1 引言
20世紀90年代后期,嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制、遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等領域的應用日趨廣泛,人們對嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)的大容量、高速率、高可靠性的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)變得日益重要。本文針對一款基于ARM920T芯片的開發(fā)板,根據(jù)ATA硬盤接口規(guī)范,設計了IDE硬盤接口電路,實現(xiàn)了對IDE硬盤的讀寫,可以在Linux系統(tǒng)中對其上的文件系統(tǒng)自由訪問,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。ARM920T是ARM系列微處理器的一種,它采用5階段管道化ARM9TDMI內核,同時配備了Thumb擴展、EmbeddedICE調試技術和Harvard總線。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USB主機、1個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(guī)范
IDE(Integrated Drive Electronics)是從IBM PC/AT上使用的ATA接口發(fā)展而來的。IDE/ATA磁盤驅動器與早期的ATA驅動器相比,增加了任務文件寄存器,包括數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器以及反映地址的驅動器號、磁頭號、道號和扇區(qū)號寄存器等。ATA接口規(guī)范定義了信號電纜和電源線的電器特征、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(guī)范定義了兩組寄存器:命令寄存器和控制寄存器。命令寄存器用來接收命令和傳送數(shù)據(jù),控制寄存器用來控制磁盤操作。常用的寄存器包括數(shù)據(jù)寄存器、命令寄存器、驅動器/磁頭寄存器、柱面號寄存器、扇區(qū)號寄存器、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對控制器的訪問都是通過PIO進行的,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(shù)。在一次PIO數(shù)據(jù)傳輸過程中,CPU先選址,然后使讀/寫信號有效,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,即直接內存訪問,CPU把緩沖區(qū)的地址與需要讀寫的長度告訴外設,外設在準備好后向CPU發(fā)出一個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(shù)據(jù),完成后再把對內存的訪問權歸還給CPU。
4 硬件實現(xiàn)
如圖1所示,S3C2410與硬盤之間接口電路分為3個部分:片選信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號。硬盤上寄存器分為兩組,分別由IDE_CS0和IDE_CS1選中,DA0~DA2則用于組內寄存器尋址;數(shù)據(jù)線DD0~DD15因存在輸入/輸出方向問題,故用nOE(讀信號)接buffer(74LVTH162245)的DIR引腳來控制緩沖器方向;控制信號部分因該CPU與硬盤之間DMA時序不一致,故采用一塊EPM7032AETC44-7芯片用于調整其時序。PIO模式下,不需要DMARQ和nDMACK信號,DMA模式下,這兩個信號才起作用。
5 軟件實現(xiàn)
硬盤驅動程序實現(xiàn)分為初始化、打開設備、設備I/O操作和釋放設備等幾部分。
5.1
硬盤初始化與X86不同,在ARM
體系結構中,對內存和外設的訪問使用統(tǒng)一的指令,所以要對外設地址進行內存映射。也就是說,通過一張表將I/O地址映射到內存空間中來,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IDE控制器,就設置它的ide_hwif_t結構來反映這個控制器和與之相連的磁盤;向Linux的VFS登記每一個控制器,并分別把它加到blk_dev和blkdevs向量表中;請求控制適當?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):為每一個找到的IDE控制器在gendisk列表中增加一個條目。
IDE硬盤的初始化工作由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(一個控制器最多控制兩個硬盤),每個IDE硬盤對應一個ide_drive_t結構。
(2)對找到的每個IDE硬盤,調用函數(shù)ide_register_subdriver填寫各IDE硬盤結構中的相關信息域,主要是填寫其驅動程序結構ide_driver_t。硬盤驅動中的函數(shù)do_rw_disk通過向磁盤控制寄存器寫參數(shù)啟動磁盤操作,完成真正的數(shù)據(jù)讀寫。
(3)對找到的每個IDE硬盤,調用函數(shù)idedisk_setup進一步設置其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
打開設備
打開塊設備的操作與打開普通文件的操作基本相同。
(1)在當前進程的文件描述符表中為打開文件找一個空位,申請一塊內存,用于建立新文件的打開文件對象,即結構file。
(2)解析設備特殊文件名,獲得其VFSinode和dentry結構,根據(jù)dentry結構填寫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(zhí)行該文件操作集中的open操作,即blkdev_open,它根據(jù)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(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硬盤所對應的ide_drive_t結構;如果ide_drive_t結構中注冊有驅動程序,執(zhí)行驅動程序集中的open操作。
(5)將打開文件對象插入到當前進程的文件描述符表中,返回文件描述符,即打開文件對象在進程文件描述符表中的索引。[!--empirenews.page--]
5.3
設備I/O操作
讀寫塊設備時要用到塊緩沖區(qū)(bufer),對bufer的管理采用BuferCache機制。它管理bufer的創(chuàng)建、撤銷、回收、查找、更新等,同時還要與系統(tǒng)中的其它部分(如文件系統(tǒng)、內存管理等)交互。Linux將Buffer
Cache從塊設備驅動程序中獨立出來,作為對塊設備讀寫的通用機制,所以對塊設備的讀、寫、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()。
為了減少對塊設備操作的次數(shù),讀寫塊設備時采用延遲操作,盡量將多個讀寫操作合并,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),并為每類塊設備提供一個請求隊列用來排隊、合并、重組對該塊設備的請求。
當需要從硬盤讀時,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,生成一個讀請求,并將其加入相應的請求隊列排隊。
當需要向硬盤寫時,block_write()為此次寫操作生成一個buffer,而后生成一個寫請求,并將其加入相應的請求隊列排隊。
塊設備驅動程序提供了一個請求處理函數(shù),對硬盤而言是函數(shù)do_rw_disk。在適當?shù)臅r候,硬盤的請求處理函數(shù)啟動,do_rw_disk處理在請求隊列上排隊的請求,通過向硬盤發(fā)出讀、寫命令完成對設備的真正操作。其偽代碼如下:
DO_RW_DISK(COMMAND)
{
Set_Registers();
if(COMMAND=READ){
Set read_intr as interrupt process function
Send WIN_READ or WIN_MULTREAD
command to Command register
}
if(COMMAND=WRITE){
Send WIN_WRITE or
WIN_MULTWRITE command to Command register
Get the status of Status register
and set DRQ bit
Set write intr as interrupt process function
Senddatato buferin thedisk
}
}
5.4 釋放設備
由設備驅動程序中的release操作完成,一般完成與打開設備相反的動作:釋放打開設備特殊文件時在file結構上所創(chuàng)建的私有結構;如果是最后一個設備的釋放,則從硬件上關閉設備。
6 結束語
通過上述方法對IDE硬盤接口的設計與實現(xiàn),我們可以在S3C2410開發(fā)板上安全自由地對硬盤上的各種文件系統(tǒng)進行訪問,由于采用DMA方式,可以滿足用戶對速率的要求。