第12章 磁盘接口幻灯片.ppt

第12章磁盘接口 12 1磁盘概述12 2软盘驱动器接口电路12 3硬盘驱动器接口电路12 4现代硬盘及接口技术的发展12 5磁盘驱动器接口软件 本章学习目标 l磁盘的工作原理l软盘接口电路的组成和原理l硬盘接口电路的组成和原理l磁盘接口电路的中断服务程序的应用 返回本章首页 12 1磁盘概述 12 1 1磁记录原理12 1 2写入数据原理12 1 3读出数据原理及过程12 1 4读写过程12 1 5磁盘的种类12 1 6软盘驱动器的类型12 1 7磁盘数据和数据格式12 1 8其他外部存储设备 返回本章首页 12 1 1磁记录原理 磁记录是以磁介质受外磁场的磁化 当去掉外磁场后仍有介质剩余磁化状态这一性质为基本原理 磁盘机 HDD FDD 是由介质 读写磁头 读写电路 马达及伺服驱动电路等组成 磁盘的读写原理如图8 1所示 图12 1磁盘读写原理示意图 返回本节 12 1 2写入数据原理 当要记录的电流通过线圈时 为了保持磁化强度 记录信号的脉冲需要一个周期内使磁场方向改变一次 当磁头中写电流从正向稳态变为反向稳态时 使记录在介质上的正向饱和磁化强度翻转到反向饱和磁化强度 返回本节 12 1 3读出数据原理及过程 读出是写入的逆过程 当磁头与磁介质作相对运动时 由于磁介质与磁头铁芯的缝隙相接触 使铁芯中出现原记录的散磁通 并且在读出线圈两端产生感生电动势 经过读出电路就可还原成读出电流 读出电流的方向 大小正好与原记录信号相同 使原数据信号还原 返回本节 12 1 4读写过程 读写磁头与转动平面垂直接触 在读写窗做前后方向运动 当线圈通过不同方向电流时 在磁铁芯中形成磁场 并产生不同方向的磁通 磁通透过读写缝隙与涂磁盘面接触 使磁化因子运动 这样盘面上的磁化运动与代表数据的电流构成了关系 磁盘读写电路如图12 2所示 图8 2磁盘读写控制电路示意图 返回本节 12 1 5磁盘的种类 1 硬磁盘 如图12 3 表12 1所示 2 软盘驱动器 图12 3硬盘的外形图 正面 反面 接口面 表12 1常见硬盘的主要性能参数 返回本节 12 1 6软盘驱动器的类型 软盘驱动器一般分为5 25英寸及3 5英寸 5 25英寸的磁盘容量一般为1 2MB和360KB两种 3 5英寸的磁盘容量一般为1 44MB和720KB两种类型 现在使用的是3 5英寸 且容量为1 44MB 1 软盘驱动器的工作原理 当软磁盘放入驱动器时 通过软盘驱动器控制电路指示主轴电机和磁头步进电机动作 进行读 写操作 2 磁盘数据的错误校验 常用数据校验的方法主要有循环冗余码校验及补码校验 返回本节 12 1 7磁盘数据和数据格式 1 磁盘的磁道和扇区 磁盘基本是按磁道来存储数据的 都含有三类字段 索引字段 标识字段和数据字段 这三种字段有时组合起来 构成几个区域 如地址区 数据区等 一般1 44MB软盘的磁道为80个磁道 每个磁道为9个扇区 2 磁盘数据的编码格式 图12 4磁记录的编码 返回本节 12 1 8其他外部存储设备 其他存储设备主要是光盘 一般光盘驱动器主要有CD ROM MO磁光盘 CD RW DVD ROM驱动器等 光盘盘片的尺寸一般为5 25英寸 光盘介质的存储容量各不相同 如CD ROM光盘的存储容量一般为650MB MO光盘的存储容量一般为230MB DVD ROM的存储容量可达4 7GB 返回本节 12 2软盘驱动器接口电路 12 2 1软盘适配器12 2 2软盘控制器12 2 3FDC控制器命令与端口寄存器 返回本章首页 12 2 1软盘适配器 图12 5软盘适配器电路框图 1 总线缓冲器2 FDCNEC765A软盘控制器3 时钟时序电路4 数字信号控制电路 如图12 6所示 5 译码器6 写预补偿电路 如图12 7所示 7 数据分离电路其原理图 如图12 8所示 8 信号驱动电路9 总线上的接口信号10 传输数据线 图12 6数字信号控制与译码器示意图 图12 7软盘适配器写预补偿电路 图12 8数据分离电路示意图 表12 2软盘驱动器线缆各引脚信号用途 返回本节 12 2 2软盘控制器 软盘控制器是磁盘控制的主要部件 通常采用驱动器专用微控制器芯片 软盘控制器的接口部件主要由三部分组成 与系统接口的DMA控制逻辑 MPU控制逻辑 与驱动器控制信号接口的驱动器控制逻辑 与磁盘读写串行数据接口的串行控制逻辑 1 