19-实例2_IDE硬盘设备驱动
13.8 实例2：IDE硬盘设备驱动
IDE（Integrated Drive Electronics）接口，也就是集成驱动器电路接口，原名为ATA（AT Attachment，AT嵌入式）接口，其本意为将硬盘控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，经历了ATA-1到ATA-7以及SATA-1和SATA-2的发展历史。ATA-1至ATA-4采用40芯排线缆，ATA-5至ATA-7则采用40针80芯线缆，虽然线缆数量增加了，但是逻辑原理没有变，只是通过物理上的改变来达到改善PCB信号完整性的目的，它提供更多的地线并使信号线临近地线，从而减少电流回流的面积。SATA-1和SATA-2与ATA-1至ATA-7相比，数据传输方式由并行转变为串行。
IDE接口的硬件原理实际上非常简单，对CPU的外围总线进行简单扩展后就可外接IDE控制器，表13.1所示为40针IDE接口的引脚定义。
表13.1 IDE接口的引脚定义
| 引脚 | 信 号 | 信 号 描 述 | 信号方向 | 引脚 | 信 号 | 信 号 描 述 | 信号方向 |
| :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- |
| 1 | RSET | 复位 | I | 21 | DMARQ | DMA请求 | O |
| 2 | GND | 地 | I/O | 22 | GND | 地 |
| 3 | DD7 | 数据位7 | I/O | 23 | 
| 写选通 | I |
| 4 | DD8 | 数据位8 | I/O | 24 | GND | 地 |
| 5 | DD6 | 数据位6 | I/O | 25 | 
| 读选通 | I |
| 6 | DD9 | 数据位9 | I/O | 26 | GND | 地 |
| 7 | DD5 | 数据位5 | I/O | 27 | IORDY | 通道就绪 | O |
| 8 | DD10 | 数据位10 | I/O | 28 | DPSYNC:CXE L | 同步电缆选择 |
| 9 | DD4 | 数据位4 | I/O | 29 | 
| DMA应答 | O |
| 10 | DD11 | 数据位11 | I/O | 30 | GND | 地 |
| 11 | DD3 | 数据位3 | I/O | 31 | 
| 中断请求 | O |
| 12 | DD12 | 数据位12 | I/O | 32 | 
| 16位I/O片选 | O |
| 13 | DD2 | 数据位2 | I/O | 33 | DA1 | 地址1 | I |
| 14 | DD13 | 数据位13 | I/O | 34 | 
| 诊断完成 | O |
| 15 | DD1 | 数据位1 | I/O | 35 | DA0 | 地址0 | I |
| 16 | DD14 | 数据位14 | I/O | 36 | DA2 | 地址2 | I |
| 17 | DD0 | 数据位0 | I/O | 37 | 
| 片选0 | I |
| 18 | DD15 | 数据位15 | I/O | 38 | 
| 片选1 | I |
| 19 | GND | 地 | | 39 | 
| 驱动器状态指示 | O |
| 20 | N.C | 未用 | | 40 | GND | 地 |
IDE控制器提供了一组寄存器，通过这些寄存器，主机能控制IDE驱动器的行为和查询其状态，表13.2所示IDE接口寄存器的定义。
表13.2 IDE接口寄存器定义
| 片选1 | 片选0 | 地址2 | 地址1 | 地址0 | 读 | 写 | 位数 | | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | :----- | | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 数据寄存器 | 数据寄存器 | 16 | | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 错误寄存器 | 特征寄存器 | 8 | | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 扇区数寄存器 | 扇区数寄存器 | 8 | | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 扇区号寄存器 | 扇区号寄存器 | 8 | | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 柱面号寄存器（低8位） | 柱面号寄存器（低8位） | 8 | | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 柱面号寄存器（高8位） | 柱面号寄存器（高8位） | 8 | | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 驱动器选择/磁头寄存器 | 驱动器选择/磁头寄存器 | 8 | | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 状态寄存器 | 命令寄存器 | 8 | | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 状态寄存器 | 设备控制器寄存器 | 8 |
