單片機(jī)與IBM-PC機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器適配器的接口分析

　　51單片機(jī)集成度高，控制、處理能力強(qiáng)，工作可靠穩(wěn)定，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、機(jī)器人、通信、導(dǎo)航、醫(yī)療衛(wèi)生和智能儀器儀表等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，特別是在工程信號(hào)的自動(dòng)測(cè)試、分析中，常常需要記錄、存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，某些數(shù)據(jù)還需長(zhǎng)期或永久保存。目前，單片機(jī)系統(tǒng)保存、記錄數(shù)據(jù)的工具是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。眾所周知，RAM不能長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)，51系列單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大只有64 KB，因此這些方法滿足不了某些實(shí)際系統(tǒng)的要求。當(dāng)前磁記錄技術(shù)已非常成熟，硬盤(pán)記錄、存儲(chǔ)系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主流設(shè)備。它的存儲(chǔ)容量大，存取速度高，可以永久性地保存數(shù)據(jù)，而價(jià)格卻越來(lái)越低。將其應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)，可使組成的系統(tǒng)性能大為提高。
　　
　　IBM - PC計(jì)算機(jī)支持硬盤(pán)系統(tǒng)，主機(jī)與硬盤(pán)之間的接口技術(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，已得到廣泛的應(yīng)用。用IBM - PC機(jī)的硬盤(pán)系統(tǒng)作為51系列單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，接口電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)硬盤(pán)的驅(qū)動(dòng)電路，因而構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)性能價(jià)格比非常高。

一、接口電路的設(shè)計(jì)

　　IBM - PC機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器適配器簡(jiǎn)稱(chēng)硬盤(pán)控制器。它是一個(gè)智能部件，可接一個(gè)或兩個(gè)硬盤(pán)，通過(guò)系統(tǒng)板上62腳I/O通道插槽與PC機(jī)相連。這62腳信號(hào)線在此只用了40腳，其中AO～A19為20位地址線；DO～D7是8位數(shù)據(jù)線；MEMR用于讀硬盤(pán)的基本I/O程序；IOR和IOW分別為主機(jī)讀、寫(xiě)硬盤(pán)控制器的控制信號(hào)；IRQ5、DRQ3分別為硬盤(pán)控制器的中斷請(qǐng)求和DMA請(qǐng)求信號(hào)；DACK3為主機(jī)響應(yīng)DMA時(shí)送給控制器的信號(hào)；另外還有一個(gè)復(fù)位硬盤(pán)控制器的RESET信號(hào)，一個(gè)DMA數(shù)據(jù)傳送時(shí)禁止I/O操作的AEN信號(hào)和6根電源、地線。主機(jī)從硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)或向硬盤(pán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)均是通過(guò)向硬盤(pán)控制器提供的6個(gè)可訪問(wèn)的寄存器寫(xiě)入命令和控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，設(shè)計(jì)單片機(jī)與硬盤(pán)控制器的接口電路時(shí)，只要考慮以上信號(hào)的產(chǎn)生、接收，單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，DMA控制器的連接等問(wèn)題即可。在PC機(jī)中，硬盤(pán)控制器的6個(gè)可訪問(wèn)的寄存器占用主機(jī)的I/O端口地址320—323H，信號(hào)的發(fā)送、接收均是通過(guò)這幾個(gè)口地址尋址的。20根地址線實(shí)際只用了10根，51系列單片機(jī)有16根地址線，能滿足地址譯碼的要求。51系列單片機(jī)不直接支持DMA數(shù)據(jù)傳送方式，而硬盤(pán)控制器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)必須采用DMA方式。在PC機(jī)中，主機(jī)對(duì)硬盤(pán)控制器的讀／寫(xiě)操作是通過(guò)對(duì)I/0端口的讀／寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而單片機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有I/O讀／寫(xiě)指令，可采用存儲(chǔ)器映射方式，將硬盤(pán)控制器的4個(gè)地址映射到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這樣控制器的IOR和IOW分別與單片機(jī)的WR和RD相連即可。硬盤(pán)控制器的中斷請(qǐng)求信號(hào)IRQ5只用于硬盤(pán)操作結(jié)束信號(hào)，因此，此信號(hào)作為單片機(jī)的INT1。其他信號(hào)線的連接方式不贅述，本接口電路如圖1- 91所示。

二、軟件設(shè)計(jì)

