IDE接口硬盘读写技术

  
 硬盘读写是一个复杂的过程，它涉及到硬盘的接口方式、寻址方式、控制寄存器模型等。硬盘
的存储介质经历了从磁性材料、光磁介质到Flash半导体存储材料，对它们的读写方法和寻址方式都
一样，因为这些存储介质与计算机的接口共同遵循着ATA标准。主机与硬盘之间的数据传输按程序
I/O或DMA方式进行，硬盘的寻址方式可按CHS或LBA。在计算机应用中，掌握硬盘读写技术很有
必要，  像UNIX系统的dd命令和目前流行的Ghost、DiskEdit等软件，都可以把数十个GB容量硬盘
上庞大的软件系统，在短时间内复制完成。这些工具软件的构造正是基于该技术而设计的。本文从
IDE控制器的寄存器模型入手，分析硬盘的读写方法和寻址方式，结合实例剖析了这类复杂硬盘工
具软件的设计思路及制作方法。
1  IDE控制器的寄存器模型
计算机主机对IDE接口硬盘的控制是通过硬盘控制器上的二组寄存器实现[1]
。一组为命令寄存
器组(Task File Registers)， I/O的端口地址为1F0H~1F7H， 其作用是传送命令与命令参数， 如表1所示。
另一组为控制/诊断寄存器(Control/Diagnostic Registers)，I/O的端口地址为3F6H~3F7H，其作用是控
制硬盘驱动器，如表2所示。
表1   Task File Registers命令寄存器组
I/O地址  读(主机从硬盘读数据)  写(主机数据写入硬盘)
1F0H  数据寄存器  数据寄存器
1F1H  错误寄存器(只读寄存器)  特征寄存器
1F2H  扇区计数寄存器  扇区计数寄存器
1F3H  扇区号寄存器或LBA块地址0~7  扇区号或LBA块地址0~7
1F4H  磁道数低8位或LBA块地址8~15  磁道数低8位或LBA块地址8~15
1F5H  磁道数高8位或LBA块地址16~23  磁道数高8位或LBA块地址16~23
1F6H  驱动器/磁头或LBA块地址24~27  驱动器/磁头或LBA块地址24~27
1F7H  状态寄存器  命令寄存器
表2   Control/Diagnostic Registers控制/诊断寄存器
I/O地址  读  写
3F6H  交换状态寄存器(只读寄存器)  设备控制寄存器(复位)
3F7H  驱动器地址寄存器  
在硬盘执行读写过程中，为了节省I/O地址空间，用相同的地址来标识不同的寄存器。例如，
如表1中端口地址1F7H，在向硬盘写入数据时作为命令寄存器，而向硬盘读取数据时作为状态寄存
器。表1中各寄存器功能如下：
数据寄存器：是主机和硬盘控制器的缓冲区之间进行8位或16位数据交换用的寄存器，使用该
寄存器进行数据传输的方式称程序输入输出方式，即PIO方式，数据交换的另一种方式是通过DMA
通道，这种方式不使用数据寄存器进行数据交换；
错误寄存器：该寄存器包含了上次命令执行后硬盘的诊断信息。每位意义见表3，在启动系统、
硬盘复位或执行硬盘的诊断程序后，也在该寄存器中保存着一个诊断码。
表3  IDE错误寄存器
位  意        义
0  AMNF，没找到所要访问的扇区的数据区。
1  TK0NF，在执行恢复RECALIBRATE命令时，0磁道没有发现。
2  ABRT，对硬盘发非法指令或因硬盘驱动器故障而造成命令执行的中断。
3  MAC，该信号用来向主机发出通知，表示介质的改变。
4  IDNF，没有找到访问的扇区，或CRC发生错误。
5  MC，  这是发送给主机一个信号以通知主机使用新的传输介质。
6  UNC，在读扇区命令时出现不能校正的ECC错误，因此此次数据传输无效。
7  BBK，在访问扇区的ID数据场发现坏的数据块时会置1。
下面的扇区数寄存器、磁道数寄存器、驱动器/磁头寄存器三者合称为介质地址寄存器，介质
地址可以用CHS方式或LBA方式，在驱动器/磁头寄存器中指定用何种方式。
扇区计数寄存器：指明所要读/写的扇区总数，其中0表示传输256个扇区，如果在数据读写过
程发生错误，寄存器将保存尚未读写的扇区数目。
磁道数寄存器：指明所要读/写的磁道数。
驱动器/磁头寄存器：指定硬盘驱动器号与磁头号和寻址方式，如表4所示。 表4  IDE驱动器/磁头寄存器
7  6  5  4  3  2  1  0
1  L  1  DRV  HS3  HS2  HS1  HS0
