（水声工程专业论文）基于ide硬盘的数据采集存储系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sr e q u i r e dt h a to r i g i n a ld a t as h o u l db es t o r e di nr e a lt i m ef o rt h es a k eo f t h ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i so ft h e ma f t e r t i m e ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fa v i a t i o n a n ds p a c e 、t e l e m e t r y 、m o d e r ne l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n ds oo n u n d e rt h e b a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n tt h o s e ，t h e nt h e r ea r ec r i e sf o rt h eb u l k y 、l o w p o w e r 、r e l i a b l e 、s m a l l 、t w o p e n n yd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m s h a r dd i s k sa r ep l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m sf o ri t s s m a l lv o l u m e ，f o ri t sc a p a c i t ya n di t sd i r e c ta c c e s s t h e r e u p o n ，h a r dd i s k sa r ei n p l a c eo ft h ep a r a l l e lp r o c e s s i n gs y s t e m sa n dt h et a p er e c o r d i n gs y s t e m s i nu s u a l t h es t o r a g es y s t e m sb a s e do nh a r dd i s k sa r ea l w a y su s e di nc o m p u t e r s d e p e n d e n t l y , t h e ni tr e s u l ti nt h el i m i t so ft h es p e e d 、v o l u m ea n dt h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o n s o w ee x c o g i t a t e dt h es p e c i a lc o n t r o le q u i p m e n tf o rt h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m s t h i sp a p e ra n a l y s e st h eh i g hs p e e dd a t ac o l l e c t i o na n dt h er e a lt i m es t o r a g e d e s i g nw i t ht h eu s i n go f d s p 、f p g a 、c p l d 、d o u b l e - p o r t e dr a mo nb a s eo f l d e h a r dd i s k f o rt h es a k eo ft h el a t e rp r o c e s s i n go ft h ec o l l e c t i n gd a t aw h e nc o n n e c t i n g t h eh a r dd i s kt ot h ec o m p u t e ra f t e rt h ec o l l e c t i o na n di na l l u s i o nt ot h et y p eo ft h e f i l e si nt h eo p e r a t i n gs y s t e mt h a ts t o r e d ，t h ef a t 3 2f o rt h ed a t as t o r a g ea r e s p e c i f i e d t h em o d eo fp i oi sa d o p t e di nt h ew r i t ea n dr e a do fd a t e st r a n s f e r r e dt oo r f r o mt h eh a r dd i s k ，a sar e s u l t ，t h es p e e do ft h et r a n s f e r sa n dt h ed i f f i c u l t yf o