（计算机应用技术专业论文）大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。 对本论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示感谢。 作者签名：缎 日期：t 翌址主：! ，l 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留和使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 学位论文作者签名 日期：型芏盘! ， 粒 i 保密的学位论文在解密后适用本规定。 新签名：趔华 臼期：地! 垡；j 2 华东师范大学硕士学位论文大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究 摘要 随着微处理器技术的发展以及通信、控制、消费类电子产品等嵌入式应用的迅速发展， 嵌入式系统已逐渐深入到人们生活的方方面面。在这其中，有相当大的一部分应用需要存 储和管理大量的数据，而且对存储容量、存取速度以及数据共享等方面的要求越来越高。 本文的开始部分对上述情形作了介绍，指出了研究“大容量存储设备在嵌入式系统中的应 用”的必要性，并把需要开展的研究工作划分为几个方面。 本论文首先介绍了两种通用的大容量存储设备，分析了与其相关的一些技术问题，包 括i d e 硬盘的物理特性、接口，n a n df l a s h 存储器的物理特性；接着详细分析了大容量 数据存储和管理的细节问题，包括基于n a n df l a s h 的f f s 的功能结构，f a t 文件系统的 原理结构，同时为了能够通过u s b 接口实现系统之间交换数据，还详细介绍了u s b 接口 原理。 接下来的实现部分，本文设计了应用的体系结构模型，并以此模型为基础加以实践。 选择性价比高的存储媒介，a t a 硬盘和n a n df l a s h 存储设备，在无o s 支持的嵌入式系 统中实现基于i d e 硬盘和n a n df l a s h 存储设备的大容量数据存储以及通用的数据管理方 法即f a t 文件系统和f l a s h 文件系统( f f s ) ，然后在其上进一步引入u s b 接口进行数据交 换，使得本地系统能和其他通用系统轻松实现数据交换和基享。最后，针对本文的实现方 案进一步的做了定量的性能比较分析，为实际应用提供一定的参考。 在最后一部分中，列举了_ r 本文所实现的两个应用实例。并指出了进一步研究有待开展 的工作和以及意义。 关键字 嵌入式系统，大容量存储设备，磨损控制，碎片回收，a t a ，f f s ，f a t u s b 箱1 页共6 7 页 华东师范大学硕士学位论文大容量存储没备在嵌入式系统中的应用研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep r o c e s s o rt e c h n o l o g i e sa n de m b e d d e da p p l i c a t i o n ss u c h a sc o m m u n i c a t i o np r o d u c t s ，e l e c t r o n i cc o n s u m e rg o o d ，e t c ，e m b e d d e ds y s t e m si s p e n e t r a t i n g i n t ot h ee v e r y , a s p e c to fs o c i a ll i v i n gs p a c e m a n ye m b e d d e ds y s t e m si n v o l v e dah u g ea m o u n to f d a t a m a s sd a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n ti sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n t m a n ye m b e d d e ds y s t e m s r e q u i r eh u g ev o l u m eo fd a t es t o r a g e ，f a s td a t aa c c e s ss p e e da n da l s ot h em o s tc o n v e n i e n tw a yo f d a t as h a r ea n dd a t ae x c h a n g e t h ea b o v ei si n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，a n dt h e p a p e re x p l a i n st h er e a s o nw h yd o i n gr e s e a r c ho nt h ei m p l e m e n t a t i o no fm a s ss t o r a g ed e v i c ei n e m b e d d e