《存儲(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)》課件第3章

第三章磁介質(zhì)存儲(chǔ)器與光存儲(chǔ)器3.1磁介質(zhì)存儲(chǔ)技術(shù)概述

3.2硬盤驅(qū)動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)

3.3硬盤驅(qū)動(dòng)器IDE接口

3.4磁帶存儲(chǔ)系統(tǒng)

3.5光存儲(chǔ)器

3.6ATAPI接口

小結(jié) 3.1磁介質(zhì)存儲(chǔ)技術(shù)概述

3.1.1磁介質(zhì)存儲(chǔ)器的基本原理

磁介質(zhì)存儲(chǔ)器利用某些能夠均勻地涂在金屬鋁或塑料表面作載體的磁性材料進(jìn)行信息存儲(chǔ)。我們常見的磁介質(zhì)存儲(chǔ)器有磁盤存儲(chǔ)器和磁帶存儲(chǔ)器。磁介質(zhì)存儲(chǔ)器因具有存儲(chǔ)容量大，單位價(jià)格低，可以重復(fù)讀/寫以及保存期長(zhǎng)久等顯著特點(diǎn)而成為計(jì)算機(jī)外部存儲(chǔ)器的主要設(shè)備。但是磁介質(zhì)存儲(chǔ)器與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相比，其讀/寫速度較慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作環(huán)境要求比較高等不利方面限制了其在某些應(yīng)用場(chǎng)合使用。接下來(lái)，將首先介紹磁性材料存儲(chǔ)的物理原理，然后說(shuō)明相應(yīng)的記錄方式，使得用戶對(duì)磁介質(zhì)存儲(chǔ)器有初步認(rèn)識(shí)。磁介質(zhì)材料是一種具有矩形磁滯回線的磁性材料。圖3.1給出了磁滯回線的示意，相應(yīng)坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外加磁場(chǎng)H。從該磁滯回線可以看出，磁性材料被磁化后，工作點(diǎn)始終處于磁滯回線上。當(dāng)外加的正向脈沖電流(外加磁場(chǎng))幅度足夠大時(shí)，那么在電流消失后磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不為零，而處在?+Br狀態(tài)，即正剩磁狀態(tài)。相反，當(dāng)外加負(fù)向脈沖電流時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將處于－Br狀態(tài)，即負(fù)剩磁狀態(tài)。這樣，當(dāng)磁性材料被磁化后，會(huì)形成兩個(gè)穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，可以利用這兩個(gè)狀態(tài)表示二進(jìn)制代碼0和1。例如，將正剩磁狀態(tài)?+Br定義為1，負(fù)剩磁狀態(tài)－Br定義為0，那么施加正向脈沖電流可以存儲(chǔ)1，負(fù)向脈沖電流則存儲(chǔ)0。磁性材料呈現(xiàn)剩磁狀態(tài)的位置即可形成一個(gè)磁化元或存儲(chǔ)元作為記錄最小二進(jìn)制信息單位。雖然掌握了磁性材料存儲(chǔ)物理原理是基于磁滯回線上剩磁狀態(tài)的，但是實(shí)際上記錄的信息是通過(guò)不同的調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的。主要的磁記錄方式包括不歸零制、見“1”就翻不歸零制、調(diào)相制、調(diào)頻制、改進(jìn)調(diào)頻制等。這些記錄方式實(shí)際上就是對(duì)二進(jìn)制位串變換成磁層中磁化元狀態(tài)的編碼方式。在具體操作時(shí)，通過(guò)調(diào)制可得到電流的幅度、相位及頻率。圖3.2給出了各種記錄方式的編碼波形。圖3.1磁滯回線圖3.2各種記錄方式的編碼波形

(1)不歸零制(NRZ0)：在磁頭線圈中始終有電流，或者為正向電流(表示1)，或者為反向電流(表示0)，這種方式具有較好的抗干擾能力。

(2)見“1”就翻不歸零制(NRZ1)：這種方式磁頭線圈仍然始終有電流，在記錄“0”時(shí)電流方向保持不變，而記錄“1”時(shí)電流方向發(fā)生變化。

