基于A(yíng)RM920T的IDE硬盤(pán)接口設計

hikesoso2010

1 引言　　20世紀90年代后期，嵌入式系統在工業(yè)控制、遠程監控和數據采集等領(lǐng)域的應用日趨廣泛，人們對嵌入式系統的存儲容量也提出了較高的要求。因此研制適用于嵌入式系統的大容量、高速率、高可靠性的數據存儲系統變得日益重要。本文針對一款基于arm920T芯片的開(kāi)發(fā)板，根據ATA硬盤(pán)接口規范，設計了IDE硬盤(pán)接口電路，實(shí)現了對IDE硬盤(pán)的讀寫(xiě)，可以在Linux系統中對其上的文件系統自由訪(fǎng)問(wèn)，達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內核，同時(shí)配備了Thumb擴展、EmbeddedICE調試技術(shù)和Harvard總線(xiàn)。在生產(chǎn)工藝相同的情況下，性能可達ARM7TDMI芯片的兩倍之多。arm920T系列主要應用于機頂盒產(chǎn)品、掌上電腦、筆記本電腦和打印機�！　�S3C2410處理器是Samsung 公司基于A(yíng)RM公司的arm920T處理器核，采用0.18umSU造工藝的32位微控制器。該處理器擁有獨立的16KB指令Cache和16KB數據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、1個(gè)USB設備、SD主機和MMC接口和2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在268MHz�！　�3 IDE接口及其規范　　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)驅動(dòng)器與早期的ATA驅動(dòng)器相比，增加了任務(wù)文件寄存器，包括數據寄存器、狀態(tài)寄存器以及反映地址的驅動(dòng)器號、磁頭號、道號和扇區號寄存器等。ATA接口規范定義了信號電纜和電源線(xiàn)的電器特征、互聯(lián)信號的電器和邏輯特征，還定義了存儲設備中可操作的寄存器以及命令和協(xié)議�！　�3.1 寄存器　　規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)接收命令和傳送數據，控制寄存器用來(lái)控制磁盤(pán)操作。常用的寄存器包括數據寄存器、命令寄存器、驅動(dòng)器/磁頭寄存器、柱面號寄存器、扇區號寄存器、扇區數寄存器和狀態(tài)寄存器�！　�3.2 數據傳輸方式　　ATA接口規范定義了兩種數據傳輸方式：可編程I/O(PIO)方式和DMA方式。PIO傳送方式下，CPU對控制器的訪(fǎng)問(wèn)都是通過(guò)PIO進(jìn)行的，包括從控制器讀取狀態(tài)信息和錯誤信息，以及向控制器發(fā)送命令和參數。在一次PIO數據傳輸過(guò)程中，CPU先選址，然后使讀/寫(xiě)信號有效，CPU或控制器放數據到數據總線(xiàn)，控制器或CPU讀取數據，操作完成后，釋放總線(xiàn)，這樣一次數據傳輸完成。DMA方式，即直接內存訪(fǎng)問(wèn)，CPU把緩沖區的地址與需要讀寫(xiě)的長(cháng)度告訴外設，外設在準備好后向CPU發(fā)出一個(gè)DMA請求，要求CPU暫停使用內存，獲得同意后就直接在內存和外設之間傳輸數據，完成后再把對內存的訪(fǎng)問(wèn)權歸還給CPU�！　�4 硬件實(shí)現　　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、數據信號和控制信號。硬盤(pán)上寄存器分為兩組，分別由IDE_CS0和IDE_CS1選中，DA0~DA2則用于組內寄存器尋址；數據線(xiàn)DD0~DD15因存在輸入/輸出方向問(wèn)題，故用nOE(讀信號)接buffer(74LVTH162245)的DIR引腳來(lái)控制緩沖器方向；控制信號部分因該CPU與硬盤(pán)之間DMA時(shí)序不一致，故采用一塊EPM7032AETC44-7芯片用于調整其時(shí)序。PIO模式下，不需要DMARQ和nDMACK信號，DMA模式下，這兩個(gè)信號才起作用�！　�5 軟件實(shí)現　　硬盤(pán)驅動(dòng)程序實(shí)現分為初始化、打開(kāi)設備、設備I/O操作和釋放設備等幾部分�！　�5.1 　　硬盤(pán)初始化與X86不同，在arm體系結構中，對內存和外設的訪(fǎng)問(wèn)使用統一的指令，所以要對外設地址進(jìn)行內存映射。也就是說(shuō)，通過(guò)一張表將I/O地址映射到內存空間中來(lái)，這部分工作是在系統初始化期間完成的�！　