r p r o g r a m m i n ga r em a t c h e d ， f o rt h ec o n v e n i e n c eo f t r a n s f e r r i n go ft h ec o l l e c t i n gd a t a ，w eu s e di n t e r f a c e o fu s bi nt h ed e s i g na n df u l f i l l e dt h e d e s i g no fas i m p l ep o r t a b l eh a r dd i s k t h ed e v i c eh a sb e e nd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y , d a t ao fs e v e r a lc h a n n e l sc a n s t o r e di nr e a lt i m ew i t hn ol o s i n g ，m e a n w h i l e ，t h ef i l e sc a nb eo p e n e da n dc a l lb e a c c o r d i n g l yd i s p o s e di nt h eo p e r a t i o ns y s t e m k e yw o r d ：d a t ac o l l e c t i o n ；i d eh a r dd i s k ；d s p ；f p g a ；f o r m a to ff a t 3 2 ； m o d eo f p l 0 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者( 签字) ：猛盔丝 日期：细侔f 月珀 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在航空航天、遥感测量、现代电子测试等很多领域，要求测试仪器设 备能及时保存原始测试数据，用于事后数据分析和处理。同时前端探测器 性能的提高，对于各种系统存储容量、体积、造价、稳定性等都提出了更 高的要求。为了实现较高的传输速率和较大的数据量，以往多采用多机并 行处理、传输和并行记录技术。但是这类系统具有对工作环境要求较高， 加之体积一般比较庞大、占用计算机机时等诸多缺点，很难适用于受空问 限制的特殊环境要求。因此研制性能可靠、体积小、造价低的数据存储记 录系统是十分必要的。 数据记录器在水声领域中的应用，近些年来主要经历了三个发展阶段： 第一个阶段：采用磁带记录仪阶段，这种磁带记录仪主要在2 0 世纪8 0 年代以前生产的海洋仪器中使用过，我国在国家七五攻关项目深海资料浮 标以及进口的安得拉水位计等产品上使用了磁带记录仪作为数据记录器， 这类磁带记录仪一般体积较大，功耗偏大，对于用电池供电的浮标来说， 是个较大的缺陷，且在磁带记满后，还需要通过回放器才能将磁带中的数 据回放出来。如果采用磁带机作为数据存储装置，就必须选用高性能磁带 机。因目前这种磁带机仍依赖于进口，并且与国产测试设备相互配合方面 存在技术要求高、工艺复杂、调整困难、体积大、价格昂贵等问题，所以 在应用上受到很大制约。 第二阶段：低功耗大容量静态存储器( s r a m ) 的出现，为海洋仪器研究 工作者提供了一个更好的数据保存方法，随之在一些海洋仪器上采用了 s r a m 作为数据记录仪，它的优点是，功耗低，回放容易，通过串行口，即 可将数据回放出来，缺点是，需要电池保护数据，且容量小，当要保存大 量数据时，需要用多芯片组合，s r a m 作为海洋仪器的数据记录仪只是一个 过渡阶段。 第三阶段：随着电子技术的发展，出现了各种各样的存储系统，并且 哈尔滨工程大学硕士学位论文 每一种存储系统都有其独特的优点。近年来作为数据存储媒介的硬盘，以 其大容量、高智能化接口、方便的控制能力等优点越来越受到人们的重视。 充分发挥硬盘的优势，脱离系统主机，可以为用户开发速度高、存储量大、 性能可靠的数据存储系统。 随着盘片技术及相关领域技术的发展，目前硬盘的种类及技术也是日 新月异，这样就在硬盘存储这个框架下出现了各种各样的硬盘存储方式。 利用p c 机普遍配置的普通i d e 硬盘构件的存储系统，它的总线传输速 率可以达到3 3 - - 1 0 0 m b s ，持续数据传输速率有1 5m b s ，价格便宜，容量很 大，传输速率在一般的水声领域基本还是可以满足要求的。 采用i5 0 0 0 r m i n 的小型计算机系统接口s c s i ( s m a llc o m p u t e rs y s t e m i n t e r f a c e ) 硬盘，总线素传输数据的速率为8 0 - - 3 2 0 m b s 。持续数据传输速 率小于4 0 m b s 。但是其价格相对较高，而且在市面上不易买到，开发时还 需要专门的s c s i 协议控制器。 f 】a s h 存储器具有不需电池维护，掉电后数据仍然不会丢失的特点，目 前已逐渐应用到各个领域。近年来生产的f l a s h 芯片不但容量增大了，且 数据写入和擦除仅需+ 5 v 电压即可，最重要的是由于与普通的硬盘相比它以 “电子转动”取代了普通硬盘读写的机械转动方式，使硬盘的读写速度达 到了前所未有的高度。