(3)調(diào)相制(PM)：在這種方式下，一個(gè)位周期的中間位置，電流由負(fù)變化到正表示“1”，由正變化到負(fù)表示“0”，是通過(guò)電流相位變換進(jìn)行寫“1”和寫“0”的，那么通過(guò)磁頭中的電流方向一定會(huì)改變一次。這種方式記錄“1”和“0”的信號(hào)相位不同，抗干擾能力較強(qiáng)，并且這種方式讀出信號(hào)經(jīng)分離電路可提取自同步定時(shí)脈沖，因此具有自同步能力。廣泛使用于磁帶存儲(chǔ)器。

(4)調(diào)頻制(FM)：在這種方式，無(wú)論記錄的代碼為“1”或“0”，或者連續(xù)寫“1”或?qū)憽?”，在相鄰存儲(chǔ)元交界處電流切換一次方向。當(dāng)記錄為“1”時(shí)，電流一定要在位周期中間改變方向，因此寫“1”電流的頻率是寫“0”電流頻率的2倍，也稱為倍頻記錄法。FM的特點(diǎn)是記錄密度高，具有自同步能力。FM可以使用在單密度磁盤存儲(chǔ)器中。

(5)改進(jìn)調(diào)頻制(MFM)：MFM與FM制的區(qū)別在于，只有連續(xù)記錄兩個(gè)或兩個(gè)以上“0”時(shí)，在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)一次，其余情況不翻轉(zhuǎn)。這樣可以提高記錄密度，用于雙密度磁盤存儲(chǔ)器中。3.1.2磁盤的基本結(jié)構(gòu)、讀/寫過(guò)程及信息記錄方式

磁盤是在一個(gè)由非磁性材料制成的圓盤，并在上面涂了一層磁性材料的物體。該圓盤通常稱為襯底，一般采用鋁或鋁合金材料構(gòu)成。最新的襯底則采用玻璃制成，使其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)改善了磁層表面的均勻性，提高了磁盤可靠性；

(2)顯著減少了整個(gè)表面的缺陷，有助于讀/寫錯(cuò)誤的減少；

(3)使得磁頭距離更加接近磁盤面；

(4)更好的機(jī)械性能如剛度、耐沖擊和耐損的方面。對(duì)磁盤表面進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫是通過(guò)磁頭實(shí)現(xiàn)的，而磁頭則是一個(gè)導(dǎo)電線圈構(gòu)成的機(jī)械裝置。目前多數(shù)系統(tǒng)用兩個(gè)磁頭分別負(fù)責(zé)讀操作和寫操作。在讀/寫操作期間，磁頭靜止不動(dòng)，磁盤則在磁頭下方高速旋轉(zhuǎn)。

寫操作基于電流通過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)的效應(yīng)。脈沖電流送入寫磁頭，就在其下的磁盤表面上記錄下一種磁化樣式，正負(fù)電流產(chǎn)生不同的樣式使得二進(jìn)制信息被有效記錄。寫磁頭本身就是由易磁化材料制成的矩形環(huán)，一邊開有縫隙，相對(duì)的一邊則繞有導(dǎo)線。線圈中的電流在縫隙間感應(yīng)出磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在記錄介質(zhì)上磁化出一個(gè)小區(qū)域；不同的電流方向相應(yīng)區(qū)域的磁化方向也不同。傳統(tǒng)的讀機(jī)制基于磁盤相對(duì)線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)在線圈中產(chǎn)生電流的效應(yīng)。當(dāng)磁盤面在磁頭下方時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與數(shù)據(jù)記錄電流極性相同的電流。這種方式的讀磁頭結(jié)構(gòu)與寫磁頭一致，所以稱為單一磁頭結(jié)構(gòu)，被使用在軟盤或舊式硬盤系統(tǒng)中。

目前的硬盤系統(tǒng)中采用新的讀機(jī)制，并使用新的單獨(dú)磁頭負(fù)責(zé)讀操作。該讀磁頭在物理位置上與寫磁頭緊靠一起，由一部分被屏蔽的磁阻(MR)式敏感器組成。MR材料的電阻大小由在其下面運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)磁化方向確定。當(dāng)電流通過(guò)MR敏感器時(shí)，電阻的變化作為電壓信號(hào)經(jīng)檢測(cè)放大即可讀出信息。MR方式可以進(jìn)行更高頻度的操作，使得存儲(chǔ)密度和速

度得以提高。為了提高讀取的效率，在磁阻式敏感器MR技術(shù)基礎(chǔ)上，巨磁阻(GMR)方式讀磁頭的出現(xiàn)使得對(duì)高密度信息讀取的分辨率進(jìn)一步提升，因此記錄面密度可以提升至