ds y s t e mi sn e c e s s a r y t h es e v e r a la s p e c t so f t h er e s e a r c ha r ea l s om e n t i o n e dh e r e i nt h em a i np a r to ft h i st h e s i s ，t w og e n e r a lm a s ss t o r a g ed e v i c e sa r ei n t r o d u c e da n ds o m e r e l a t e dt e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ep h y s i c a lf e a t u r e sa n di n t e r f a c eo fi d e d e v i c ea n dt h ep h y s i c a tf e a t u r e so fn a n df l a s h i ns u c c e s s i o n ，t e c h n o l o g i e sr e l a t et oh u g e a m o u n to fd a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n ta r ea n a l y z e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h et h e o r ya n ds t r u c t u r e o ff a tf i l es y s t e m a n do ft h es p e c i a lf l a s hf i l es y s t e mf f sf o rn a n df l a s hl a s t i no r d e rt o e x c h a n g ea n ds h a r ed a t ae a s i l yw i t ho t h e r ss y s t e mt h r o u g hu s b ，t h eu s bp r o t o c o la r ed e s c r i b e d i nd e t a i l i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h i st h e s i sd e s c r i b e das t r u c t u r em o d e lf o ra p p l i c a t i o n sa n da l s o r e a l i z e di ti ns t e p s a t ad i s ka n dn a n df l a s ha r et w om o s tg e n e r a ld e v i c e so ft h e s em a s s s t o r a g ed e v i c e s t h i sp a p e rr e a l i z e dam a s sd a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n ts y s t e mo ni d ed i s ka n d n a n d f l a s h s p e c i a l l y , t h ed a t am a n a g e m e n ti sr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fw i n d o w s f i l es y s t e mf a t t h en a n df l a s hf i l es y s t e m ( f f s ) i sa l s or e a l i z e d t h eu s bf o rm a s ss t o r a g e d e v i c ei sa l s oi m p l e m e n t e dh e r ei no r d e rt os h a r ea n de x c h a n g ed a t aw i t ho t h e rs y s t e m se a s i l y , l a s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m s t h er e s u l t so ft h e s ea n a l y s e sc a n p r o v i d er e f e r e n c ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ，m a s ss t o r a g ed e v i c e ，w e a r - l e v e l i n g ，g a r b a g ec o l l e c t i o n ，a t a ，f f s ，f a t u s b 第2 页共6 7 页 2 华东师范大学硕士学位论文大容量存储设各在嵌入式系统中的应用研究 引言 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪的应用系统。