状态寄存器：保存硬盘控制器命令执行后的状态和结果，如表5所示。
表5  IDE状态寄存器
位  意      义
0  ERR，错误(ERROR)，该位为1表示在结束前次的命令执行时发生了无法恢复的
错误。在错误寄存器中保存了更多的错误信息。
1  IDX，反映从驱动器读入的索引信号。
2  CORR，该位为1时，表示已按ECC算法校正硬盘的读数据。
3  DRQ，为1表示请求主机进行数据传输(读或写)。
4  DSC，为1表示磁头完成寻道操作，已停留在该道上。
5  DF，为1时，表示驱动器发生写故障。
6  DRDY，为1时表示驱动器准备好，可以接受命令。
7  BSY，为1时表示驱动器忙(BSY)，正在执行命令。在发送命令前先判断该位。
命令寄存器： 包含执行的命令代码。 当向命令寄存器写命令时， 相关该命令的参数必须先写入。
在写命令时，状态寄存器的BSY位置1。如果命令是非法，则中止执行。
在ATA标准中，IDE命令一共有30多个，其中有10个是通用型(也称强制型)命令。主要的参数如
表6所示，表中的Word指2个字节。
表6  IDE硬盘的参数
Word 1  Word 3  Word 6  Word 10-19  Word 60-61
磁道数  磁头数  每磁道的扇区数  20个ASCII码系列号  LBA可以寻找的最大扇区数
20H   读扇区命令(带重试)：从硬盘读取指定磁道、磁头上的1~256个扇区到主机。送到主机的
数据可以添加4个字节的ECC校验码，读的起始扇区号和扇区个数在命令块指定。这条命令也隐藏
着寻找指定的磁道号，所以不需要另外的寻道命令。
30H   写扇区命令(带重试)：本命令是将主机内的数据写入硬盘，可以写指定磁道、磁头上的
~256个扇区，与读扇区命令相似，这条命令也隐藏着寻找指定的磁道号，写的起始扇区号和扇区
个数由命令块指定。
90H   硬盘诊断命令：以判断硬盘是否已经连接到主机上，可以读取错误寄存器以检查需要的
结果，如果是01H或81H表示设备是好的，否则表示设备没有连接或设备是坏的。
设备控制寄存器：将该寄存器的SRST位设置为1，可以使硬盘驱动器处于复位状态。IEN表示
是否允许中断，其中0为允许。由此可见，对该寄存器发送0X0CH命令即令硬盘复位，其格式如表7
所示。
表7  IDE设备控制寄存器
7  6  5  4  3  2  1  0
-  -  -  -  1  SRST  IEN  0 2  硬盘的寻址方式
硬盘驱动器的介质是通过磁头、磁道(柱面)、扇区组织起来的。在ATA标准中，磁道数可以达
到65  636，一个扇区在正常情况下有512字节，可以用两种方法来寻址，即物理寻址方式和逻辑寻
找方式。
IDE驱动器为逻辑寻址方式使用了线性映射的方式，即扇区从0柱面0头1扇区开始，在0磁头后
是同柱面的1磁头，在整个柱面后是下一个柱面的0磁头，在ATA标准中，从物理结构CSH到逻辑块
编号的影射如下：
LBA=(柱面号*磁头数+磁头号)*扇区数+扇区编号-1
逻辑扇区在访问时间上也是按顺序排列的。在UNIX、WINDOWS NT等操作系统中，硬盘的寻
址方式是在内存中建了一个介质地址包， 地址包里保存的是64位LBA地址， 如果硬盘支持LBA寻址，
就把低28位直接传递给ATA界面，如果不支持，操作系统就先把LBA地址转换为CHS地址，再传递
给ATA界面。
对设计硬盘克隆程序，如果一个硬盘支持LBA寻找方式，在设计硬盘读写程序时可以不考虑硬
盘的物理几何结构。但如果不支持LBA寻址方式，则需要用CHS寻址方式。在CHS寻址方式下，如
果目标与源硬盘的磁头数一样，而仅磁道数不一样，并且源硬盘的磁道数<＝目标盘的磁道数时，
克隆程序按扇区、磁头、磁道寻址顺序，在源盘读一个扇区，然后写到目标盘对应的扇区中。这样，
克隆的目标盘数据与源盘一样，但目标盘可以使用的磁道数可能比实际的少一些，可以在克隆程序
结束之前修改最后一个分区表的参数。
3  驱动器读写过程
用PIO方式使主机读写指定的起始磁道、头、扇区号，共读取N个扇区，其过程颇为复杂。过
程包括发送指令、判断盘的状态、处理错误信息等。硬盘有自己的缓冲区，所以每次可以读取1个
磁道上的所有扇区(1个磁道一般有63个扇区)保存在缓冲区， 通过盘的数据寄存器(1F0H)与主机传输