100Gb/si(位/平方英寸)。具體讀過(guò)程可以簡(jiǎn)化為如下描述。

當(dāng)磁頭經(jīng)過(guò)磁介質(zhì)存儲(chǔ)單元時(shí)，由于磁頭內(nèi)含有導(dǎo)磁材料鐵芯，因此存儲(chǔ)單元的磁力線很容易通過(guò)磁頭而形成閉合磁通回路。不同極性的存儲(chǔ)單元在鐵芯的方向不同。當(dāng)磁頭對(duì)磁介質(zhì)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于磁頭鐵芯中磁通的變化，使讀出線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的方向隨存儲(chǔ)單元的信息不同而不同。接著，不同方向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)讀出放大器放大鑒別，就可以區(qū)分出存儲(chǔ)的信息為“1”或“0”。磁層上的存儲(chǔ)元磁化后，可以提供多次讀出而信息保持的能力。當(dāng)不需要相應(yīng)信息時(shí)，可以通過(guò)磁頭將磁層上所記錄的信息擦除，即寫入全“0”。從以上讀/寫過(guò)程可見，磁盤存儲(chǔ)通過(guò)一系列的電磁變換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀/寫。當(dāng)進(jìn)行寫過(guò)程時(shí)，通過(guò)電—磁變換利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，將單位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成磁介質(zhì)的不同剩磁狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)行讀過(guò)程中，通過(guò)磁—電變換，利用磁頭讀出線圈，將存儲(chǔ)單元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

在磁盤上記錄數(shù)據(jù)的方式有兩種：水平方式和垂直方式。水平方式是傳統(tǒng)的記錄方式，也就是在磁盤表面上，由外而內(nèi)螺旋狀地組織成固定大小數(shù)據(jù)區(qū)域。數(shù)據(jù)區(qū)域的組成方式一直都是水平的即平行散布在整面盤片上的。這種方法持續(xù)將數(shù)據(jù)區(qū)域微縮化，最后會(huì)造成“超順磁現(xiàn)象”，這時(shí)每個(gè)被磁化的儲(chǔ)存單位都會(huì)互相影響，甚至有時(shí)候會(huì)產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是無(wú)法回復(fù)的，將造成先前存放數(shù)據(jù)的消失。為了避免這種信息破壞情況的發(fā)生，水平方式的信息記錄密度就很難提高，因而限制了存儲(chǔ)容量。隨著垂直磁性記錄技術(shù)的出現(xiàn)，存儲(chǔ)容量和密度都有了顯著提高。顧名思義，這項(xiàng)技術(shù)就是把磁粒在盤片上垂直排列，大幅度提高了數(shù)據(jù)密度，據(jù)理論分析垂直記錄方式面密度可達(dá)1Tb/si。這種方式使得總?cè)萘繛?TB的3.5英寸硬盤以及20GB的1英寸微型硬盤(MicroDrives)成為可能。圖3.3形象地說(shuō)明了這兩種記錄方式的原理。圖3.3水平和垂直記錄方式3.1.3磁盤的數(shù)據(jù)組織和格式化

