硬盤存儲在單片機上的應用

8031 系列單片機是應用非常廣泛的CPU，但隨著控制領域不斷智能化和復雜化，程序與數據空間可能遠遠大于64K字節的限制。在8031系列單片機上擴展硬盤接口，使存儲容量只受到硬盤容量的限制，可以達到Gbyte級的容量。在需要大容量存儲的應用場合，如數據庫、圖像處理、采樣分析等場合，有著廣泛的應用。

一、基本知識

1． IDE接口

在PC上，硬盤通過IDE40芯的扁平非屏蔽電纜與主板連接，數據和命令在其上異步傳輸。詳細的信號描述請參照Information Technology -AT Attachment with Packet Interface - 6(ATA/ATAPI-6)協議。

2． 硬盤寄存器描述

與硬盤通信是通過IO寄存器來完成的，訪問硬盤上的寄存器是由CS0FX，CS3FX，A2，A1，A0來譯碼完成的。硬盤的寄存器分為命令寄存器組和控制寄存器組。

詳細說明如下：

1） 數據寄存器，在CS3FX為高電平,CS0FX,A2,A1,A0為低電平時選通，其地址為0x8000。單片機通過讀寫該寄存器與硬盤交互數據。

2） 錯誤信息寄存器，在CS3FX，A0為高電平,CS0FX,A2,A1為低電平時選通，其地址為0x8001。該寄存器為只讀，寄存器位如置1代表不同的錯誤信息。

3）屬性寄存器，在CS3FX，A0為高電平,CS0FX,A2,A1為低電平時選通，其地址為0x8001。該寄存器為只寫，對該寄存器的操作可使硬盤工作在不同的模式。由于8031單片機為8位的數據總線，而硬盤默認為16位IO，需要對屬性寄存器寫0x01，使其工作在8位總線模式。

4） 扇區數目寄存器，在CS3FX,A1為高電平,CS0FX,A2,A0為低電平時選通，其地址為0x8002。其值表示需對硬盤讀寫的扇區數目，注意對硬盤的操作都是以扇區位單位，每個扇區包含512個字節，即每次對硬盤的數據讀寫都是512個字節的倍數。

5） LBA低8位地址寄存器，在CS3FX,A1,A0為高電平,CS0FX,A2為低電平時選通，其地址為0x8003。本文中對硬盤的操作是以LBA模式進行，即硬盤上的存儲扇區映射成連續的邏輯塊地址。要使能LBA模式，需要對模式寄存器的第6位置1。

6） LBA 地址8－15位寄存器，在CS3FX,A2為高電平,CS0FX,A1,A0為低電平時選通，其地址為0x8004。LBA地址共28位表示。

7） LBA 地址16－23位寄存器，在CS3FX,A2,A0為高電平,CS0FX,A1為低電平時選通，其地址為0x8005。

8）模式寄存器，在CS3FX,A2,A1為高電平,CS0FX,A0為低電平時選通，參照原理圖1，其地址為0x8006。其低4位為LBA地址的24－ 27位，第4位為主從硬盤選擇位，若連接J1，則硬盤設為主設備，相應的第4位應為0；若斷開J1，則硬盤為從設備，相應的第4位應置1。

9） 狀態寄存器，在CS3FX, A2, A1, A0為高電平,CS0FX為低電平時選通，其地址為0x8007。該寄存器為只讀。其中第7位若為1，表示硬盤處于忙狀態，第3位若為1，表示數據準備好，等待傳輸。詳細的檢驗程序請參照所附的程序。

10） 命令寄存器，在CS3FX, A2, A1, A0為高電平,CS0FX為低電平時選通，其地址為0x8007。該寄存器為只寫。注意硬盤的命令有帶參數和不帶參數兩種，在具有參數的命令操作時，需要首先寫入所有的參數到各個寄存器，最后寫命令寄存器。

二、硬件連接

8031單片機與硬盤的連接如圖1所示。A0 A1 A2經74LS373鎖存后，連接到硬盤的A0 A1 A2腳，因其工作在8位模式，硬盤的高8位數據線懸空。

J1用來選擇主從硬盤，在連接J1時，該硬盤位主硬盤，否則為從硬盤。8031應檢測P1.0上的電平，相應地設置模式寄存器的第4位。

P1.1用于硬復位硬盤，在低電平時有效。因8031不支持DMA模式，硬盤工作于PIO模式，所以DMA請求與應答信號懸空。所附軟件工作于查詢模式，中斷請求信號懸空。

在硬盤讀寫操作時，DASP腳為低電平，相應的LED指示燈亮。

三、相應軟件

以對硬盤寫入和讀出一個扇區為例，說明8031對硬盤的操作。流程圖如圖2所示。

現結合具體程序分析。為便于程序閱讀，定義了如下的符號：

ReadSctr EQU 20h
WriteSctr EQU 30h
Data_Reg EQU 8000h ; 數據寄存器，可讀寫
Error_Reg EQU 8001h ; 錯誤信息寄存器，只讀
Features EQU 8001h ; 屬性寄存器，只寫
Sectr_Cnt EQU 8002h ; 扇區數目寄存器，可讀寫
LBA0_7 EQU 8003h ; LBA低8位地址寄存器，可讀寫
LBA8_15 EQU 8004h ; LBA地址8－15位寄存器，可讀寫
LBA16_24 EQU 8005h ; LBA 地址16－23位寄存器，可讀寫
Drv_Head EQU 8006h ; 模式寄存器，可讀寫
Status EQU 8007h ; 狀態寄存器, 只讀
Command EQU 8007h ; 命令寄存器，只寫