但就目前而言它也存在着随着容量的增加，其价格 也是成倍的增长。 c f 卡容量大，现在已达2 g 、5 1 2 m b ，体积小，读写速度快，可与多种 电脑操作系统平台兼容，结实耐用，可多次读写。另外，它支持3 3 v 和 5 v 两种电源，耗电量小，在断电后数据依然能够保存，是一种很好的存储 载体。c f 卡的操作与标准的i d e 接口操作基本类似，转换后即成为标准的 i d e 接口，给编程可以带来不少方便。对c f 进行简单读写后，还进一步将 存储数据内容按照w i n d o w s 可以识别的标准文件格式写入c f 卡，通过读卡 器可将写入c f 卡的内容以标准文件形式读出。 磁盘阵列r a i d 自面世以来，应用非常广泛，技术也很成熟，目前已经 发展到第七代。但在我们的信号采集系统中，现成的r a i d 却难以应用，原 因是现在产品化的r a i d 都是基于p c i 总线的，不能脱离笨重的计算机。而 专门开发也存在很大的难度。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因此，从存储容量、读写速度和单位成本还有系统开发难度等诸方面 考虑，采用基于i d e 硬盘直接进行数据存储是很有优势的。 1 2 系统的设计思想及主要构成 本设计的主要内容是：利用d s p 器件对硬盘进行直接脱机管理，利用 硬盘大容量存储的有利条件对采集的数据进行实时的存储，可以使数据存 储摆脱笨重的微机，面同时可以做到数据的高速度、大容量、实时存储。 1 2 1 主要特点 基于上述原因，提出了采用d s p 控制器控制硬盘对高速采集数据进行 实时存储的方案，对长时间的采集数据进行无丢失存储，其最大的特点是 摆脱了计算机的限制，不占用机时。本系统的特点： ( 1 ) 采用p i o 模式的写盘方法，从而大大提高了写盘的速度； ( 2 ) 采用c p l i ) f p g a 可编程逻辑器件对部分电路集成，提高了系统的稳 定性和可靠性； ( 3 ) 具有较好的通用性，还有较强的可扩展性，可满足多种场合的需要 而无须改动任何硬件： ( 4 ) 以f a t 3 2 格式存储数据。实现硬盘的在线和脱线操作，简单实用： ( 5 )数据读出方式：一、将硬盘直接接入计算机 d e 接口操作系统界 面下编制专用数据处理软件访问并再现数据； 二、通过u s b 接口与计算机连按，控制板与计算机共同控制分时获 取硬盘的控制权( 需搔拔) ，从而进行数据的转移处理。 1 2 2 系统技术指标 以f a t 3 2 分区格式存储数据； 低功耗、高精度1 6 位a d 变换器； 高速率：在2 5 0 k h z 的采样频率条件下实现数据采集存储； 多通道：能实时采集1 6 6 4 1 2 8 通道数据并存盘 高速存盘、低噪声、可控性、可扩展性强。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 3 系统整体解决方案 a d 采样器件的选择 采样数据缓冲器 d s p 控制器 c p l d f p g a 运算放大器 主存储器 计算机接口控制器 选用6 通道2 5 0 k 采样率的高精度1 6 位a d s 8 3 6 4 模 数转换器件 ：选用双端口存储器i d t 7 0 v 2 61 6 k * 1 6 选用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 ( 9 ) ：m a x 9 0 0 0 系列的9 0 3 2 ：e p m l o k 5 0 e 2 0 8 ：o p a 2 2 7 ：i d e 硬盘 ：c y 7 c 6 8 0 1 3u s b 控制器 1 2 4 系统整体构成框图 图1 1 硬盘存储采集系统的原理框图 硬盘存储采集系统的原理框图如图1 1 所示。图中整个硬盘存储采集 系统分为四大部分( 1 ) 数据采集及其控制部分；( 2 ) 数据采集的数据缓 冲部分；( 3 ) 硬盘存储的主存储及其控制部分。( 4 ) 微机接口部分。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数据采集部分实现6 路或者1 2 路的1 6 位数据采集，每通道采集速度 2 5 0 k h z ，差分输入，可进一步的扩展到2 4 路或者更多。功能是将接收的 模拟信号转换成数字信号，两片a d s 8 3 6 4 ，1 2 通道，同时采样分时存储。 数据缓冲部分的功能使用：由于时序的不匹配，前端采集的数据无法 直接存入硬盘，因此需要一个缓冲存储器匹配缓冲，使数据采集和硬盘的 存储可以分别按照各自不同的时序和速度对缓冲存储器进行操作，解决了 不同时序的匹配问题。采用乒乓方式实现采集数据的高速无丢失存储。 硬盘的主存储及其控制及时序转换部分主要完成从双端1 ：3r a m 中将采 集的数据取出存入硬盘，而时序的转换部分完成各种时序的转换使各种时 序满足硬盘读写的要求。这一部分是本系统的中枢。 u s b 接口主要实现硬盘存储系统整机与p c 机之间的数据传输。硬盘采 集完毕之后，数据需要在计算机上进行处理，所以要实现硬盘存储系统与 p c 机之间的数据传输微机接口部分采用u s b 接口，实现存储完毕后数据转 移时的热插拔。