FDCNEC765A的主要特点 FDC可分别受CPU和DMA的控制来自主机系统或直接存储器存取DMA的数据传送 可连接并控制4个磁盘驱动器 可以按MFM RLL方式读 写单密度或双密度磁盘 可编程记录长度分别为 128 256 512 1024字节 可以与大多数微型计算机系统的CPU相兼容 NEC765AFDC采用LSIDIP的封装形式 图12 9软盘驱动器控制器 FDC 内部框图 2 NEC765AFDC控制器的接口信号 NEC765AFDC控制器的引脚可分为三类 系统接口信号 经过串行控制接口 如图12 10所示 由驱动器控制接口的若干信号 图12 10软盘驱动器控制器 FDC NEC765A外形图 返回本节 12 2 3FDC控制器命令与端口寄存器 1 软盘驱动器的控制命令 软盘驱动器的控制命令如下 READDATA读扇区 磁道及磁面数据READDELETE读删除数据的扇区 磁道及磁面数据WRITEDATA写数据到扇区 磁道及磁面数据WRITEDELETEDATA写删除的数据到扇区 磁道及磁面数据REDAATRACK读一个完整磁道上的数据READID读扇区标识FORMATTRACK格式化所选择的扇区 磁道及磁面数据SCANEQUAL查找信息相等时设置标志SCANLOW EQUAL查找信息小于相等时设置标志 SCANHIGH EQUAL查找信息大于相等时设置标志RECALIBRATE磁头复位SENSEINTERRUPTSTATUS检测驱动器的中断状态SPECIFY设置参数SENSEDRIVESTATUS检测驱动器中断状态SEEK搜索 2 软盘控制器的端口寄存器 软盘控制器FDC共有4个端口寄存器 3F2H 写 方式选择寄存器3F4H 读 主状态寄存器3F5H 写 命令系列寄存器3F5H 读 结果系列寄存 图12 11FDC3F2H方式选择寄存器各位说明 3 各寄存器内容 图12 12FDC3F4H主状态寄存器各位说明 返回本节 12 3硬盘驱动器接口电路 12 3 1硬盘驱动器的组成原理12 3 2硬盘适配器12 3 3硬盘驱动器数据线的线缆标准12 3 4增强IDE EIDE或ATA 2 接口 返回本章首页 12 3 1硬盘驱动器的组成原理 硬盘驱动器是将硬盘机构与控制机构的电路密封在一起构成的 硬盘驱动器通过数据电缆线与计算机主板中的硬盘适配器相连 硬盘适配器电路主要包括硬盘接口电路 硬盘控制器电路 其结构如图12 13所示 图12 13硬盘驱动器的基本组成示意图 1 硬盘主轴系统 主轴的作用是传递硬盘主轴电机的转速 使硬盘盘片以额定的速度稳定地转动 硬盘主轴系统由主轴电机和电机控制电路组成 其工作过程如图12 14所示 图12 14主轴电机稳速电路示意图 2 硬盘读写磁头系统 硬盘读写磁头系统由悬浮式或浮式磁头 读写头控制电路组成 硬盘采用悬浮式磁头而不是软盘驱动器的接触式磁头 读写头电路如图12 15所示 由磁头选择逻辑 磁头写驱动电路 磁头驱动线圈 读出电路及状态检测电路组成 图12 15硬盘写电路组成示意图 3 磁头定位系统 初始定位 准备定位 检查出错标志 磁头小车启动 返回信息 需要分成以下几步进行 4 硬盘驱动器的控制逻辑 硬盘驱动器的控制逻辑包括控制与检测两个过程 前者包括对主轴电机 磁头控制电机等进行的稳速控制 位置控制 启动停止控制过程 后者包括主轴索标传感器 位置传感器 速度传感器测量的索标周期 定位标记和磁头运动速度的检测过程 返回本节 12 3 2硬盘适配器 硬盘驱动器的控制电路主要包括两个部分 一是硬盘适配器部分它位于微机系统的一侧 二是读写逻辑 位于硬盘驱动器内 它们通过数据及控制电缆线相连接 硬盘适配器的组成 1 扇区缓冲器2 数据缓冲器3 硬盘控制器4 接口控制器5 驱动器选择控制器6 数据分离电路7 写预补偿电路8 驱动电路9 系统接口信号10 硬盘驱动器接口信号 1 硬盘适配器 如图12 16所示 图12 16硬盘适配器电路框图 常见几种硬盘接口的数据及信号电缆 1 进出数据分离电路的信号线2 到达写预补偿和同步电路的信号线3 进出缓冲 接收 I O 的信号线 2 硬盘驱动器数据电缆信号 图12 17Intel8272A内部结构示意图 3 硬盘控制器INTEL8272A 4 HDC的硬盘命令及端口寄存器 如表12 3 12 6 图12 18所示 1 硬盘驱动器命令2 硬盘驱动器控制器的端口3 序列寄存器4 