IDE硬盘的传输模式有以下3种。
● PIO（Programmed I/O）模式：PIO模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据读写的数据交换模式，是最早的硬盘数据传输模式，数据传输速率低下，CPU占有率也很高。
● DMA（Driect Memory Access）模式：DMA模式是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式。PIO模式下硬盘和内存之间的数据传输是由CPU来控制的；而在DMA模式下，CPU只需向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样就在很大程度上减轻了 CPU资源占有率。
● Ultra DMA（简称UDMA）模式：它在包含了DMA模式的优点的基础上又增加了CRC校验技术，提高数据传输过程中的准确性，安全性得到保障。另外，在以往的硬盘数据传输模式下，一个时钟周期只传输一次数据，而在UDMA 模式中逐渐应用了Double Data Rate（双倍数据传输）技术，它在时钟的上升沿和下降沿各自进行一次数据传输，使数据传输速度成倍增长。
除了可以以CHS（Cylinder、Head和Sector）的方式定位硬盘的扇区外，还可以用LBA（逻辑块线性地址）的方式来定位，CHS可以换算为LBA。CHS设计最多只允许65536个柱面、16个磁头以及255个扇区/磁轨。这就将容量限制为267386880个扇区，即大约137GB。
假设用c表示当前柱面号，h表示当前磁头号，cs表示起始柱面号，hs表示起始磁头号，ss表示起始扇区号，ps表示每磁道有多少个扇区，ph表示每柱面有多少个磁道（一般情况下，cs = 0、hs = 0、ss = 1、ps = 63、ph = 255），LBA与CHS有如下对应关系：
lba=（c-cs）phps+（h-hs）*ps+（s-ss）
LBA使得系统忽略硬盘的几何结构，交由驱动器来完成。系统不需要去查询 CHS 值，而只需要查询逻辑块地址（Logical Block Address，LBA），驱动器电子装置会找出要读或写的实际扇区。而LBA48（48位逻辑块地址）则可以使系统支持超过137GB的硬盘。
Linux内核中，早期常使用drivers/ide目录下的驱动，而如今在嵌入式系统中则多使用drivers/ata下的驱动，尤其值得一提的是drivers/ata/的pataplatform.c和pata*.c文件联合起来实现了一个平台无关的并行ATA驱动，这种情况下，连接了嵌入式硬盘的电路板只需要在板文件中添加与并行ATA设备相关的平台设备和资源信息即可，不需要编写一行驱动代码就可以让硬盘工作。代码清单13.20给出了arch/arm/mach-rpc/riscpc.c板文件中新增pata_platform设备的例子。
代码清单13.20 使用pata.platform驱动连接IDE硬盘
1 static struct pata_platform_info pata_platform_data = {
2 .ioport_shift = 2,
3 };
4
5 static struct resource pata_resources[] = {
6 [0] = {
7 .start = 0x030107c0,
8 .end = 0x030107df,
9 .flags = IORESOURCE_MEM,
10 },
11 [1] = {
12 .start = 0x03010fd8,
13 .end = 0x03010fdb,
14 .flags = IORESOURCE_MEM,
15 },
16 [2] = {
17 .start = IRQ_HARDDISK,
18 .end = IRQ_HARDDISK,
19 .flags = IORESOURCE_IRQ,
20 },
21 };
22
23 static struct platform_device pata_device = {
24 .name = "pata_platform",
25 .id = -1,
26 .num_resources = ARRAY_SIZE(pata_resources),
27 .resource = pata_resources,
28 .dev = {
29 .platform_data = &pata_platform_data,
30 .coherent_dma_mask = ~0, / grumble /
31 },
32 };
上述代码中的两个IORESOURCE_MEM资源对应于IDE硬盘连接的两个内存区域。IORESOURCE_IRQ资源是硬盘使用的CPU的中断号。