一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章主存储系统原理 2 1 硬盘的基本常识 本论文的题目是基于硬盘的高速数据采集系统的研制，必然首先介绍 一下关于硬盘的一些相关的内容。说到了解硬盘，首要的一步是了解一些 有关硬盘的常识。关于硬盘，最重要的不外乎结构、磁头技术、接口、容 量、单碟容量、缓冲区容量、每分钟转速、平均寻道时间、平均访问时间、 数据传输率等概念，我们不妨一来看； ( 1 ) 结构 现在绝大多数硬盘在结构上都是温彻斯特盘。从1 9 7 3 年i b m 生产出第 一块温氏硬盘以来，后来的硬盘基本都沿用了这一结构，即采用温彻斯特 ( w i n c h e s t e r ) 技术，其核心就是：磁盘片被密封、固定并且不停高速旋转， 磁头悬浮于盘片上方沿磁盘径向移动，并且不和盘片接触。 ( 2 ) 磁头技术 硬盘读取数据是通过磁头来完成的。最早的传统磁头是电磁感应式磁 头，这些磁头是读写合一的，由于硬盘读、写操作的不同，这种二合一磁 头就必须要同时兼顾到读写两种特性，对硬盘的设计造成了不便。后来的 硬盘开始采用m r ( 磁阻磁头技术) 磁头这种分离式的磁头结构：写入磁头仍 采用磁感应磁头，而躲磁头则作为读取磁阻磁头，这样便可以得到更好的 读写性能。随着单碟容量的不断增加，终于到了m r 磁头的读取极限，于 是g m r ( 巨磁阻磁头技术) 磁头诞生了，现在单碟容量超过5 g 的型号都采用 了g m r 磁头，它比m r 具有更高的灵敏性。目前最新的磁头是基于第三代巨 磁阻磁头技术。 ( 3 ) 接口 硬盘的接口方式可以说是硬盘另一个非常重要的技术指标，这点从 s c s i 硬盘和i d e 硬盘的巨大差价就能体现出来，接口方式直接决定硬盘的 性能。现在最常见的接口有i d e ( a t a ) 和s c s i 两种，此外还有一些移动硬盘 采用了p c m c i a 或u s b 接口。 1 i d e ( i n t e g r a t e dd r i v ee l e c t r o n ic s ) ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i d e 接口最初由c d c 、康柏和西部数据联合开发，由美国国家标准协会 ( a t a ) 制定标准，所以又称a t a 接口。普通的硬盘几乎全是i d e 接口的。i d e 接口的硬盘可细分为a t a 一1 ( i d e ) 、a t a 一2 ( e i d e ) 、a t a 一3 ( f a s ta t a 一2 ) 、a t a 一4 ( 包括u l t r a h t a 、u l t r aa t a 3 3 ) 、a t a 一5 、a t a 一6 、a t a 一7 与s e r i a la t a 。 传输方式有p i o 和d m a 两种，支持总线为i s a 和e i s a 。后来为提高数据传 输率、增加接口上能连接的设备数量、突破5 2 8 m 限制以及连接光驱的需要， 又陆续开发了a t a 一2 、a t a p 和针对p c i 总线的f a s t a t a 、f a s t a t a 2 等标 准，数据传输率达到了1 6 6 7 m b 秒。1 9 9 9 年昆腾推出了u l t r ad m a 6 6 接 口，传输率为u l t r ad m a 3 3 的两倍，采用c r c ( 循环冗余循环校验) 技术以 保证数据传输的安全性，并且使用了8 0 线的专用连接电缆，现在市场上主 流的硬盘接口类型即为u l t r aa t a 1 0 0 。不过，在进入新世纪后，最有前景 的硬盘接口类型则该是u l t r aa t a 1 3 3 了，它的理论最大外部数据传输率 可以高达1 3 3 船s 。 2 s c s i ( 小型计算机系统接口，s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ) ： s c s i 并不是专为硬盘设计的，是一种总线型接口。由于独立于系统总 线工作，它的最大优势在于其系统占用率极低，但由于其昂贵的价格，这 种硬盘大多用于服务器等高端应用场合。而随着硬盘数量的增多，s c s i 共 享数据通道的优势将逐渐体现，此时就不是i d e 硬盘可比的了，即使你接 满4 块i i ) e 硬盘也于事无补，况且随着更高单碟容量( 如1 8 g b ) 的万转s c s i 与1 5 0 0 0 转s c s i 硬盘的普及，i d e 的单盘优势也不明显了。 ( 4 ) 容量 容量可以说是用户对硬盘认识最多的一个技术指标，它的单位是兆字 节( m b ) 或千兆字节( g b ) 。影响容量的两个因素是单碟容量和碟片数量。单 盘容量越大，实现大容量硬盘也就越容易，寻找数据所需的时间也相对减 少。现在硬盘的单碟容量一般都可以达到2 0 g 。如果单碟容量相同，那么总 容量的不同就意味着磁头数量( 即数据面数，一张磁盘有两个数据面，而 个数据面对应一个磁头) 的不同，这其中会与性能有什么关系呢? 由此 就要联系到柱面这一概念，柱面是指硬盘中每张磁盘上编号( 位置) 相同 的磁道集合，硬盘操作时，是从最外圈柱面开始，当该柱面所有磁道用完 后，再移至内圈的下个柱面，而不是先存完张盘再存一张盘。