根 据应用的不同，嵌入式系统对功能、可靠陛、成本、体积、功耗等也有特定的不同的要求。 随着计算机和相关电子技术的发展，器件的性价比不断提高，功耗、体积、可靠性等也日 益改善，使得嵌入式技术应用到了越来越广泛的领域。从工业控制、航空航天、军事装备、 网络通讯，到医疗仪器、贸易金融以及消费类电子产品，都有嵌入式系统的应用。随着应 用领域的不断扩大和深入，嵌入式系统越来越复杂，规模也不断的扩人，而在其中有相当 一部分应用都需要对大量的数据进行存储管理，相对于传统的应用，在系统中数据存储的 容量、性价比以及数据共享性等方面都提出了更高的要求，传统的嵌入式系统中的数据存 储已不能满足这些新的要求。在这种情况下，研究和开发嵌入式系统中的大容量数据存储 的应用就愈加显得迫切和意义重大。 目前，虽然对这方面的问题的研究分析工作在国内外都有开展，但由于通用大容量存 储设备的软硬件接口都比较复杂，标准的数据存储管理方法和通用接口技术都存在相当的 复杂性，导致许多问题的解决方案都不具各通用性和缺乏灵活性，在各方面都还有许多的 研究工作可以展开。 本论文针对数据存储、数据管理和数据共享几个方面的问题进行了研究分析，提出了 一个理想的解决方案，选择具体的硬件平台对该方案进行了实现，并且对系统性能进行了 比较分析，为实际应用提供一定的参考。 第5 页共6 7 页 华东师范大学硕士学位论文大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究 第1 章概述 1 1 研究大容量数据存储在嵌入式系统中应用的必要性 1 1 1 现代嵌入式计算机系统对数据存储提出的要求 进入2 i 世纪后，各种嵌入式技术都取得了突破性的进展，嵌入式系统也广泛的应用到 工业制造、远程控制、电信通讯、军事装各、消费类产品等方面。嵌入式计算机系统技术 发展主要有几个环节，即构成嵌入式系统的儿大部分：微处理器、存储设备、总线标准、 i o 外设。8 0 年代到9 0 年代，嵌入系统的技术关键在于如何提高微处理器的速度和效率。 随着制造工艺的成熟和体系结构的不断优化，如今无论面向低端应用还是高端应用，从8 位到6 4 位，都有很大选择范围，能够很好的完成复杂的数据信息处理。现在需要更多考虑 的是如何有效地存储和管理越来越多的数据，以及如何应用这些数据。信息存储空间日益 拥挤，信息数据的采集和数据管理体系的复杂程度越来越高，2 1 世纪信息技术的浪潮：肾在 存储领域兴起。目前全球包括计算机系统、软件、网络以及家用和服务等领域的存储市场 已超过1 0 0 0 亿美元，成为2 1 世纪的信息主要市场。 现代嵌入式应用对嵌入式计算机系统的数据存储的要求具体有以下几个方面： 冀 存储容量：早期的嵌入式计算机系统应用相对简单，对存储设备容量的要求也比较低。 在许多简单应用的嵌入式系统中，除了程序代码运行所需的少量存储之外，无需使用 大容量的存储设各。而如今在通信、消费电子产品和多媒体等领域的应用中，存在大 量的数据，必须使用大容量存储设各来存储数据，而且随着多媒体和消费电子等嵌入 式设备的发展，从图片、音频到视频，系统面临的数据量越来越大，存储设备的容量 要求也迅速提高。 冀 硬件接口：即存储设备接入系统的方式。目前存储设备的接口呈现多元化的发展格局， 其中主要以s c s i 、i d e 、u s b 、i e e e l 3 9 4 为代表。接口直接影响存储设备的访问速度， 关系到实现的难易程度以及成本等问题。 嚣 数据共享：现在的嵌入式应用系统通常都不是孤立单一的，都需要和其它系统例如通 用p c 系统进行数据交换，因此，系统的应用价值则很大部分要取决于系统数据的共 享性，也就是系统之间交换数据是否方便，数据的存储格式是否兼容。 嚣 访问速度：微处理器的数据处理速度越来越快，存储设备的访问速度真接影响到系统 的整体数据处理速度。影响存储器的访问速度的因素有存储媒介的种类，硬件接口以 及数据存储结构。 嚣 可靠性：可靠性是数据存储的最重要因素之一，直接影响到系统的整体可靠性。这种 要求在某些特殊应用的嵌入式计算机系统中表现得尤为重要，如一些敏感数据采集、 商业数据记录等应用。 嚣 实现难度和造价：嵌入式系统通常需要针对具体需求进行专门的设计与制造，这就要 求其中的存储设备软硬件技术都相对成熟，并且能够很方便的很好的集成在不同的应 用系统中，有关元器件商品化程度高，造价低，这样才能适应竞争目益强烈的市场。 1 1 2 几种常用存储媒介 纵观当今的存储器市场，可谓是百花齐放，一片姹紫嫣红的大好景象。常用的存储媒 介主要有以下几种： 1 、随机读写存储器r a m 有静态和动态之分，分别称为静态读写存储器s r a m 和动态读写存储器d r a m 。访问 第6 页共6 7 页6 华东师范大学顿士学位论文大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究 速度快，但成本高，容量小。这是在传统的嵌入式系统中使用最为广泛的一类存储器。 2 、非易失闪存( f l a s h m e m o r y ) 这种存储器既不会闪光也不会闪烁，也不是说这种存储器是”极高速”的。