在“計算機接口技術”教學中， 有關硬磁盤接口適配器這一章比較難學， 主要涉及到I？O 控制層對扇區讀寫和使用邏輯映射層對數據進行管理問題，內容比較抽象， 教師和學生只能憑想象去教與學。筆者在科研中， 通過對嵌入式微處理器與硬盤接口的開發應用， 加深了對這些內容的理解， 為拓展這部分教學內容的深度和廣度奠定了基礎， 并采用理論與實際結合的方式去講授有關的內容， 受到了學生的歡迎。故撰此文與從事硬盤接口技術教學的老師們作一交流。
1 ARM 系統及IDE 接口綜述
ARM （A dvanced RS IC M ach ines） 是一種低功耗、高性能的32 位處理器。本文介紹的系統是基于Sam sung 公司S3C44B0X 構建而成。該CPU 的內核是ARM 7TDM I， 采用了三級流水線和VONN eumann 結構， 并且具有UART、IIC、IIS、S IO 接口，ADC、PWM 通道， 實時時鐘、LCD 控制器等。
硬盤接口結構主要分I/O 控制層和邏輯映射層。其中I/O 控制層包括與ARM 的物理接口， 實現對硬盤狀態的查詢、設置和對扇區的讀寫。它是依據A TA 標準連接的IDE 接口。通過IDE 接口選擇可編程的P IO 或使用DMA 方法傳輸數據。本文將介紹P IO 方式傳送， 即對硬盤每一次訪問都需要分別進行編程。
邏輯映射層實現對目錄、文件與扇區數據邏輯映射， 以及數據的存儲和修改。該部分應用微軟公司FA T 標準， 為每個文件的磁盤塊構造鏈接表， 通過鏈接表和它的索引實現對整個磁盤文件進行管理。
在微機應用中， 由于常涉及大批量數據的存儲，在聯網條件不備的情況下， 通過IDE 接口連接大容量硬盤是一個有效方法。若按照AN S I 的A TA 標準連接硬盤， 并通過Fat32 文件系統進行數據管理，嵌入式系統讀寫過的硬盤， 還可以脫機移到W in2dow s 操作系統支持下的PC 機中， 實現與常規操作系統共享硬盤數據資源。本文介紹的方法可以推廣到其它微處理器應用系統中。
2 硬件結構與I/O 控制層
A TA 標準對IDE 硬盤接口作了詳細描述。
圖1 是按照A TA 規范結合P IO 傳輸特點進行連接。由于沒有使用DMA 傳輸方式， 故DMARQ 和DMACK 兩根懸空; / IOCS16 用于選擇使用DD0～DD15 進行16 位傳輸或使用DD0～DD7 進行8 位傳輸; /D IOR 和/D IOW 是對磁盤驅動寄存器進行讀寫操作的一對握手信號; /C S0 用來選定命令寄存器組， /C S1 選擇控制寄存器組。這兩根信號線結合DA 0～DA 2， 就可以對IDE 多個寄存器進行訪問，如數據寄存器、狀態寄存器、命令寄存器等。
此外，A TA 標準對IDE 命令也有嚴格定義， 如用來確認驅動器的0xEC， 讀緩沖區的0xE4。在P IO模式中， 系統將IDE 命令送到命令寄存器中， 讀寫相應的數據、狀態寄存器， 實現對硬盤訪問和控制。
對硬盤內部數據的操作需要了解它的物理存儲方式。磁頭、柱面和扇區是硬盤的基本結構， 而扇區是對硬盤讀寫的最小單位。硬盤內部的尋址方式有兩種， 一種是物理尋址的CHS 方式， 另一種是邏輯尋址的LBA 方式。物理尋址CHS 方式是通過柱面、磁頭和扇區號來確定唯一的存儲單位， 較為繁瑣。而邏輯尋址方式是采用線性映射方法， 從物理結構到邏輯塊編號的映射關系如下：
LBA = （柱面編號×磁頭數+ 磁頭號） ×扇區數+ 扇區編號- 1
采用這種方法， 主機不用知道硬盤的物理結構， 就能直接對目標扇區進行尋址。
根據前面的闡述， 編制I/O 控制層的控制程序， 可對IDE 控制寄器進行查詢、設置和邏輯尋址，實現對指定扇區的讀寫。圖2 是讀一個扇區數據的流程圖， 寫扇區的方法和它類似， 區別只是在于傳送指令和數據流動方向不同。此外， 在檢測狀態寄存器的時候， 最好加上超時判斷， 防止程序陷入死循環。
3 邏輯映射層控制標準及實現
3.1 關于FAT 標準
由于希望ARM 系統對硬盤的讀寫操作能與主流操作系統共享， 該部分軟件是根據與W indow s 相兼容的FA T 標準進行編制。用戶也可以根據實際情況， 把該設計思路推廣到如L inux 下的EX2 等其它工作平臺。