1） 檢測主從硬盤并設置相應的模式寄存器子程序

功能為檢測跳線設置，對模式寄存器寫對應值，并置為LBA模式。
Init:
mov B, #11100000b ; D4=0 默認為主硬盤，LBA模式
jnb P1.0, master ; 若P1.0=0,為主硬盤
mov B, #11110000b ; D4=1 為對從硬盤操作
master:
mov dptr, #Drv_Head ; 對模式寄存器寫入
mov a, B ;
movx @dptr, a
ret

2） 忙狀態檢測子程序

功能為，讀狀態寄存器，在BUSY＝0和沒有錯誤時，返回A=0和C＝0。
Busy:
mov dptr, #status; 讀狀態寄存器
movx a, @dptr
jb acc.7, Busy; 在BUSY為高時，等待
jb acc.0, errors; 若第0位為1，表示有錯誤產生，跳轉到error處理
clr a ; A C 為0表示非忙，沒有錯誤
clr C ;
ret ;
errors:
mov dptr, #Error_Reg
movx a, @dptr; A中值表示錯誤指示
setb C ; C為1，表示有錯誤產生
ret

3） 等待數據準備好子程序

功能為，讀狀態寄存器，在BUSY＝0，DRQ＝1，沒有錯誤時，返回A=0和C＝0。
WaitDRQ:
mov dptr, #status; 讀狀態寄存器
movx a, @dptr
jb acc.7, WaitDRQ ; 在BUSY為高時，等待
jnb acc.3, WaitDRQ ; 在第3位DRQ為0時, 等待
jb acc.0, errors ; 若第0位為1，表示有錯誤產生，跳轉到error處理
clr a
clr C ; A C 為0表示非忙，沒有錯誤，數據已準備好
ret

4） 置硬盤工作在8位數據IO模式子程序

功能設置硬盤屬性，使其工作在8位模式，與8031的8位數據總線配合。
Enable8bit:
acall Busy
mov dptr, #Features
mov a, #01h ; 使能8位模式
movx @dptr, a
mov dptr, #COMMAND
mov a, #0EFh; 0xEF為設置硬盤屬性命令
movx @dptr, a
ret

5） 填充硬盤寄存器子程序

入口為R2（扇區數目）,R3（LBA地址的b0－b7）,R4(LBA地址的b8-b15), R5(LBA地址的b16－b23) ,R6(低4位為LBA地址的b24－b27), R7（命令字）

功能為將R2－R7中值寫入到硬盤寄存器組。
Function:
acall Busy; 調用Busy子程序，如三.2）所述
mov dptr, #Sectr_Cnt; 扇區數目寄存器
mov a, R2 ; R2中值為扇區數目
movx @dptr, a
mov dptr, #LBA0_7; LBA地址的b0－b7寄存器
mov a, R3 ; R3中值為LBA地址的b0－b7
movx @dptr, a
mov dptr, #LBA8_15; LBA地址的b8-b15寄存器
mov a, R4 ; R4中值為LBA地址的b8-b15
movx @dptr, a
mov dptr, #LBA16_24; LBA地址的b16－b23寄存器
mov a, R5 ; R5中值為LBA地址的b16－b23
movx @dptr, a
mov dptr, #Drv_Head; 模式寄存器
mov a, R6 ; R6中值為低4位為LBA地址的b24－b27
anl a, #00001111b
orl a, B;B在Init子程序中已賦值.
movx @dptr, a
mov dptr, #command; 命令寄存器
mov a, R7 ; R7中值為命令字
movx @dptr, a
ret

6） 寫扇區子程序

假定對LBA地址為0x0A的扇區寫，
Write_Sctr:
mov R2, #1 ; 對R2-R7填入適當值，調用Function
mov R3, #0Ah ;
mov R4, #0
mov R5, #0
mov R6, #0
mov R7, #WriteSctr
acall Function
acall WaitDRQ
acall Write512
ret
Write512:
mov R0, #high(message) ; 取需寫入信息的高位地址
mov R1, #low(message) ; 取需寫入信息的低位地址
mov R7, #2 ; 512字節 = 2 * 256
mov R6, #0
write:
mov dph, R0 ;
mov dpl, R1
clr a
movc a, @a+dptr ; 讀取信息的內容
inc dptr ; 指針指向下一個字節地址
mov R0, dph ;
mov R1, dpl
mov DPTR, #Data_Reg ; 數據寄存器
movx @dptr, a ; 寫一個字節到硬盤
djnz R6, write
djnz R7, write ; 循環直到512個字節全部寫完
ret

四、總結

由于篇幅所限，不詳細介紹對硬盤的讀操作，其流程類似于寫操作。感興趣讀者可對照ATA協議規范，編寫相應的驅動程序。對硬盤操作的ATA命令很多，可以通過ATA命令進行電源管理，讀取硬盤參數，進行多個扇區的讀寫操作。欲詳細了解對硬盤的操作，可參照最新的ATA－6協議。本文中，對硬盤的訪問采用輪詢模式，也可以使對硬盤的訪問工作于中斷模式，使其在BUSY＝0或DRQ＝1時觸發中斷。

在8031上，硬盤只可以工作在8位IO，PIO模式，依照本文的思路，可使硬盤工作于任何嵌入式系統中，工作于DMA模式或16位IO模式。