其名字的本 意说，是指相对传统的e e p r o m 芯片，这种芯片可以更快速地擦写。所以一般也成为“快 擦写”存储器。或称作f l a s h 存储器。 f l a s h 存储器主要有n o r 和n a n d 两种技术。由于快擦写存储器不需要存储电容器， 故其集成度更高，制造成本低于d r a m 。它使用方便，既具有s r a m 读写的灵活性和较快 的访问速度，又具有r o m 在断电后可不丢失信息的特点，所以发展迅速，在嵌入式系统 中的应用也越来越广泛。 3 、磁性存储媒介 传统的大容量存储设各使用的媒介，如今依然是保存数据的最佳方式之一，主要表现 为磁带和磁盘。磁带多用于超大容量的移动数据存储，由于访问速度的限制，现在多用于 大量的数据备份。磁盘常见的有软盘和硬盘。软盘由于其容量太小、速度太慢以及可靠性 太差已经逐步淘汰。硬盘以其在速度、容量、体积与价格方面有着无与伦比的优势与潜力， 已经发展为晟通用的大容量存储设备之一。目前己成熟的广泛应用于通用计算机系统中， 但在嵌入式系统专用系统中的应用仍处在研究试验阶段。 1 1 3 嵌入式计算机系统中数据存储的现状 目前，嵌入式系统中应用较多的存储媒介多为n o rf l a s h ，带电保护的s r a m 等，存 储信息量有限，性价比不高，仅适合少量数据存储的应用系统。一些性能优良价格低廉的 通用大容量存储设备，如a 队硬盘、n a n df l a s h 存储设备等，在通用p c 平台上和许多消 费类电子产品中应用虽已是趋于成熟，但由于软硬件接口都比较复杂，很多关键技术对开 发者公开程度不高，因此在嵌入式计算机系统的应用还存在较：t 的困难。 加上标准文件系统和通用接口技术的复杂性，即使一些应用系统中采用了通用大容量 存储设备，却很少支持通用的数据的存储结构，大部分采用的些特殊的存储数据结构， 与通用数据结构如标准p c 文件系统不兼容，因此难以实现数据共享，往往需要第三方软 件的支持才能共享数据。而且，在系统的开放性上，要实现一个根好的数据交换接口还存 在很多技术难点，越是简单又灵活的接口，实现越是困难，以至于当前很多系统都缺少一 个方便的数据交换接口，数据仅能为本地应用所用，系统之间难以进行数据交换，导致系 统孤立封闭，从而大大的影响的系统的实用价值。 由此可见，目前嵌入式计算机系统中大容量数据存储的现j 陕还不能很好的满足现代应 用提出的新的要求，还存在很多研究工作需要展开，因此，对大容量数据存储在嵌入式系 统中的应用的进行深入研究是十分必要的。 1 2 本论文的研究内容 衡量一个系统的数据存储的应用性能的优劣，主要有三个方面： 一是存储设备自身的性能优劣。这主要是从设备容量大小、软硬件接口的复杂性和通 用性、价格高低、访问速度快慢等方面进行衡量。通用大容量存锗媒介如硬盘、n a n df l a s h 等，兼有容量大，性价比高、通用性强等优点，如果应用于嵌入式系统中，将使得嵌入式 系统的数据存储性能大大提高。 二是系统数据的存储管理方式。这主要是指数据存储结构是否标准，应用是否广泛。 采用一种标准的、应用广泛的数据存储管理方式，例如f a t 文件系统，不用任何第三方软 件支持就能使得系统的数据为通用系统所用，同时本地系统的应用也能直接使用来源于其 第7 页共6 7 页 华东师范大学硕士学位论文 大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究 它通用系统的数据。这样将大大提高数据的共享性，从而使得系统具有更广泛的应用性。 最后是系统与外界进行数据交换的接口：要提高系统的开放性，如果缺少交换接口， 数据仅限于本地使用，兼容的数据存储格式也无用武之地，因此采用通用的接口也是很重 要的。而接1 2 1 使用的方便性以及数据传输的速率，直接影响到系统的性能和实用性，采用 一个灵活通用的接口，如u s b 接口，这样才能轻松方便的进行数据交换。 本文的按照以上三方面针对嵌入式系统中的数据存储新要求，选择a r a 硬盘和n a n d f l a s h 存储设备，两者都具有大容量和很高的性价比，但各有其不同的优势。前者技术成熟 和海量的数据存储量以及非常稳定可靠的性能优势可以针对需要超大容量数据存储以及系 统可靠性要求很高的嵌入式系统应用，而n a n df l a s h 以其低功耗和轻便小巧的优势则可 以针对嵌入式移动设各存储的系统应用。本论文将在无o s 支持的嵌入式系统中分别实现 基于1 d e 硬盘和n a n df l a s h 存储设备的大容量数据存储，并且在其上进一步研究和实现 通用的数据存储结构即f a t 文件系统和f l a s h 文件系统( f f s ) ，以及研究u s b 接口的通信 原理，最后在系统中引入u s b 接口进行数据交换，最终使得本地系统能和其他通用系统轻 松实现数据交换和共享。 第8 页共6 7 页 华东师范大学硕士学位论文犬容量存储没备在嵌入式系统中的应用研究 第2 章关键技术的研究 2 1相关技术的引入 在嵌入式计算机系统中大容量数据存储涉及的技术主要三个方面：数据存储、数据管 理和数据共享。 数据存储方面的技术是指具体存储硬件设备，包括存储媒介的物理特性，接口驱动等 技术。对此，本章将介绍目前通用的 d e 硬盘，分析研究a t a 接口：详细分析n a n df l a s h 存储器的相关技术。 