FA T 標準對硬盤邏輯結構作了劃分， 主要有分區表、BPB 表、FA T 表、數據區等幾部分。在硬盤格式化和分區后， 會在0 柱面0 磁頭1 扇區建立分區表， 此表記載了硬盤在各分區起始和結束所使用的磁頭、柱面、扇區號。對于每個分區， 邏輯0 扇區存放了一個BPB 表， 該表儲存了整個文件系統關鍵的數據， 包括文件系統的類型， 每個扇區的字節數（Byte2PerSec ） ， 每簇的扇區數（SecPerClu s） ， 保留扇區數（R svdSecCn t） ， FA T 表數目（N umFA T s） ， 根目錄起始簇（Roo tClu s） ， 以及盤符和卷標等。其中簇（Clu STer） 是文件系統在效率原則下管理的最小單位， FA T 32 標準意味著每簇有8 扇區， 簇內存貯單元采用32 位二進制數。文件系統類型還可以使用FA T 12 和FA T 16 標準， 表示簇內存貯單元分別采用12 位和16 位二進制數。在格式化硬盤時， 依據硬盤簇的數目判斷選用哪種文件系統標準， 若簇數小于4085 則是FA T 12， 若在4085 和65525 之間則是FA T 16， 大于65525 則是FA T 32。由于本文所述的系統使用大容量硬盤， 因而采用FA T 32 文件系統。
在原理上， FA T 32 和其它兩種方式是相同的， 完全可以移植過去。保留扇區是為BPB 表以后擴展保留一段區間， 暫且未被使用。
3.2 關于FAT 表
FA T 表實質上是一系列存放著數據的鏈接表。
對于FA T 32 來說， 每四個字節（32b it） 對應硬盤數據區上的一個簇， 它們的數值是當前文件下一個簇的指針。如果這四個字節大于0x0FFFFFF8， 則表示當前文件在該簇內結束。若是0x00 則表示該簇是空的， 沒有存放數據， 而0xFFFFFF7 表示這個簇已經損壞。采用這種方法， 在存取數據時只需沿著鏈接表尋址就行了， 不需按順序存取， 也不會因刪除文件造成磁盤碎片。FA T 表的大小是根據磁盤容量也就是簇的數量來決定， 不同磁盤FA T 表的大小不同。
出于可靠性考慮， FA T 表一般都要冗余它的備份，冗余數量由BPB 表的N umFA T s 來定， 通常為2。
這樣在突然斷電等意外情況下， 可以根據備份的FA T 表進行修復。
3.3 硬盤數據區
FA T 表之后是硬盤的數據區， 其開始是根目錄（ROO T D irecto ry） ， 此處存放了FA T 表根目錄下的文件與子目錄。存放格式有兩種， 一種是長文件名， 一種是短文件名（標準的813 格式） ， 通過數據中的特征位能分辨出來。長文件名和短文件名格式見參考文獻， 它包含了文件的名字、屬性、大小、起始簇數、建立及寫操作的時間。實際上子目錄的信息也被當作一個文件存儲在根目錄區， 只是它的屬性為目錄， 大小為0。同樣， 子目錄起始簇內存放了該目錄下文件和子目錄的信息表。依據這些信息， 可以在FA T 表找到該文件的鏈接表， 執行對整個文件相應操作。
3.4 資源共享的實現
對于不同的文字平臺， 為能夠實現資源共享， 采用UN ICODE 來存儲文件名。在長文件名中， 每個字符都是用16b it s 的UN ICODE 來表示的， 而在短文件名中， 采用用戶自定義的類型， 例如在簡體中文W indow s 下， 采用A SC？ 碼和GB2312 碼。通過U 2N ICODE 與其它碼表對比查找程序， 用戶可以在自己期望的文字平臺上進行操作。
圖3 是讀取一個文件的流程， 寫文件的方法和讀文件相類似， 只要注意在目錄里建立文件時， 先把數據寫入空白簇后再把FA T 表更新， 其中包括更新備份部分。
4 結束語
筆者通過U SB 接口使用S3C44B0X 中ARM 7TDM I 微處理器對20GB 以上的硬盤進行接口連接及控制， 用FA T 32 文件系統對硬盤進行數據管理， 多個大容量硬盤除了在ARM 系統能正常工作外， 在W IN 98/2000/XP 操作系統支持下的PC機上， 均能實現數據資源共享。基于ARM 系統大容量硬盤管理與控制系統， 目前正被使用到遠程電力網數據檢測系統之中， 為嵌入式系統海量數據存儲提供一種新的設計思路。