1 引言

20世紀(jì)90年代后期,，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛,，人們對(duì)嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量也提出了較高的要求,。因此研制適用于嵌入式系統(tǒng)的大容量、高速率,、高可靠性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)變得日益重要,。本文針對(duì)一款基于ARM920T芯片的開(kāi)發(fā)板，根據(jù)ATA硬盤(pán)接口規(guī)范,，設(shè)計(jì)了IDE硬盤(pán)接口電路,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IDE硬盤(pán)的讀寫(xiě)，可以在Linux系統(tǒng)中對(duì)其上的文件系統(tǒng)自由訪問(wèn),，達(dá)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(shù)。ARM920T是ARM系列微處理器的一種,，它采用5階段管道化ARM9TDMI內(nèi)核,，同時(shí)配備了Thumb擴(kuò)展、EmbeddedICE調(diào)試技術(shù)和Harvard總線,。在生產(chǎn)工藝相同的情況下,，性能可達(dá)ARM7TDMI芯片的兩倍之多。ARM920T系列主要應(yīng)用于機(jī)頂盒產(chǎn)品,、掌上電腦,、筆記本電腦和打印機(jī)。

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(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)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(gè)USB主機(jī),、1個(gè)USB設(shè)備,、SD主機(jī)和MMC接口和2路SPI,。S3C2410處理器最高可運(yùn)行在268MHz。

3 IDE接口及其規(guī)范

IDE(Integrated Drive Electronics)是從IBM PC/AT上使用的ATA接口發(fā)展而來(lái)的,。IDE/ATA磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器與早期的ATA驅(qū)動(dòng)器相比，增加了任務(wù)文件寄存器,，包括數(shù)據(jù)寄存器,、狀態(tài)寄存器以及反映地址的驅(qū)動(dòng)器號(hào)、磁頭號(hào),、道號(hào)和扇區(qū)號(hào)寄存器等,。ATA接口規(guī)范定義了信號(hào)電纜和電源線的電器特征、互聯(lián)信號(hào)的電器和邏輯特征,，還定義了存儲(chǔ)設(shè)備中可操作的寄存器以及命令和協(xié)議,。

3.1

寄存器

規(guī)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(lái)接收命令和傳送數(shù)據(jù),，控制寄存器用來(lái)控制磁盤(pán)操作,。常用的寄存器包括數(shù)據(jù)寄存器、命令寄存器,、驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器,、柱面號(hào)寄存器、扇區(qū)號(hào)寄存器,、扇區(qū)數(shù)寄存器和狀態(tài)寄存器,。

3.2

數(shù)據(jù)傳輸方式

ATA接口規(guī)范定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸方式：可編程I/O(PIO)方式和DMA方式。PIO傳送方式下,，CPU對(duì)控制器的訪問(wèn)都是通過(guò)PIO進(jìn)行的,，包括從控制器讀取狀態(tài)信息和錯(cuò)誤信息，以及向控制器發(fā)送命令和參數(shù),。在一次PIO數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,，CPU先選址，然后使讀/寫(xiě)信號(hào)有效,，CPU或控制器放數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線,，控制器或CPU讀取數(shù)據(jù)，操作完成后,，釋放總線,，這樣一次數(shù)據(jù)傳輸完成。DMA方式,，即直接內(nèi)存訪問(wèn),，CPU把緩沖區(qū)的地址與需要讀寫(xiě)的長(zhǎng)度告訴外設(shè)，外設(shè)在準(zhǔn)備好后向CPU發(fā)出一個(gè)DMA請(qǐng)求,，要求CPU暫停使用內(nèi)存,，獲得同意后就直接在內(nèi)存和外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù),，完成后再把對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)歸還給CPU。

4 硬件實(shí)現(xiàn)

如圖1所示,，S3C2410與硬盤(pán)之間接口電路分為3個(gè)部分：片選信號(hào),、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)。硬盤(pán)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(nèi)寄存器尋址；數(shù)據(jù)線DD0~DD15因存在輸入/輸出方向問(wèn)題,，故用nOE(讀信號(hào))接buffer(74LVTH162245)的DIR引腳來(lái)控制緩沖器方向,；控制信號(hào)部分因該CPU與硬盤(pán)之間DMA時(shí)序不一致，故采用一塊EPM7032AETC44-7芯片用于調(diào)整其時(shí)序,。PIO模式下,，不需要DMARQ和nDMACK信號(hào)，DMA模式下,，這兩個(gè)信號(hào)才起作用,。

5 軟件實(shí)現(xiàn)

硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)分為初始化、打開(kāi)設(shè)備,、設(shè)備I/O操作和釋放設(shè)備等幾部分,。

5.1

硬盤(pán)初始化與X86不同，在ARM

體系結(jié)構(gòu)中,，對(duì)內(nèi)存和外設(shè)的訪問(wèn)使用統(tǒng)一的指令,，所以要對(duì)外設(shè)地址進(jìn)行內(nèi)存映射。也就是說(shuō),，通過(guò)一張表將I/O地址映射到內(nèi)存空間中來(lái),，這部分工作是在系統(tǒng)初始化期間完成的。

在IDE子系統(tǒng)初始化期間,，Linux系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)一個(gè)IDE控制器,，就設(shè)置它的ide_hwif_t結(jié)構(gòu)來(lái)反映這個(gè)控制器和與之相連的磁盤(pán)；向Linux的VFS登記每一個(gè)控制器,，并分別把它加到blk_dev和blkdevs向量表中,；請(qǐng)求控制適當(dāng)?shù)腎RQ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(gè)找到的IDE控制器在gendisk列表中增加一個(gè)條目,。

