，尤其是它會將IDE接口的復位線使能（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，本系統通過74HC04將8255的控制端口接到IDE接口上。此時，當8255改變I/O口的工作模式時，所有的輸出全部復位為“0”，經74HC04后所有的控制信號被拉成高電平，IDE驅動器就不會處于使能狀態。

3． 系統軟件設計

本系統的軟件設計采用程序結構化和功能模塊化的設計方法，以便于此設計具有良好的可移植性。系統軟件包括主程序和任務子程序。任務子程序由讀扇區 (Read_sector)，寫扇區 (Write_sector)，錯誤處理 (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：

單片機上電后對8255以及IDE驅動器進行初始化，并不停查詢鍵盤，以判斷是否有任務到達，如有任務，則根據命令進入到相應任務子程序。在進入任務子程序之前，必須先檢測IDE驅動器的狀態，IDE驅動器的狀態寄存器如表2所示：