周系列 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的硬盘的柱面数是一样的，但每个柱面包含的磁道数要因磁头数而异，计 算公式为：磁道数= 磁头数x 柱面数。而同一柱面内的磁道切换速度通常要 快于柱面间的切换，对保持数据传输率更为有利。 ( 5 ) 缓冲区容量 很多人也称之为缓存( c a c h e ) 容量，单位为m b 。在一些厂商资料中还 被写作c a c h eb u f f e r 。缓冲区的基本要作用是平衡内部与外部的d t r 。为 了减少主机的等待时间，硬盘会将读取的资料先存入缓冲区，等全部读完 或缓冲区填满后再以接口速率快速向主机发送。这主要体现在三个方面： 预取( p r e f e t c h ) ：实验表明在典型情况下，至少5 0 的读取操作是连续读 取。即从缓冲区中读取而不用磁头再寻址，提高了访问速度。写缓存( w r i t e c a c h e ) ：通常情况下在写入操作时，也是先将数据写入缓冲区再发送到磁 头，等磁头写入完毕后再报告主机写入完毕，主机才开始处理下一任务。 具备写缓存的硬盘则在数据写入缓区后即向主机报告写入完毕，让主机提 前“解放”处理其他事务( 剩下的磁头写入操作主机不用等待) ，提高了整 体效率。为了进一步提高效能，现在的厂商基本都应用了分段式缓存技术 ( m u l t i p l es e g m e n tc a c h e ) ，将缓冲区划分成多个小块，存储不同的写入 数据，而不必为小数据浪费整个缓冲区空间，同时还可以等所有段写满后 统一写入，性能更好。读缓存( r e a dc a c h e ) ：将读取过的数据暂时保存在 缓冲区中，如果主机再次需要时可直接从缓冲区提供，加快速度。读缓存 同样也可以利用分段技术，存储多个互不相干的数据块，缓存多个已读数 据，进一步提高缓存命中率。 ( 6 ) 每分钟转速( r p m ，r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e ) 这一指标代表了硬盘主轴马达( 带动磁盘) 的转速，比如5 4 0 0 r p m 就 代表该硬盘中的主轴转速为每分钟5 4 0 0 转。其单位是r p m ( r o u n dp e r m i n u t e ，每分钟旋转次数) ，它直接影响硬盘的数据传输率，理论上转速越 快数据传输率就越大，使平均等待时间和平均寻道时间减短，更快地寻找 所需要的数据，同时硬盘的内部传输率也会提高，使读写速度加快。 ( 7 ) 平均寻道时间( a v e r a g es e e kt i m e ) 一般指读取时的寻道时间，单位为m s ( 毫秒) 。这一指标的含义是指硬 盘接到读写指令后到磁头移到指定的磁道( 应该是柱面，但对于具体磁头 哈尔滨工程大学硕士学位论文 来说就是磁道) 上方所需要的平均时间。除了平均寻道时间外，还有道间 寻道时间( t r a c k t ot r a c k 或c y l i n d e rs w i t c ht i m e ) 与全程寻道时间( f u l l t r a c k 或f u l ls t r o k e ) ，前者指磁头从当前磁道上方移至相邻磁道上方所 需的时间，后者指磁头从最外( 或最内) 圈磁道上方移至最内( 或最外) 圈磁道上方所需的时间，基本上比平均寻道时间多一倍。 ( 8 ) 数据传输率( d t r ，d a t at r a n s f e rr a t e ) 单位为m b s ( 兆字节每秒，又称m b p s ) 或m b i t s s ( 兆位每秒，又称 m h p s ) 。d t r 分为最大( m a x i m u m ) 与持续( s u s t a i n e d ) 两个指标，根据数 据交接方的不同又分外部与内部数据传输率。内部d t r 是指磁头与缓冲区 之间的数据传输率，外部d t r 是指缓冲区与主机( 即内存) 之间的数据传 输率。外部d t r 上限取决于硬盘的接口，目前流行的u l t r aa t a - 1 0 0 接口 即代表外部d t r 最高理论值可达i o o m b s ，持续d t r 则要看内部持续d t r 的 水平。内部d t r 则是硬盘的真正数据传输能力，为充分发挥内部d t r ，外部 d t r 理论值都会比内部d t r 高，但内部d t r 决定了外部d t r 的实际表现。磁 盘中最外圈的磁道最长，可以让磁头在单位时间内比内圈的磁道划过更多 的扇区，所以磁头在最外圈时内部d t r 最大，最内圈内部d t r 最小。 ( 9 ) 外部数据传输率 这是指从硬盘缓冲区读取数据的速率。它与硬盘的接臼类型是直接挂 勾的，因此在广告或硬盘特性表中常以数据接口速率代替，单位为m b s 。 目前主流硬盘普通采用的是u l t r aa t a 6 6 ，它的最大外部数据率即为 6 6 7 m g s 。而采用目前最新的u l t r aa t a 1 0 0 接口最大外部数据传输率即 可达到i o o m b s 。对于s c s i 硬盘，若采用最新的u 1 t r a1 6 0 ms c s i 接口标 准，其数据传输率可达1 6 0 m b s ，f i b r ac h a n n e l 的最大外部数据传输将可 达2 0 0 m g s ! ( 1 0 ) m t b f ( 连续无故障时间) 它指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间，单位是小时。