IDE硬盤(pán)的初始化工作由idedisk_init完成：

(1)在數(shù)組ide_hwifs中找出已登記得各IDE控制器控制的所有IDE硬盤(pán)(一個(gè)控制器最多控制兩個(gè)硬盤(pán))，每個(gè)IDE硬盤(pán)對(duì)應(yīng)一個(gè)ide_drive_t結(jié)構(gòu),。

(2)對(duì)找到的每個(gè)IDE硬盤(pán),，調(diào)用函數(shù)ide_register_subdriver填寫(xiě)各IDE硬盤(pán)結(jié)構(gòu)中的相關(guān)信息域，主要是填寫(xiě)其驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)ide_driver_t。硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)中的函數(shù)do_rw_disk通過(guò)向磁盤(pán)控制寄存器寫(xiě)參數(shù)啟動(dòng)磁盤(pán)操作,，完成真正的數(shù)據(jù)讀寫(xiě),。

(3)對(duì)找到的每個(gè)IDE硬盤(pán)，調(diào)用函數(shù)idedisk_setup進(jìn)一步設(shè)置其ide_drive_t結(jié)構(gòu),，包括設(shè)置該結(jié)構(gòu)的settings域,、doorlocking域、cyl,、head,、sect域、id域等,。

5.2

打開(kāi)設(shè)備

打開(kāi)塊設(shè)備的操作與打開(kāi)普通文件的操作基本相同。

(1)在當(dāng)前進(jìn)程的文件描述符表中為打開(kāi)文件找一個(gè)空位,，申請(qǐng)一塊內(nèi)存,，用于建立新文件的打開(kāi)文件對(duì)象，即結(jié)構(gòu)file,。

(2)解析設(shè)備特殊文件名,，獲得其VFSinode和dentry結(jié)構(gòu)，根據(jù)dentry結(jié)構(gòu)填寫(xiě)file結(jié)構(gòu),，尤其是將file結(jié)構(gòu)的f_op域設(shè)為其VFSinode中的缺省文件操作,。

(3)執(zhí)行該文件操作集中的open操作，即blkdev_open,，它根據(jù)設(shè)備特殊文件的主次設(shè)備號(hào)從blkdevs向量表中取出已經(jīng)注冊(cè)的文件操作集(file_operations)fops,，用該結(jié)構(gòu)代替file結(jié)構(gòu)中的f_op域。

(4)執(zhí)行中新文件操作集中的open操作,，即bl帶頭kdev_open,，它根據(jù)VFS

inode中的i_rdev域查找數(shù)組ide_hwifsp[]，從中找出該IDE硬盤(pán)所對(duì)應(yīng)的ide_drive_t結(jié)構(gòu),；如果ide_drive_t結(jié)構(gòu)中注冊(cè)有驅(qū)動(dòng)程序,，執(zhí)行驅(qū)動(dòng)程序集中的open操作。

(5)將打開(kāi)文件對(duì)象插入到當(dāng)前進(jìn)程的文件描述符表中,，返回文件描述符,，即打開(kāi)文件對(duì)象在進(jìn)程文件描述符表中的索引。

5.3

設(shè)備I/O操作

讀寫(xiě)塊設(shè)備時(shí)要用到塊緩沖區(qū)(bufer),，對(duì)bufer的管理采用BuferCache機(jī)制,。它管理bufer的創(chuàng)建、撤銷(xiāo),、回收,、查找、更新等，同時(shí)還要與系統(tǒng)中的其它部分(如文件系統(tǒng),、內(nèi)存管理等)交互,。Linux將Buffer

Cache從塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中獨(dú)立出來(lái)，作為對(duì)塊設(shè)備讀寫(xiě)的通用機(jī)制,，所以對(duì)塊設(shè)備的讀,、寫(xiě)、同步等操作采用的都是由操作系統(tǒng)提供的公共函數(shù),，一般為block_read()和block_write(),。

為了減少對(duì)塊設(shè)備操作的次數(shù)，讀寫(xiě)塊設(shè)備時(shí)采用延遲操作,，盡量將多個(gè)讀寫(xiě)操作合并,，所以操作請(qǐng)求不是馬上遞交給物理設(shè)備，而是提供了一種手段記錄每次的請(qǐng)求(request),，并為每類(lèi)塊設(shè)備提供一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列用來(lái)排隊(duì),、合并、重組對(duì)該塊設(shè)備的請(qǐng)求,。

當(dāng)需要從硬盤(pán)讀時(shí),，block_read()函數(shù)首先查找Buffer Cache

如果在其中能找到需要的buffer，則立刻返回：否則,，生成一個(gè)讀請(qǐng)求,，并將其加入相應(yīng)的請(qǐng)求隊(duì)列排隊(duì)。

當(dāng)需要向硬盤(pán)寫(xiě)時(shí),，block_write()為此次寫(xiě)操作生成一個(gè)buffer,，而后生成一個(gè)寫(xiě)請(qǐng)求，并將其加入相應(yīng)的請(qǐng)求隊(duì)列排隊(duì),。

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了一個(gè)請(qǐng)求處理函數(shù),，對(duì)硬盤(pán)而言是函數(shù)do_rw_disk。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,，硬盤(pán)的請(qǐng)求處理函數(shù)啟動(dòng),，do_rw_disk處理在請(qǐng)求隊(duì)列上排隊(duì)的請(qǐng)求，通過(guò)向硬盤(pán)發(fā)出讀,、寫(xiě)命令完成對(duì)設(shè)備的真正操作,。其偽代碼如下：