为了合理安排海量的数据，高效率的存储和访问数据，数据管理是必需的。这方面的 技术就是通常所说的文件系统。本章将研究f a t 文件系统的功能原理和结构。 随着嵌入式系统应用越来越广泛，系统之间数据的共享也显得越来越重要。例如消费 类电子产品，通常都需要能够和通用p c 机进行数据交换。因此，除了本地系统的数据存 储和管理之外，如何在不同应用系统之间实现数据的共享也是很重要的。正是出于对此的 考虑，所以本论文选择应用广泛的标准的f a t 文件系统来作为系统的数据管理方式，这样 无须任何软件支持，本地系统可以直接和所有支持f a t 的应用系统实现数据共享：另外， 为了方便的进行数据交换，采用目前热门的u s b 接口技术，分析u s b 大容量存储设备， 以支持通过u s b 接口交换数据。 2 2 i d e 硬盘研究 目前，硬盘的制造技术不断成熟，容量越来越大，单碟已达8 0 g ，速度也越来越快， 内部最高传输率可达9 5 m s ，因此硬盘已成为最通用的大容量存储设备。在嵌入式系统中 采用硬盘来存储海量信息数据，具有性能稳定和性价比高等优点。下面将详细介绍i d e 硬 盘的相关技术。 2 2 1 物理介质组织 硬盘驱动器的磁碟由一定量的可写表面组成，每张磁盘上都有一些同心圆，这此同心 圆被称作磁道，数据就存储在磁道上。磁道被进一步划分为扇区，扇区是最小的读写单位。 访问扇区时，读写头首先被定位在正确的磁道上，等到正确的扇区转到读写头下面的时候， 驱动器就开始读取数据，读写扇区的时候是以位为单位串行进行的。 一个硬盘驱动器一般可包括1 8 张磁盘，磁盘的每一面都可用于读写。磁盘的每个表 面都有自己的读写头，但是在同一时间只有一个磁道能被读写，磁头被定位在某个磁道上， 磁道上的能被磁头所访问的某一位置被称为柱面。这样组织的一个好处就是，驱动器的每 个扇区都可以被柱面、磁头和扇区号所唯一确定。 2 2 2 物理驱动器特性 硬盘物理驱动器使用一个称为i n d e x 的接口信号来标识磁道的起始位置。当磁头恰好 到达该位置的时候，它就产生一个脉冲，这就是该磁道的第一个扇区开始的地址。在其他 扇区的起始处，由另一个接口信号s e c t o r 产生一个脉冲，如果s e c t o r 脉冲是由硬件电 路直接产生的，这种驱动器就被称为硬分区的的驱动器；如果扇区的开始信号是由磁头从 存储介质中读取出来的话，这种驱动器就被称作软分区的驱动器。 一个扇区是由很多不同的区段组成的，它们通常被称作扇区格式，不同接口扇区格式 不同。一个典型的格式可以描述如下。首先是同步区段，接下来是地址段，包含柱面、磁 第9 页共6 7 页 9 华东师范大学硕士学位论文 大容量存储设蔷在嵌入式系统中的应用研究 头和扇区序号的信息。有了这些信息，控制器就可以确定读或者写正确扇区，地址段之后 是循环冗余校验码( c r c ) 段，它用来检奁读的地址是否正确，以上所有这些字段合起来被 称为头标。接下来就是数据段，在这里有一个同步段，接着就是该扇区的实际数据。主要 数据段有一定量的错误纠正码( e c c ) 段。纠错码允许控制器检测数据是否被正确读写，还可 以用以纠正某些不正确的读敷位。最后结束处是一个小小的间隔( g a p ) 用来消除电机转速上 的差异，在个扇区上数据字：宵数是和它的格式化容量相匹配的。格式化扇区的典型尺寸 是5 1 2 、1 0 2 4 和4 0 9 6 字节。 硬盘驱动器介质只有在被格式化之后才能被用于数据存睹。格式化过程包括在扇区中 写入头标、数据段。通常整个驱动器被一次格式化。 读写扇区时，磁头被定位在正确的柱面上，该磁头就会读取各个扇区头标，直到要读 扇区的地址段出现，紧跟在该头标后的数据就是所希望读到的数据。 为了在传递大块数据时获得更高的吞吐量，控制器通常把数据放在一个磁道上。如果 数据占用空间多于一个磁道空间的时候，那么位于同一柱面的下个磁头所在的磁道就被 使用。依此类推，直到整个柱面被充满。这样组织是因为切换磁头所需要的时间耍比切换 磁道的时间少得多。只有在按个柱面都被使用以后，磁头才必须转到下一个磁道，重复上 面的过程进行分配数据。 通常驱动器有两种容量，未格式化的容量是指每个磁道的位数、柱面数目和磁头数目 的乘积，它的数量通常以字节计算，和扇区格式无关。格式化以后的容量依赖于所采用的 扇区格式，是扇区数据区字节数、每磁道扇区数和磁头数的乘积。 传输率是指串行化的每位被磁头读写到磁盘上的速度，它是每个磁道的位数和磁盘的 转速的乘积。 吞吐量也就是驱动器在接口上读取的数据量。把字节传输率除以读完一个磁道所需要 的旋转次数，然后乘上0 9 ，就可以得到近似的吞吐量。 2 2 3a t a 的引入 硬盘接口i d e ( i n t e g r a t e d d r i v ee l e c t r o n i e s ) 也称为a t 总线接口，是当前硬盘驱动器 普遍采用的一种接口。它最早由t e x a n 和c o m p a q 公司提出，目的是把硬盘控制器嵌入到 驱动器中。1 9 8 8 年1 0 月，a n s i 中的x 3 t 9 2 工作组的一个委员会开始讨论i d e 的有关问 题。