磁頭是一種較小的裝置，能從旋轉(zhuǎn)的盤片上獲取數(shù)據(jù)或向盤片寫入數(shù)據(jù)。因此，磁盤表面的數(shù)據(jù)組織呈現(xiàn)出一組同心圓環(huán)。每個(gè)環(huán)則稱為磁道，其中磁頭和磁道同寬，每個(gè)磁盤表面上可以有上千個(gè)磁道。圖3.4描述了磁盤的數(shù)據(jù)分布情況。在相鄰的磁道間有一定的間隙(gap)可以防止磁頭未對(duì)準(zhǔn)或因其他干擾引起的錯(cuò)誤。對(duì)于數(shù)據(jù)則是以扇區(qū)(sector)為單位進(jìn)行輸入/輸出操作的。通常每個(gè)磁道有上百個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)的長(zhǎng)度可以固定也可以變化。目前，多數(shù)系統(tǒng)采用固定512字節(jié)大小的扇區(qū)，扇區(qū)間同樣存在一定間隙。圖3.4磁盤數(shù)據(jù)分布情況對(duì)于旋轉(zhuǎn)的磁盤而言，越靠近中心位置其相對(duì)磁頭的速率越慢。為了獲得較為平穩(wěn)的數(shù)據(jù)讀出速率，可以通過(guò)改變各個(gè)磁道信息分布的方式解決，將靠外的磁道信息位間隔拉大使得在恒定角速度(ConstantAngularVelocity，CAV)旋轉(zhuǎn)磁盤情況下磁頭輸出的信息速率一致。圖3.5(a)給出了CAV的磁盤扇區(qū)分布，磁盤表面被分成一串同心圓磁道和多個(gè)扇區(qū)。在CAV情況下，可以通過(guò)磁道號(hào)和扇區(qū)號(hào)進(jìn)行直接尋址數(shù)據(jù)塊。在具體讀/寫時(shí)，首先將磁頭從當(dāng)前位置沿徑向移動(dòng)到目的磁道，然后等待指定的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的尋址過(guò)程。但是在CAV情況下，外圈的長(zhǎng)磁道上存儲(chǔ)信息容量和內(nèi)圈短磁道上一樣，造成了一定程度上的容量浪費(fèi)。也就是說(shuō)，信息存儲(chǔ)的線性密度(單位長(zhǎng)度上比特位數(shù)，位數(shù)/英寸)隨磁道由外向內(nèi)逐漸增加。磁盤總的容量受到了最內(nèi)圈線性密度的直接限制。為了提高密度，當(dāng)前的磁盤系統(tǒng)已經(jīng)不采用CAV方式了，而是采用稱為多帶式記錄(multiplezonerecording)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在這種方式下，磁盤表面被劃分為多個(gè)帶(如16帶)，每個(gè)帶中的磁道的位數(shù)固定，遠(yuǎn)離中心的帶要比靠近中心的帶容納更多的位，即具有更多的扇區(qū)。當(dāng)磁頭由一個(gè)帶移動(dòng)到另一個(gè)帶時(shí)，存儲(chǔ)位容量的改變將通過(guò)特殊的讀寫時(shí)序電路進(jìn)行處理以適應(yīng)不同的輸出速率。圖3.5(b)為多帶式記錄的一種磁盤布局。圖3.5磁盤扇區(qū)布局3.1.4磁盤的物理特性

表3.1給出了各種磁盤的主要物理特性。首先，磁頭在磁盤的徑向上既可以是固定的也可以是移動(dòng)的。在固定頭磁盤(FixedHeadDisk)中，每一個(gè)磁道上有一個(gè)讀/寫磁頭，所有磁頭安裝在跨越所有磁道的金屬支架上。在可移動(dòng)磁頭磁盤(MovableHeadDisk)中，只有一個(gè)讀/寫磁頭，磁頭被固定在支架上，但支架能伸縮，以使磁頭能定位在目的磁道上。表3.1磁盤主要物理特性磁盤本身安裝在磁盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，而驅(qū)動(dòng)器由支架、帶動(dòng)盤片旋轉(zhuǎn)的主軸和用于二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入/輸出的電路組成。不可更換磁盤(NonremovableDisk)則永久安裝在磁盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，而可更換磁盤(RemovableDisk)可從磁盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)取出并換上其他磁盤。這樣，在容量有限的磁盤系統(tǒng)中，可更換磁盤系統(tǒng)的容量容易擴(kuò)充，并在不同系統(tǒng)中能夠兼容操作，如軟盤、ZIP盒式磁盤等。

對(duì)于每一個(gè)磁盤而言，大多數(shù)都是兩面有可磁化的涂層，即雙面(DoubleSided)磁盤；而一些低成本的磁盤系統(tǒng)則采用單面(SingleSided)磁盤。通常磁盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)都會(huì)垂直安裝有多個(gè)盤片(MultiplePlatter)，盤間相隔約1英寸，同時(shí)具有多個(gè)支架。多盤片磁盤每面都有一個(gè)可以移動(dòng)的讀/寫磁頭，所有這些磁頭與圓心等距離固定在各個(gè)支架上移動(dòng)。于是，任何時(shí)刻各磁頭都位于等圓心距離的各面磁道上，那么具有相同圓心距離的一組磁道被稱為一個(gè)柱面(Cylinder)。圖3.6給出了磁盤的邏輯