端口编程 表12 3硬盘驱动器控制器的端口寄存器地址 内容 用途 驱动器 工作模式等选择 表12 4320H命令序列寄存器的内容 表12 5320H错误序列寄存器字节的格式 76543210 表12 6命令序列寄存器字节0的错误类型 图12 18321H硬件寄存器各位的含义 返回本节 12 3 3硬盘驱动器数据线的线缆标准 硬盘驱动器最常用的数据线缆有五种线缆标准 变频锁相环 MFM PLL 式数据线缆 行程长度受限制 RLLC 式线缆 增强小型设备接口 ESDI 线缆 小型计算机系统接口 SCSI 式线缆和集成驱动接口 IDE EIDE 式线缆五种 表12 7增强小型设备接口 ESDI 20线数据线缆 1 增强小型设备接口 ESDI 表12 8增强小型设备接口 ESDI 34线控制线缆 2 小型计算机接口 SCSI 小型计算机接口 SCSI 的数据线缆有50线和80线两种形式的数据线缆 如表12 9所示为50线的SCSI数据线缆 其尺寸一般有5 25英寸和3 5英寸两种 表12 9SCSI接口驱动器50线缆 返回本节 12 3 4增强IDE EIDE或ATA 2 接口 EIDE接口规范中还通过一种被称为ATAPI的新标准 使IDE 或ATA 接口支持CD ROM驱动器 EIDE接口外形如图12 21所示 应用在硬盘接口上时 EIDE接口一般都采用PIO模式 表12 11定义了EIDE传输模式及其最小总线周期时间 图12 21EIDE接口插座外形 表12 11EIDE传输模式及其最小总线周期时间 1 超级DMA 33接口协议 超级DMA 33接口协议是一种用于数据传输的新型协议 通过标准的总线主控制器IDE的接口电路来启动和控制这种传输 超级DMA 33通过一个源同步信号协议来传输数据 以支持数据传输的突发操作 是采用总线主控制方式 在硬盘上安装控制硬盘读写的DMA控制器 2 超级DMA 33接口信号 当工作在超级DMA 33模式时 只是对一些标准的IDE控制信号进行了重新的定义 这些重新定义的信号如表12 12所示 从IDE设备到IDE接口的数据传输定义为读周期 从IDE接口到IDE设备的数据传输定义为写周期 表12 12超级DMA 33接口控制信号的重新定义 3 超级DMA 33工作过程 使IDE接口工作在超级DMA 33模式时 必须预进行初始化编程 这种初始化编程分成两个部分 一个是对IDE接口的使能和配置 一个是对IDE设备的使能和配置 对于IDE接口 必须允许工作在同步DMA模式和建立适当的同步DMA时序 4 超级DMA 33时序 超级DMA 33时序可以通过超级DMA 33时序寄存器进行编程 可编程的时序包括周期时间CT和准备暂停时间RP CT为数据有效使能信号STROBE的最小脉冲宽度 PR为期望停止突发读 写传输从DMARDT无效到STOP有效IDE接口需要等待的PCI时钟数 5 超级DMA 66 100接口 超级DMA 66的逻辑时钟运行在66MHz 数据传输率达到66MB s DMA 66协议也支持44MB s的传输模式 此时完成一次16位的数据传输需要3个66MHz的时钟周期 返回本节 12 4现代硬盘及接口技术的发展 12 4 1磁头技术的发展12 4 2硬盘内部传输速度12 4 3采用全新的硬盘保护技术12 4 4硬盘接口新技术 返回本章首页 12 4 1磁头技术的发展 现代硬盘中在磁头技术上普遍采用的GMR巨磁阻磁头技术 OAW光学辅助温氏磁头技术 使磁盘的容量更大 磁道的密度更高 如现在已经出现了100GB以上容量的硬盘 返回本节 12 4 2硬盘内部传输速度 在硬盘速度方面除提高主轴电机转速外 采用更大的硬盘高速缓存 有的硬盘具有高达512KB 4MB的高速缓存 和UltraDSP超级数字信号处理技术 使硬盘的数据传输速度更快 现代硬盘的内部数据传输率可达到300MB s甚至更快 返回本节 12 4 3采用全新的硬盘保护技术 在硬盘保护技术方面采用S M A R T 硬盘故障自动检测 分析报告 技术 SPS磁盘振动保护技术 DPS数据保护系统等 使硬盘的防震性能更好 可靠性更高 寿命更长 返回本节 12 4 4硬盘接口新技术 在IDE接口技术方面 采用UltraDMA 33 66 100的ATA IDE的新型接口技术 在SCSI硬盘接口技术方面 采用了Ultra160 m接口 使数据传输速率高达160MB s I