1 9 9 3 年2 月发表了该标准的3 1 版本，使其成为正式的a n s i 标准，并赋予了一个新 的名称a 1 1 a ( a ta t t a c h m e n t ) 。从概念上说，a t a 与i d e 具有基本相同的含义，在讨 论通常意义上的接口时，一般使用i d e ，从a n s i 标准的意义上说，将会使用a t a 。随着 硬盘各种相关技术的进步以及软件系统要求的不断提高，a t a 标准也在不断的演变改进， 近年来出现了以下几个版本： l 、a t a - 2 1 9 9 5 年秋天a t a 2 标准发表。该标准兼容a t a ，并扩展了一些功能。它不仅增加了快 速p i o 模式和d m a 模式，而且提高了即插即用性及与未来版本的兼容性。同时随着大容 量硬盘推出，它还增加了一种新的寻址方式l b a 以满足需要。 2 、a t a - 3 a t a 3 并没有提出更快的模式，而是增加了一些新命令和精确定义的程序。这个版本 的标准的主要特征是提高了稳定性，尤其是p i om o d e4 的稳定性：提供了一种简单的基于 口令的安全方案；更复杂的电源管理；自我监视、分析、报告技术( s m a r t ) ，使得驱 动器能警告用户一些紧急错误。 第l o 页共6 7 页 华东师范大学硕士学位论文 大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究 3 、a t a 4 ( u l t r a a t a ) a t a 一4 提出了种新的高性能的传输模式u l t r a d m a ，在概念上类似丁u l t r a s c s i ， 它在以前的a t a - 3 标准和未来的新标准之问架起了一座桥梁，主要起到种过渡的作用。 目前，它的带宽己达到1 3 3 m b p s ，已接近并行a t a 的极限。i n t e l 的p e n t i u mi i 芯片组和 t xp e n t i n u m 芯片组支持这种模式。 4 、a t a p i a t a 的一种相关标准，是a t a t t a c h m e n t p a c k e t i n t e r f a c e 的英语缩写。它是非硬盘存储 如c d r o m s 等设备定义的接1 ：2 1 。物理接1 2 i 上和a 1 a 接口是完全兼容的，只是软件实现不 同。支持a t a p i 的i d e 接口可以像连接硬盘一样连接a t a p i 设备。 2 2 4 i d e 物理接口 i d e 接口的a 1 a 标准定义包括主机和没各之间的物理连接、信号电缆和电源线的电气 特征、互连信号和逻辑特征，还详细描述了存储设备中可操作的寄存器以及各种命令和数 据传输协议。 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 乎所有的信号都是采用t t l 电平，只有少数几个信号例外，如d a s p 、p d i a g 、i o c s l 6 和 s p s y n c ：p s e l 。引脚信号定义如表2 1 所示。y ”表示低电平有效，数据流方向是相对于磁 盘驱动器而言的，i n 表示从主机到设备，o u t 表是从设备到主机，i o 表示数据的传输是 双方向的。 引脚信号信号描述方向引脚信号信号描述方向 1r e s t 复位 i 2 g n d 地 3d d 7数据位7i 04d d 8 数据位8 i o 5d d 6 数据位6 i ，o8d d 9 数据位9 i o 7d d 5 数据位5 i o9d d l o 数据位1 0 i o 9d d 4 数据位5 i ，o1 0d d l l 数据位1 2 o 1 1d d 3 数据位3 i o1 2d d l 2 数据位1 2 i o 1 3d d 2 数据位2 i ，o1 4d d l 3 数据位1 3 i ，o 1 5d d i 数据位i i ，o1 6d d l 4 数据位1 4 i o 1 7d d o 数据位0 i o1 8d d l 5 数据位1 5 i ，o 1 90 n d 地 2 0n c 未用 2 1 d m a r qd m a 请求 o2 2g n d 地 2 3，d i o w 写选通 i2 4g n d 地 2 5，d i o r 读选通 i2 6g n d 地 2 7i o r d y 通道就绪 o2 8s p s y n c ：c s e l 同步电缆选择 2 9d m a c kd m a 应答i3 0g n d 地 3 1 i n t r q 中断请求 o3 2 ，i o c s l 61 6 位i ，oo 3 3d a l 地址1 i3 4 ，p d i a g诊断完成o 3 5d a o 地址0 i3 6d a 2 地址2i 3 7，c s o 片选0i3 8c s l片选li 3 9d a s p 驱动器激活 o 4 0g n d 地 表2 1i d e 引脚信号定义 第1 1 页共6 7 页 华东师范大学硕士学位论文大容量存储殴各在嵌入式系统中的应用研究 算 c s 0 ( c s i f x ) ：用来选通命令寄存器组。当地址在i f 0 h i f f h 之间的某一端口被防 问时，该信号需设置为有效。