　　在IBM - PC機(jī)中，主機(jī)可通過(guò)調(diào)用BIOS程序?qū)崿F(xiàn)控制器、驅(qū)動(dòng)器和硬盤(pán)的診斷，數(shù)據(jù)的存入和取出，設(shè)置硬盤(pán)的參數(shù)，測(cè)試硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器是否準(zhǔn)備好，格式化硬盤(pán)等功能；可通過(guò)DOS中斷程序靈活地進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的加工、處理；還可通過(guò)硬盤(pán)啟動(dòng)和引導(dǎo)系統(tǒng)，安裝各種應(yīng)用程序。因此它的軟件結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，程序量也很大。在本例中，只是把硬盤(pán)作為大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此只需簡(jiǎn)單地格式化磁盤(pán)，讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)以及測(cè)試硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的好壞、是否準(zhǔn)備好等功能，可通過(guò)向控制器的6個(gè)寄存器寫(xiě)入命令和控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)。這6個(gè)寄存器的訪問(wèn)邏輯見(jiàn)表1- 25。

　　數(shù)據(jù)輸入／輸出寄存器( DIOR)很重要，是控制器的信號(hào)主吞吐口。狀態(tài)寄存器(321R)提供硬盤(pán)控制器的硬件狀態(tài)，圖1- 92為該寄存器每一位的作用。其他4個(gè)寄存器的功能、用途參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)，在此不贅述。硬盤(pán)控制器的命令是由6字節(jié)組成的字塊，稱(chēng)為命令塊。由命令塊可發(fā)布19條命令，本節(jié)只選用其中的少數(shù)幾條，如讀盤(pán)(READ)、寫(xiě)盤(pán)(WRITE)、格式化驅(qū)動(dòng)器(FMTDRV)和測(cè)試驅(qū)動(dòng)器是否就緒(TSTRDY)等。一條硬盤(pán)控制器命令的執(zhí)行全過(guò)程可分為3個(gè)階段：命令的發(fā)送、執(zhí)行和結(jié)束。在命令的發(fā)送階段，首先須寫(xiě)“選擇控制器”寄存器，把硬盤(pán)控制器“啟動(dòng)”起來(lái)，然后再向控制器寫(xiě)入6字節(jié)的命令塊；在命令的執(zhí)行階段，控制器根據(jù)接收到的命令內(nèi)容執(zhí)行各種操作；當(dāng)命令執(zhí)行完后，只有主機(jī)經(jīng)DIOR把“完成狀態(tài)”字節(jié)讀走，命令執(zhí)行的全過(guò)程才告結(jié)束，否則，硬盤(pán)控制器的工作狀態(tài)將發(fā)生混亂?？刂破魈峁┑摹巴瓿蔂顟B(tài)”字節(jié)主要是向主機(jī)報(bào)告此次操作是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，若出現(xiàn)錯(cuò)誤，主機(jī)還可讀出錯(cuò)誤的類(lèi)型、出錯(cuò)的扇段地址等信息。

　　根據(jù)以上分析，軟件設(shè)計(jì)如下：
　　
　　(1)主監(jiān)控程序
　　
　　此部分程序主要實(shí)現(xiàn)硬盤(pán)控制器的初始化、參數(shù)設(shè)定等功能。其程序框圖如圖1 - 93所示。
　　
　　(2)功能模塊
　　
　　對(duì)于硬盤(pán)上數(shù)據(jù)的讀／寫(xiě)，控制器采用DMA數(shù)據(jù)傳送方式。當(dāng)數(shù)據(jù)讀／寫(xiě)操作完成后，控制器還發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，報(bào)告命令執(zhí)行完畢。因此，對(duì)于讀盤(pán)和寫(xiě)盤(pán)操作，進(jìn)入功能程序后，先設(shè)置DMA控制器的參數(shù)、工作狀態(tài)，初始化中斷服務(wù)程序；然后寫(xiě)入命令塊和DMA、中斷使能，進(jìn)入讀／寫(xiě)操作。寫(xiě)盤(pán)程序流程圖如圖1- 94所示。

　　讀盤(pán)操作與寫(xiě)盤(pán)操作非常相似，只是數(shù)據(jù)傳送方向相反。因此，程序結(jié)構(gòu)基本一樣，在此不再贅述。
　　
　　測(cè)試硬盤(pán)工作是否就緒、格式化硬盤(pán)等操作不需要傳送數(shù)據(jù)，這部分程序不需要DMA參與，但硬件中斷還需要。其他和寫(xiě)盤(pán)操作也基本相同，不再說(shuō)明。
　　
　　本例研究的51單片機(jī)與IBM - PC硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的接口電路已應(yīng)用于便攜式智能數(shù)據(jù)分析、測(cè)試儀，性能穩(wěn)定、可靠。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤(pán)上的方式與IBM - PC機(jī)相同，因此，單片機(jī)系統(tǒng)可與IBM - PC機(jī)共享數(shù)據(jù)，為工程技術(shù)人員提供了極大的方便。