基于ARM系统硬盘接口的使用和文件管理-技术方案

精品文档-下载后可编辑基于ARM系统硬盘接口的使用和文件管理-技术方案摘要:嵌入式计算机系统中,常需要对大批量数据进行读写操作,本文介绍了一种新的实现方法。硬件上依据ATA标准通过ARM微处理器与大容量的IDE硬盘相连,软件采用FAT32文件系统对数据进行存储管理。硬盘脱机接入PC系统中,通过Windows等支持FAT文件格式的操作系统,能够直接应用硬盘中的数据。该方法尤其适合在远程联网不便使用的情况下,为微处理器在嵌入式系统大批量存储数据提供新的设计思路。

关键词:ARM;硬盘接口;文件管理

在“计算机接口技术”教学中,有关硬磁盘接口适配器这一章比较难学,主要涉及到I?O控制层对扇区读写和使用逻辑映射层对数据进行管理问题,内容比较抽象,教师和学生只能凭想象去教与学。笔者在科研中,通过对嵌入式微处理器与硬盘接口的开发应用,加深了对这些内容的理解,为拓展这部分教学内容的深度和广度奠定了基础,并采用理论与实际结合的方式去讲授有关的内容,受到了学生的欢迎。故撰此文与从事硬盘接口技术教学的老师们作一交流。

1ARM系统及IDE接口综述

ARM(AdvancedRSICMachines)是一种低功耗、高性能的32位处理器。本文介绍的系统是基于Samsung公司S3C44B0X构建而成。该CPU的内核是ARM7TDMI,采用了三级流水线和VonNeumann结构,并且具有UART、IIC、IIS、SIO接口,ADC、PWM通道,实时时钟、LCD控制器等。

硬盘接口结构主要分I/O控制层和逻辑映射层。其中I/O控制层包括与ARM的物理接口,实现对硬盘状态的查询、设置和对扇区的读写。它是依据ATA标准连接的IDE接口。通过IDE接口选择可编程的PIO或使用DMA方法传输数据。本文将介绍PIO方式传送,即对硬盘每访问都需要分别进行编程.

逻辑映射层实现对目录、文件与扇区数据逻辑映射,以及数据的存储和修改。该部分应用微软公司FAT标准,为每个文件的磁盘块构造链接表,通过链接表和它的索引实现对整个磁盘文件进行管理。

在微机应用中,由于常涉及大批量数据的存储,在联网条件不备的情况下,通过IDE接口连接大容量硬盘是一个有效方法。若按照ANSI的ATA标准连接硬盘,并通过Fat32文件系统进行数据管理,嵌入式系统读写过的硬盘,还可以脱机移到Win2dows操作系统支持下的PC机中,实现与常规操作系统共享硬盘数据资源。本文介绍的方法可以推广到其它微处理器应用系统中。

2硬件结构与I/O控制层

ATA标准对IDE硬盘接口作了详细描述。

图1是按照ATA规范结合PIO传输特点进行连接。由于没有使用DMA传输方式,故DMARQ和DMACK两根悬空;/IOCS16用于选择使用DD0～DD15进行16位传输或使用DD0～DD7进行8位传输;/DIOR和/DIOW是对磁盘驱动寄存器进行读写操作的一对握手信号;/CS0用来选定命令寄存器组,/CS1选择控制寄存器组。这两根信号线结合DA0～DA2,就可以对IDE多个寄存器进行访问,如数据寄存器、状态寄存器、命令寄存器等。

此外,ATA标准对IDE命令也有严格定义,如用来确认驱动器的0xEC,读缓冲区的0xE4。在PIO模式中,系统将IDE命令送到命令寄存器中,读写相应的数据、状态寄存器,实现对硬盘访问和控制。

对硬盘内部数据的操作需要了解它的物理存储方式。磁头、柱面和扇区是硬盘的基本结构,而扇区是对硬盘读写的单位。硬盘内部的寻址方式有两种,一种是物理寻址的CHS方式,另一种是逻辑寻址的LBA方式。物理寻址CHS方式是通过柱面、磁头和扇区号来确定的存储单位,较为繁琐。而逻辑寻址方式是采用线性映射方法,从物理结构到逻辑块编号的映射关系如下:

LBA=(柱面编号×磁头数+磁头号)×扇区数+扇区编号-1

采用这种方法,主机不用知道硬盘的物理结构,就能直接对目标扇区进行寻址。

根据前面的阐述,编制I/O控制层的控制程序,可对IDE控制寄器进行查询、设置和逻辑寻址,实现对指定扇区的读写。图2是读一个扇区数据的流程图,写扇区的方法和它类似,区别只是在于传送指令和数据流动方向不同。此外,在检测状态寄存器的时候,加上超时判断,防止程序陷入死循环。

3逻辑映射层控制标准及实现

3.1关于FAT标准

由于希望ARM系统对硬盘的读写操作能与主流操作系统共享,该部分软件是根据与Windows相兼容的FAT标准进行编制。用户也可以根据实际情况,把该设计思路推广到如Linux下的EX2等其它工作平台。

FAT标准对硬盘逻辑结构作了划分,主要有分区表、BPB表、FAT表、数据区等几部分。在硬盘格式化和分区后,会在0柱面0磁头1扇区建立分区表,此表记载了硬盘在各分区起始和结束所使用的磁头、柱面、扇区号。对于每个分区,逻辑0扇区存放了一个BPB表,该表储存了整个文件系统关键的数据,包括文件系统的类型,每个扇区的字节数(Byte2PerSec),每簇的扇区数(SecPerClus),保留扇区数(RsvdSecCnt),FAT表数目(NumFATs),根目录起始簇(RootClus),以及盘符和卷标等。其中簇(Cluster)是文件系统在效率原则下管理的单位,FAT32标准意味着每簇有8扇区,簇内存贮单元采用32位二进制数。文件系统类型还可以使用FAT12和FAT16标准,表示簇内存贮单元分别采用12位和16位二进制数。在格式化硬盘时,依据硬盘簇的数目判断选用哪种文件系统标准,若簇数小于4085则是FAT12,若在4085和65525之间则是FAT16,大于65525则是FAT32。由于本文所述的系统使用大容量硬盘,因而采用FAT32文件系统。

在原理上,FAT32和其它两种方式是相同的,完全可以移植过去。保留扇区是为BPB表以后扩展保留一段区间,暂且未被使用。

3.2关于FAT表

FAT表实质上是一系列存放着数据的链接表。

对于FAT32来说,每四个字节(32bit)对应硬盘数据区上的一个簇,它们的数值是当前文件下一个簇的指针。如果这四个字节大于0x0FFFFFF8,则表示当前文件在该簇内结束。若是0x00则表示该簇是空的,没有存放数据,而0xFFFFFF7表示这个簇已经损坏。采用这种方法,在存取数据时只需沿着链接表寻址就行了,不需按顺序存取,也不会因删除文件造成磁盘碎片。FAT表的大小是根据磁盘容量也就是簇的数量来决定,不同磁盘FAT表的大小不同。

出于可靠性考虑,FAT表一般都要冗余它的备份,冗余数量由BPB表的NumFATs来定,通常为2。

这样在突然断电等意外情况下,可以根据备份的FAT表进行修复。

3.3硬盘数据区

FAT表之后是硬盘的数据区,其开始是根目录(ROOTDirectory),此处存放了FAT表根目录下的文件与子目录。存放格式有两种,一种是长文件名,一种是短文件名(标准的813格式),通过数据中的特征位能分辨出来。长文件名和短文件名格式见参考文献,它包含了文件的名字、属性、大小、起始簇数、建立及写操作的时间。实际上子目录的信息也被当作一个文件存储在根目录区,只是它的属性为目录,大小为0。同样,子目录起始簇内存放了该目录下文件和子目录的信息表。依据这些信息,可以在FAT表找到该文件的链接表,执行对整个文件相应操作。

3.4资源共享的实现

对于不同的文字平台,为能够实现资源共享,采用UNICODE来存储文件名。在长文件名中,每个字符都是用16bits的UNICODE来表示的,而在短文件名中,采用用户自定义的类型,例如在简体中文Windows下,采用ASC?码和GB2312码。通过U2NICODE与其它码表对比查找程序,用户可以在自己期望的文字平台上进行操作。

图3是读取一个文件的流程,写文件的方法和读文件相类似,只要注意在目录里建立文件时,先把数据写入空白簇后再把FAT表更新,其中包括更新备份部分。

4结束语

笔者通过USB接口使用S3C44B0X中ARM7TDMI微处理器对20GB以上的硬盘进行接口连接及控制,用FAT32文件系统对硬盘进行数据管理,多个大容量硬盘除了在ARM系统能正常工作外,在WIN98/20