数据。
PIO方式读命令的执行过程如下：
1)  根据要读的扇区位置，向控制寄存器1F2H~1F6H发命令参数，等驱动器的状态寄存器1F7H
的DRDY置位后进入下一步；
2)  主机向驱动器命令控制器1F7H发送读命令20H；
3)  驱动器设置状态寄存器1F7H中的BSY位，并把数据发送到硬盘缓冲区；
4)  驱动器读取一个扇区后，自动设置状态寄存器1F7H的DRQ数据请求位，并清除BSY位忙信
号。 DRQ位通知主机现在可以从缓冲区中读取512字节或更多(如果用READ LONG COMMAND命令)
的数据，同时向主机发INTRQ中断请求信号；
5)  主机响应中断请求，开始读取状态寄存器1F7H，以判断读命令执行的情况，同时驱动器清
除INTRQ中断请求信号；
6)  根据状态寄存器，如果读取的数据命令执行正常，进入7)，如果有错误，进入错误处理，如
果是ECC错误，再读取一次，否则退出程序运行；
7)  主机通过数据寄存器1F0H读取硬盘缓冲区中的数据到主机缓冲区中，当一个扇区数据被读
完，扇区计数器-1，如果扇区计数器不为0，进入3)，否则进入8)；
8)  当所有的请求扇区的数据被读取后，命令执行结束。
PIO方式写命令的执行过程如下：
1)  根据要写的扇区位置，向驱动器控制寄存器1F2H~1F6H发出命令参数，等驱动器DRDY置位后进入下一步；
2)  主机向驱动器命令控制器1F7H发送写命令30H；
3)  驱动器在状态寄存器1F7H中设置DRQ数据请求信号；
4)  主机通过数据寄存器1F0H把指定内存(BUF)中的数据传输到缓冲区；
5)  当缓冲区满，或主机送完512个字节的数据后，驱动器设置状态寄存器1F7H中的BSY位，并
清除DRQ数据请求信号；
6)  缓冲区中的数据开始被写入驱动器的指定的扇区中，一旦处理完一个扇区，驱动器马上清
除BSY信号，同时设置INTRQ；
7)  主机读取驱动器的状态1F7H和错误寄存器1F1H，以判断写命令执行的情况，如果有无法克
服的错误(如坏盘)，退出本程序，否则，进入下一步；
8)  如果还有扇区进行写操作，进入3)否则，进入下一步；  
9)  当所有的请求扇区的数据被写后，命令执行结束。
虽然硬盘缓冲区可以容纳很多个扇区，但每读/写一个扇区，就判断其命令执行的状态寄存器，
这样就可以保证读写的数据的正确性。
4  硬盘读写技术的应用
硬盘克隆软件的制作分两部分：1)  用C语言编写，控制要读写的起始磁道、磁头及扇区及扇区
数，即对命令及参数块设置；2)  用汇编语言编写，以实现硬盘与主机之间的数据传送[2~4]
。2个硬盘
作为主(Host)盘和副(Slave)盘。Host盘容量应小于或等于Slave盘的容量，程序流程如图1所示。
此主题相关图片如下未命名.jpg：

建立一个命令块数组如CMD[ ]，数组元素分别对应上述的0~7的任务寄存器及状态寄存器、错
误寄存器、硬盘延时时间等。当CPU向硬盘控制器发布命令时，先将命令块等写在数组中，再将数
组传到硬盘控制器所对应的寄存器中， 控制器就会自动对命令进行分析和处理， 在命令执行完成后，
将状态控制器返回供主机判断命令执行的结果。主机向硬盘控制器发送的命令的程序处理流程(汇
编程序段)如图2所示。
此主题相关图片如下未命名.jpg：

5  结 束 语
在了解硬盘的读写原理后，可以设计出任何针对硬盘物理扇区读写的程序。因为程序是直接读
取驱动器的扇区数据，与硬盘上安装的具体操作系统的类型无关。如果用LBA寻址方式，还可以写
出与硬盘驱动器的物理几何结构无关的读写程序。进一步，结合硬盘上的操作系统，可以编写检索
硬盘上存储的任何特征信息的程序，还可以处理如多媒体信息这种特殊类的存储数据，故硬盘的读
写技术有着很高的实用价值。 
 参  考   文   献
1  FRIEDHELM SCHMIDT. IDE接口:  协议、应用和编程.  北京:  中国电力出版社, 2001
2   刘   力,  陈建革.  最新实用IBM PC软、硬件技术参考大全.  北京:  北京市新闻出版局, 1990
3   艾德才. Pentium/80486实用汇编语言程序设计.  北京:  清华大学出版社, 2001
4   李向荣.  实用C语言软件开发工具.  北京:  清华大学出版社, 1996