≡贗DE子系統初始化期間，Linux系統一旦發(fā)現一個(gè)IDE控制器，就設置它的ide_hwif_t結構來(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；請求控制適當的IRQ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)對應一個(gè)ide_drive_t結構。 　　(2)對找到的每個(gè)IDE硬盤(pán)，調用函數ide_register_subdriver填寫(xiě)各IDE硬盤(pán)結構中的相關(guān)信息域，主要是填寫(xiě)其驅動(dòng)程序結構ide_driver_t。硬盤(pán)驅動(dòng)中的函數do_rw_disk通過(guò)向磁盤(pán)控制寄存器寫(xiě)參數啟動(dòng)磁盤(pán)操作，完成真正的數據讀寫(xiě)�！　�(3)對找到的每個(gè)IDE硬盤(pán)，調用函數idedisk_setup進(jìn)一步設置其ide_drive_t結構，包括設置該結構的settings域、doorlocking域、cyl、head、sect域、id域等�！　�5.2 打開(kāi)設備　　打開(kāi)塊設備的操作與打開(kāi)普通文件的操作基本相同�！　�(1)在當前進(jìn)程的文件描述符表中為打開(kāi)文件找一個(gè)空位，申請一塊內存，用于建立新文件的打開(kāi)文件對象，即結構file�！　�(2)解析設備特殊文件名，獲得其VFSinode和dentry結構，根據dentry結構填寫(xiě)file結構，尤其是將file結構的f_op域設為其VFSinode中的缺省文件操作�！　�(3)執行該文件操作集中的open操作，即blkdev_open，它根據設備特殊文件的主次設備號從blkdevs向量表中取出已經(jīng)注冊的文件操作集(file_operations)fops，用該結構代替file結構中的f_op域�！　�(4)執行中新文件操作集中的open操作，即bl帶頭kdev_open，它根據VFS 　　inode中的i_rdev域查找數組IDE_hwifsp[]，從中找出該IDE硬盤(pán)所對應的ide_drive_t結構；如果ide_drive_t結構中注冊有驅動(dòng)程序，執行驅動(dòng)程序集中的open操作�！　�(5)將打開(kāi)文件對象插入到當前進(jìn)程的文件描述符表中，返回文件描述符，即打開(kāi)文件對象在進(jìn)程文件描述符表中的索引�！　�5.3 設備I/O操作　　讀寫(xiě)塊設備時(shí)要用到塊緩沖區(bufer)，對bufer的管理采用BuferCache機制。它管理bufer的創(chuàng )建、撤銷(xiāo)、回收、查找、更新等，同時(shí)還要與系統中的其它部分(如文件系統、內存管理等)交互。Linux將Buffer 　　Cache從塊設備驅動(dòng)程序中獨立出來(lái)，作為對塊設備讀寫(xiě)的通用機制，所以對塊設備的讀、寫(xiě)、同步等操作采用的都是由操作系統提供的公共函數，一般為block_read()和block_write()�！　�為了減少對塊設備操作的次數，讀寫(xiě)塊設備時(shí)采用延遲操作，盡量將多個(gè)讀寫(xiě)操作合并，所以操作請求不是馬上遞交給物理設備，而是提供了一種手段記錄每次的請求(request)，并為每類(lèi)塊設備提供一個(gè)請求隊列用來(lái)排隊、合并、重組對該塊設備的請求�！　‘斝枰獜挠脖P(pán)讀時(shí)，block_read()函數首先查找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)讀請求，并將其加入相應的請求隊列排隊�！　‘斝枰�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)請求，并將其加入相應的請求隊列排隊�！　�塊設備驅動(dòng)程序提供了一個(gè)請求處理函數，對硬盤(pán)而言是函數do_rw_disk。在適當的時(shí)候，硬盤(pán)的請求處理函數啟動(dòng)，do_rw_disk處理在請求隊列上排隊的請求，通過(guò)向硬盤(pán)發(fā)出讀、寫(xiě)命令完成對設備的真正操作。其偽代碼如下：　　C程序　　5.4 釋放設備　　由設備驅動(dòng)程序中的release操作完成，一般完成與打開(kāi)設備相反的動(dòng)作：釋放打開(kāi)設備特殊文件時(shí)在file結構上所創(chuàng )建的私有結構；如果是最后一個(gè)設備的釋放，則從硬件上關(guān)閉設備�！　�6 結束語(yǔ)　　通過(guò)上述方法對IDE硬盤(pán)接口的設計與實(shí)現，我們可以在S3C2410開(kāi)發(fā)板上安全自由地對硬盤(pán)上的各種文件系統進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，由于采用DMA方式，可以滿(mǎn)足用戶(hù)對速率的要求。