一般硬盘 的岍b f 至少在3 0 0 0 0 或4 0 0 0 0 小时。 ( 1 1 ) 平均潜伏期( a v e r a g el a t e n c y ) 这一指标是指当磁头移动到指定磁道后，要等多长时间指定的读写扇 区会移动到磁头下方( 盘片是旋转的) ，盘片转得越快，潜伏期越短。平 哈尔滨工程大学硕士学位论文 均潜伏期是指磁盘转动半圈所用的时间。显然，同一转速的硬盘的平均潜 伏期是固定的。7 2 0 0 r p m 时约为4 1 6 7 m s ，5 4 0 0 r p m 时约为5 5 5 6 m s 。 除了以上提到的这些技术指标外，影响硬盘性能的还有磁道至磁道时 间、硬盘表面温度、噪声等因素，这里就不再赘述了。由于本系统是基于 i d e 接口的，下面就详细介绍一下i d e 协议。 2 2l d e 接口 目前，i d e 接口的几种通用形式仍然被广泛应用。i d e 是i n t e g e r a t e d d i s ke l e c t r o n i c s 的英文缩写，即集成磁盘电路设备。i d e 的另一个很流 行的名字叫做a t a 总线接口，这样称呼它的原因是它在驱动器的集成电子 方面模仿了i b ma t 计算机的硬盘控制器。实际上，i d e 接口的正式名字是 a t a t t a c h m e n t ( a t a ) 总线接口。 2 2 1 电气接口 i d e 接口a t a 标准中除包括信号电缆外，还有一些设备的供电电源导线。 2 2 1 1 信号电缆和连接器 i d e 接口使用的是一条4 0 针的带状电缆，一般来说，这条带状电缆的 长度不会超过4 6 c m ( 1 8 英寸) 。电缆连接器通常被安装在带状电缆的两端 用来连接主机和硬盘驱动器。几乎所有的信号都采用t t l 电平，只有少数 信号例外，如d a s p 、p d i a g 、i o c s l 6 和s p s y n c 。 2 2 1 2 电源电压 在磁盘驱动器中所采用的电源电压也符合a t a 标准。在下表2 1 中列 出了支持电源的一些特征参数。 表2 ia t a 协议电源管脚分配 管脚信号 1+ 1 2 v 2 地 3 地 4+ 5 v 哈尔滨工程大学硕士学位论文 22 13 信号 在a t a 标准中所用到的信号都已经在下表2 2 中列出。信号名字前一 表示是低电平有效。数据流的方向是相对于磁盘驱动器而言的：i 表示进入 磁盘驱动器，o 表示磁盘驱动器输出，r o 表示数据的传输是双向的。 袁2 2a t a 协议1 d e 针脚安排 名称来源信号管脚管脚信号 来源 名称 复位 i r e s e i l2 地地 数据线位7 i od d 734d d 8i o 数据线位8 数据线位6i 0 d d 756d d 9 i o数据线位9 数据线位5i o d d 77 8d d i oi o 数据线位1 0 数据线位4i o d d 791 0d d l l i o数据线位1 1 数据线位3i o d d 71 l1 2 d d l 2 i o数据线位1 2 数据线位2i o d d 7 1 31 4d d l 3 i o数据线位1 3 数据线位1i o d d 71 51 6d d l 4 i o 数据线位1 d 数据线位0i o d d 71 71 8 d d l 5i o数据线位1 5 地g r o u n d1 92 0n c ( 编码管脚) d m a 请求 0d 姒r q 2 l2 2g r o u n d地 i o 写id i o w2 32 4g r o u n d地 i o 读 i d i o r2 52 6g r o u n d地 i o 准备好 o1 0 r d y 2 72 8c s e l 电缆 d m a 确认i d m a c k 2 93 0g r o u n d 地 中断请求 o i n t r q3 l3 2i o c s l 6o 1 6 位传输 地址位lid a l3 3 3 4 p i ) i a g 通过诊断 地址位0 i d a o3 53 6d a 2i 地址位2 芯片选择0 i c s o 3 73 8 c s li 苍片选择2 驱动器激活o d a s p 3 94 0g r o u n d 地 c s o 、c s l 、d a o 、d a l 、d h 2 ：五根信号线用来选通各个寄存器组。在 这里应当特别注意对于其中两根信号取反( 低电平有效) 。 d a s p , 该信号可以完成两个完全不同的功能。每当我们启动系统或对 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统复位之后，1 号磁盘驱动器就会立即插入该信号以表明它的存在当系统 正常工作的时候，这个信号表明选通的磁盘驱动器正常工作，同时会显示 磁盘驱动器的工作状态。 d d od d l 5 ：这些信号可以直接从i s a 总线的数据线中获得。它们用来 向寄存器组和磁盘驱动器传送数据。 d i o w 和d i o r ：这两个信号是磁盘驱动器的寄存器读写时的一对问答 握手信号。