在a t a 1 标准中，该信号被称为c s i f x 。 篱 c s l ( c s 3 f x ) ：用来选通控制寄存器组。当地址在3 f 0 h 3 f f h 之间的某一端口被访问 时，该信号需设置为有效。在a t a 1 标准中，该信号被称为c s 3 f x 。 嚣d a 0 d a 2 ：地址信号，方向从主机到设备。主机通过d a 0 - d a 2 来选择设备的某个数 据寄存器或数据端口。 嚣 d a s p ：当在启动系统或对系统进行复位之后，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在工作， 同时也会显示磁盘驱动器的工作状态。 冀d d 0 d d l 5 ：数据信号，双向，可以有8 位和1 6 位两种数据传输方式，低8 位用于8 位寄存器传输，数据传输为1 6 位。 嚣 d i o r 和d i o w ：这两个信号是对磁盘驱动器的寄存器进行读写操作时的一对握手控 制信号。 嚣 d m a r q g d m a c k ：这两个信号是在主机和磁盘驱动器之间采用d m a 方式传输数 据时的一对握手信号。因为d m a 是可选的，所以这些信号也是可选的。 嚣 i n t r q ：主机中的产生中断的触发信号。 端 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，同时，将会使用d d 0 - d d 7 的数据线。但是，它仅仅适用于寄存器到数 据寄存器的访问，不适用于访问其他的寄存器及d m a 传输模式。如果执行8 位的d m a 传输模式，那么可以在特性寄存器中对其进行设定。 嚣 i o r d y ：可选信号。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，表明此时控制器不能访问寄存器。 嚣p d i a g ：该信号是启动协议的一部分。当从驱动器完成了自检过程之后，可以通过该 信号通知主机。 嚣r e s e t ：该信号来自主机，用以对主从驱动器进行复位。它就像启动系统一样强迫系 统重新进行初始化。 黯信号s p s y n c 和c s e l 共用一根信号线，功能实现都是可选的，但是不能同时使用。 s p s y n c 信号是由商家确定的用来确定正在通信的两个磁盘驱动器是否因为同步而 等同。但是，需要注意的是，在该信号产生时，主驱动器是信息的提供者，而从驱动 器是信息的接收者。c s e l 信号允许磁盘驱动器改变自己的编号。如果把该信号接到 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1 。通过这种方法，可以很容易地设置和改变磁盘驱 动器的编号，而磁盘驱动器本身不需要进行任何改动。 2 2 5数据传输 通过i d e 接口的数据传输可以有两种方法：可编程的i o ( p i o ) 方式和d i v l a 方式。 a t a 标准为p i o 和d m a 定义了三种操作模式。模式0 是正常模式，但也是最慢的。在设 备识别命令i d e n t i f yd r i v e 的参数列表中我们可以知道控制器采用了哪种操作模式。在 第1 2 页共6 7 页 1 2 华东师范大学顶士学位论文大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究 表2 2 中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。 模式 0l234 p - 。 周期 6 0 0 n s3 8 3 n s2 4 0r l s1 8 0n s1 2 0n s 数据率 3 3 m b s5 2 m b s8 3 m b s1 1 1 m b s1 66 m b s i 单字周期 9 6 0 i s4 8 0n s2 4 0n s， d m a 数据率 2 m b s4 2 m b s8 3 m b s i 多字周期4 8 0n s1 5 0n s1 2 0n s ， d m a 数据率 41m b s1 3 3 m b s 1 6 6 i b s ， 表2 2不同操作模式周期和传输速率 从这个表格中不难看出，d m a 的数据传输速率不一定就比p i o 的高它们还依赖丁= 当前选择的传输模式。只是在多任务系统中，在处理多字节的d m a 的同时，处理器还可 以执行其他的任务，因此d m a 在重负荷系统中是具有很大优势的。下面详细介绍一下p i o 和d m a 的数据传输过程。 冀p i o 数据传输 c p u 对控制器的访问都是通过p i o 进行的。包括从控制器读取状态信息和错误信息， 以及向控制器发送命令和参数，操作时序如图2 1 所示。 ，。o 。o 。o 。o 。_ 、 地址有兹，、 d l 啉l 伽厂 厂一 ，_ 、 数据有效， 、 1 0 c s l 8 厂 图2 1p i o 数据传输时序 通过p 1 0 进行数据传输，首先主机把传输需要的地址信息发送在地址线上，其中主要 是c s i f x 、c s 3 f x 和d a f f - d a 2 几个信号，然后等待约7 0 n s 之后，对于读操作产生d i o r 信号，而对于写操作产生d i o w 信号。