Chinaunix首页 | 论坛 | 博客
  • 博客访问: 127717
  • 博文数量: 95
  • 博客积分: 0
  • 博客等级: 民兵
  • 技术积分: 157
  • 用 户 组: 普通用户
  • 注册时间: 2014-03-26 20:03
文章分类

全部博文(95)

文章存档

2017年(15)

2015年(17)

2014年(63)

分类: LINUX

2015-06-01 14:00:06

原文地址:IDE接口硬盘读写技术 作者:soararing

  
 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。

图片点击可在新窗口打开查看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。

图片点击可在新窗口打开查看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 
阅读(399) | 评论(0) | 转发(0) |
给主人留下些什么吧!~~
评论热议
请登录后评论。

登录 注册