本设计中所采用的p i o 读写不同的模式所对应的两者的读写时 序要求，特别是保持和建立的时间不同。这在设计中是必须注意的。 d m a r q 和d m a c k ：这两个信号是在主机和磁盘驱动器之间传输数据时的 一对握手信号。因为d m a 的特性是可选的，所以这些信号也是可选的。 i n t r q ：该信号是主机中产生中断的触发信号。 i o c s l 6 ：该信号用来通知主机将要进行一个1 6 位的数据传输。否则， 将要进行8 位的数据传输，使用d d o d d 7 的数据线。它仅仅适用于寄存 器到数据寄存器的访问，并不适用于访问其他的寄存器及d 姒传输模式。 i o r d y ：该信号是可选的。如果不使用该信号，那么必须把它设置成高 阻状态。如果使用该信号，表明此时信号控制寄存器不能访问寄存器，因 此，主机( 控制器) 必须延迟它的访问周期。 p d i a g ：该信号是启动协议的一部分。当驱动器完成了自检过程之后， 可以通过该信号通知主驱动器。可用于复位时的观察验证。 r e s e t ：该信号来自主机，用以对主从驱动器进行复位。 c s e l ：该信号是可选的，它允许磁盘驱动器改变自己的编号。如果把 该信号连接到某磁盘驱动器的接口上，那么该磁盘驱动器就是主磁盘驱动 器，并且编号为“0 ”，反之就是从磁盘驱动器，并且编号为“l ”。 2 2 2 时序特性 通过i d e 接口的数据传输可以有两种方法：通过可编程的i o ( p i o ) 和使用直接内存访问( d m a ) 。在这里仅仅就物理接口的传输方法的特性进 行一下介绍。在下面的内容中我们将作具体的介绍例如主机是如何对传输 进行设置的。 下面是有关时序的一些基本说明：a t a 标准为p i o 和d m a 定义了多种模式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模式0 是正常模式，但也是最陧的。在执行i d e n t i f yd r i v e 命令时d s p 读入到内部的硬盘参数中我们可以看到控制器采用了哪种模式。下表2 3 我们列出了每一种操作模式的循环周期和所能达到的数据传输速率。 表2 3 两种传输方式下循环时间和数据传输速率 模式 o1234 p i o 循环时间 6 d o n s3 8 3 n s2 4 0 n s 1 8 0 n s1 2 0 n s 数据率 3 3 m b s5 2 m b s 8 3 m b s1 1 1 m b s1 6 6 m b s 单d m a 循环 9 6 0 n s4 8 0 n s2 4 0 n s 数据率 2m b s 4 1 m b s8 3 m b s 多d m a 循环 4 8 0 n s1 5 0 n s1 2 0 n s 数据率 2m b s 1 3 3 m b s1 6 6 船s 在这个表格中我们不难看出两个很重要的事实： 首先，d m a 的数据传输速率不一定比p i o 模式高，它们依赖于当前选择 的传输模式。但是在多任务系统中，在处理多字节的d m a 的同时，处理器 还可以另外执行其他的任务。如果设备驱动器进行这样的设置的话，d m a 至 少在重负荷系统中还是具有很大优势的，但就本系统而言，负荷不大，再 加上p i o 模式对于编程简单，而速度上两者相差不大的情况下我们选择使 用p i o 传输模式进行数据的传输。 其次，正如d e t l e fg r e l l 在1 9 9 5 年8 月所写的文章 “g e s c h w i n d i g k e i t s r a u s h ” s p e e de c s t a s y 中所述，当采用模式2 时的 p i o 进行数据操作时，它可以达到8 3 m b s 的传输速率，足以满足当前最快 的磁盘驱动器的要求，因为当前最快的磁盘驱动器的速率仅为6 m b s 。 2 2 2 1p 1 0 数据传输 要对控制寄存器进行访问，必须通过p i o 模式才行。其中包括读取硬 盘的当前的状态、显示错误的信息、一些读写参数的设定和写入命令等操 作。对寄存器进行读写操作都可以通过p i o 或d m a 两种方式来完成。对于 我们使用的p i o 模式：之所以称为p i o ，是相对于d m a 而言的，每一次访问 操作都必须分别进行编程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 向我们描述了在实际的设计中所编写的一个p 1 0 访问的时序图。 pe l k o u t 1 丁 几几n n 几几n 丌n 几n n 几几几n 几几几n 几坍倒所 砷1 1 v l pi o s t r b j 渺a d d r 40 】 h ) 仪 1 2 誉 靛j ；芦d s p p o 只t hz z z z1 2 3 4 ； 籼i d e p o r th 1 2 3 41 2 3 4 i 谶妒i d e a d d r h1 2 1 2 盖 _ 街 d i o w 1 厂 幽d i o r _ j 图2 1 p i o 方式写硬盘的v h d l 访问时序图 本设计中都是通过利用p 1 0 模式进行数据传输，在默认状态下硬盘的 传输模式是采用p 1 0 2 传输模式，传输所需要的时间及其控制信号转换的时 间如上图2 1 所示。