与此同时，产生i o c s l 6 信号决定传输是8 位还是 1 6 位的数据。对于写操作来说，主机这时把要写入的数据发送到数据线上；对于读操作来 说，控制器会把需要的数据发送到数据线上。在数据传输的过程中，在d i o r 或皿i o w 信 号取消之前，数据必须一直保持有效状态。然后根据数据传输的方向，由主机或控制器把 数据线上的数据记录下来。之后不久，地址、数据； n i o c s l 6 信号都将取消，从而完成整个 周期。该周期在正常情况下将持续6 0 0 n s ，而速度比较快的传输方式仅仅需要2 4 0 n s 。 采用p i o 传输方式的一个主要缺点是c p u 在传输数据的时候不可以处理其他事务，因 此不适用于多任务系统。多任务事务处理希望c p u 不参与数据传输如此简单的操作，也就 是d m a 传输方式。 冀单字d m a 一旦完成d m a 的初始请求，在d m a 的整个传输过程中将不会再受到c p u 的干涉。 对所有的多任务系统来说，这一点显然具有很大的优势，因为访问i o 外设的同时，c p u 可以自由地处理其他的任务。图2 2 描述了单字d m a 时序。 第1 3 页共6 7 页 华东师范大学硕士学位论文大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究 d m r q 厂、厂 d m a c k 厂 厂 d l o 喊d i 洲几 数据有效厂、 图2 2单字d m a 时序 采用d i d a 方式进行读操作时，首先主机产生一个d m a r q 信号发出d m a 清求，然 后i d e 控制器产生一个d m a c k 信号作为响应。2 0 0 n s 之内，主机将取消d m a r q 信号， 并产生个持续4 8 0 n s 的d i o r 信号。然后，控制器立即把数据信号放到数据线上。d i o r 的下降沿为触发信号表示一次数据传输完成，控制器释放d m a c k 信号，大约经过5 0 n s 之后，数据总线的释放，主机可以继续下一个周期的数据传输。根据传输模式的不同，一 个操作周期大约持续2 4 0 9 6 0 n s 的时间。d m a 的写操作的过程与此类似。 嚣多手d m a 只有在大量数据传输的时候，d m a 才能真正地发挥它的作用。这是因为c p u 仅仅需 要一个传输清求信号就能完成对一个数据序列的d m a 传输控制。图23 描述了多字d m a 传输的时序图。 d m a r q 厂、厂 d g k - - 厂 m l o 矧t m o w 厂、八 始有效厂、_ 、 图2 3多字d m a 时序 多字d m a 传输的触发与单字d m a 传输几乎完全一样，不同的是多数据d m a 传输并 不释放d m a r q 信号，并且保持相应的d m a c k 信号为高电平。大约在主机释j j j u d i o r 信 号2 0 0 n s 之后，该信号再次产生，开始新的数据传输周期。在最后一个数据传输的过程中， 当产生d i o r 信号的时候，主机才会把d m a r q 信号撤除。随着最后一个数据传输的结束， 整个数据传输也到此结束。 2 2 6 寄存器定义 从主机的角度来看，i d e 控制器就是两组寄存器。命令寄：每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。这两组寄存器用c s i f x 和 c s 3 f x 来区分。c s i f x 地址范围是1 f o h 1 f 7 h ，c s 3 f x 范围是3 f o h 3 f 7 h 。在某些情 况下为了节省地址空间，常常使用相同的地址来标识不同的寄存器，用读写操作来区分。 即对某地址，在读操作时，访问的是一个寄存器，而在写操作时，访问的是另一个寄存器。 若计算机配置了2 个i d e 接口，对于第二个接口，这两个信号的地址范围分别是1 7 0 h 1 7 7 h 和3 7 0 h 3 7 7 h 。 a t a 标准中是通过对各个寄存器操作来传送命令、数据和地址的。这些寄存器中，除 了数据寄存器为1 6 位以外，其他的均为8 位。常用的寄存器如下： 嚣数据寄存器( 1 f o h r w ) 第1 4 页共6 7 页 1 4 华东师范大学硕士掌位论文大容量存储设备在嵌入式系统中的应用研究 数据寄存器用来在主机和磁盘驱动器的缓冲区之间进行8 位或1 6 位的数据交换。 i o c s l 6 信号有效表明进行的是一个1 6 位的数据传输。使用该寄存器进行数据传输的方式 被称为p l o 方式。 冀错误寄存器( i f l h r ) 该寄存器是1 个8 位的寄存器，反映控制寄存器在诊断方式或操作方式f 的错误原因。 在不同方式下有不同的意义。 诊断方式为硬盘控制器在加电、复位或执行驱动器诊断命令阻后的工作方式。此时陔 寄存器包含诊断码，反映了诊断后的结果，如表2 3 所示。 代码 1 0 h0 2 h0 3 h l | 意义无错误控制器错数据缓冲区错 |代码 0 4 h0 5 h8 x h | 。意义。e c c 电路错控制器处理机错从驱动器诊断代码 表2 _ 3诊断代码 硬盘控制器执行除诊断命令以外的所有命令后进入操作方式。