国中的i d e _ a d d r 就是我们前面所介绍的五根地址信号 c s 0 、c s l 、d a 0 、d a l 、d a 2 ，r w 和i o s t r b 是d s p 的输出控制信号，d i o w 和d i o r 是硬盘的读写控制信号，以上4 个信号都是低电平有效。 在启动任何读写传输之前，首先主机必须把传输需要的地址信息发送 到地址线上。五根地址信号线c s o 、c s l 、d a o 、d a l 、d a 2 ，然后等待7 0 n s 之后，对于读操作将要产生d 1 0 r 信号，对于写操作将要配合d i o w 信号。 在保持协议所要求的一段足够的时间后，对于读操作来说，硬盘这时就会 把要写入的数据发送到数据线上，并保持一定时间，这时可以通过d s p 将 数据线上的数据读入到d s p 内部，注意两者的时序的配合。 对于写操作来说，需要d s p 或者是缓存器将数据送到硬盘的数据线上， 这时无论是读还是写都在d i o r 或d i o w 的上升沿进行，进行数据的读写。 在数据的传输过程中，在d 1 0 w ( 写操作) 或d i o r ( 读操作) 信号取消之前， 数据必须一直保持有效状态。之后不久，地址、数据信号都将消失，从而 完成该循环周期。 整个周期在p 1 0 0 模式下将持续6 0 0 n s ，而速度较快的p 1 0 2 方式传输周 期仅需要2 4 0 n s 。 在本设计中并没有使用d m a 数据传输方式，这里并没有进行详细介绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3id e 协议 2 3 1l b e 控制器的寄存器模型 i d e 控制器的寄存器模型描述了控制器如何出现在主机系统中。其实正 是i d e 接口作了主机和控制器之间的数据传输的媒介。控制器属于a t a 标 准的接口描述。控制器中的状态位在协议中起着至关重要的作用。在某些 情况下，为了节省i 0 地址空间，常常用相同的地址标识不同的寄存器。 读和写不同对于相同地址表现不同的寄存器。这在编程中一定要注意。 i d e 接口与主机之间的通信主要是通过访问i d e 控制器的两组寄存器来 实现的。命令寄存器组用来给磁盘驱动器发送命令并进行数据交换；控制 寄存器组用来控制磁盘驱动器。i d e 控制器包括许多种寄存器，它们描述了 控制器如何出现在主机系统中，是i o e 接口与主机之间数据传输的媒介。 这些寄存器主要有： 数据寄存器、错误寄存器、特性寄存器、扇区计数寄存器、介质地址 寄存器、扇区号寄存器、状态寄存器、命令寄存器、设备控制寄存器等 表2 4i d e 接口寄存器及其寻址方式 c s 0c s la 2a 1a o读操作写操作 o1o 0 0数据寄存器数据寄存器 o1 o ol 错误寄存器特征寄存器 o1o1o 扇区数寄存器 o1o1ll b a 低位寄存器 ollo0l b a 中位寄存器 o1 1 0 ll b a 高位寄存器 01110 设备寄存器设备寄存器 ol111主状态寄存器 命令寄存器 ( 1 ) 交换状态寄存器( 读) 在这个寄存器中保存的数据与状态寄存器相同。但是，从该寄存器中读 哈尔滨工程大学硕士学位论文 取数据的操作不会影响到未响应的中断请求。这样在任何时候读取该寄存 器的内容不必担心会产生什么不良的影响。 ( 2 ) 设备控制寄存器( 写) 在这个寄存器中有两个数据位被定义和使用： s r s t ( 软件复位) ：这个数据位设置为“l ”，磁盘驱动器就会处于复位 状态。当这个数据位变为“0 ”时，相应的磁盘驱动器就会执行启动操作。 本程序中的软件编程中得到了体现，在程序开始时设置硬盘复位、启动。 i e n ( 中断允许) ：该数据位是低电平有效的。“0 ”表示中断是允许的， “l ”表示中断是禁止的。 ( 3 ) 状态寄存器( 读) 在状态寄存器中保存了执行最后一个命令时磁盘驱动器的状态。 当 对该寄存器进行读写操作的时候，将会清除尚未响应的中断请求信号。为 了避免发生这种情况，我们可以读取另一个交换状态寄存器的内容。在每 一个寄存器中都包含了下列的数据项信息。( 如表2 5 所示) 表2 5i d e 状态寄存器 76 i 5 432l0 b s yd r d yd fd s c d r q c o r ri d xe r r b s y ( 忙) ：如果此位被设置成“1 ”，状态寄存器中的其他位都将失去意 义。当控制器访闯命令寄存器组时b s y 位通常被设置为“l ”。在访问命令 寄存器组的过程中，主机不能再访问任何其他的寄存器。 d r d y ( 驱动器准备好) ：该信号表示驱动器已经准备好接受命令。当驱 动器被使用时，该信号保持为“0 ”，直到驱动器再次恢复空闲，并准备接 受新的命令。 d f ( 驱动器错误) ：该信号表明驱动器产生了一个错误。 d s c ( 驱动器寻址完毕) ：该信号表明磁头已经被设置在所要访问的柱面 上。 d r o ( 数据请求位) ：当驱动器和主机想要通过数据寄存器交换一个字节 的数据时，该数据位将会被置“1 ”。在本设计的读写操作过程中，在执行 完读写扇区的命令后，必须检查此位是否被置位，之后才可以进行数据通 过数据寄存器的转移。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o r r ( 可修改错误数据