結(jié)構(gòu)。圖3.6磁盤的邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)于磁盤系統(tǒng)分類，可以依據(jù)磁頭機(jī)制將磁盤劃分為三大類：第一類，讀/寫磁頭固定在盤上固定的位置，允許有一個(gè)氣隙；第二類，讀/寫磁頭在工作時(shí)接觸磁表面，通常用于容量小、使用靈活和價(jià)格便宜的軟盤(FloppyDisk)；第三類，就是常見的溫徹斯特磁盤(Winchester)，這種盤解決了磁盤數(shù)據(jù)密度與磁頭氣隙間存在的矛盾，即如果磁頭越窄，離盤面越近則越能獲得較大的數(shù)據(jù)密度；但是磁頭離盤面越近(氣隙越小)，由磁盤介質(zhì)不純引起的錯(cuò)誤率越高。溫盤將磁盤磁頭封裝到一個(gè)幾乎沒有污染的密封裝置中，其磁頭較普通金屬磁頭更加貼近磁盤表面，所以數(shù)據(jù)密度更大。當(dāng)磁盤不動(dòng)時(shí)，以氣墊的形式使磁頭輕停于磁盤表面。由磁盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣壓使氣墊升高而將磁頭與磁盤分離。這樣使得溫盤具有非接觸更窄的磁頭，并能以更接近磁面的方式進(jìn)行讀/寫數(shù)據(jù)，獲得更高的數(shù)據(jù)密度。因此目前多數(shù)磁盤系統(tǒng)都采用溫盤的結(jié)構(gòu)。圖3.7是硬盤的物理結(jié)構(gòu)圖，圖3.8為硬盤的實(shí)物照片。圖3.7硬盤物理結(jié)構(gòu)圖3.8硬盤實(shí)物照片計(jì)算機(jī)磁盤系統(tǒng)的性能由多個(gè)方面決定，如中央處理器性能、操作系統(tǒng)性能、I/O通道特性和磁盤控制器硬件性能。而這里我們主要考察磁盤物理上讀/寫性能的內(nèi)容。圖3.9給出了磁盤讀/寫操作時(shí)序的邏輯模型。圖3.9磁盤讀/寫時(shí)序的邏輯模型整個(gè)磁盤讀/寫時(shí)序包括等待設(shè)備、等待磁道、尋道、旋轉(zhuǎn)延遲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)任鍌€(gè)階段。在系統(tǒng)無(wú)操作時(shí)，磁盤處于等待設(shè)備階段。當(dāng)磁盤驅(qū)動(dòng)器操作時(shí)，磁盤主軸電機(jī)帶動(dòng)盤片以恒定的速度旋轉(zhuǎn)。讀/寫操作時(shí)，磁頭必須精確定位在所含數(shù)據(jù)的磁道和該磁道上目的扇區(qū)的起始處。磁道選擇包括在移動(dòng)磁頭系統(tǒng)中移動(dòng)磁頭或在固定磁頭系統(tǒng)中選擇特定磁頭。在可移動(dòng)磁頭系統(tǒng)中，磁頭定位到該磁道所花費(fèi)的時(shí)間稱為尋道時(shí)間(seektime)。一旦磁道選定后，磁盤控制器將處于等待狀態(tài)，直到相關(guān)的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下可讀/寫的位置，這段等待時(shí)間稱為旋轉(zhuǎn)延遲(rotationaldelay)。尋道時(shí)間與旋轉(zhuǎn)延遲之和稱為存取時(shí)間(accesstime)，即定位到真正讀/寫位置的時(shí)間。當(dāng)磁頭定位后，即可進(jìn)行讀/寫操作，完成數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，這段時(shí)間則稱為傳送時(shí)間(transfertime)。 3.2硬盤驅(qū)動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)

3.2.1硬盤簡(jiǎn)介

硬盤驅(qū)動(dòng)器接口的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)很早便已出臺(tái)。自1975年開始，直徑為14英寸和8英寸的硬盤采用SMD接口，即CDC公司的存儲(chǔ)模塊驅(qū)動(dòng)技術(shù)(StorageModuleDrives，SMD)。直至20世紀(jì)80年代，SMD已經(jīng)成為8英寸高性能驅(qū)動(dòng)器的通用標(biāo)準(zhǔn)。最終版本SMD-E的速率可達(dá)24MHz，但是由于8英寸驅(qū)動(dòng)器的電纜問(wèn)題，最終SMD標(biāo)準(zhǔn)和8英寸驅(qū)動(dòng)器于1990年以后逐漸退出市場(chǎng)。在SMD推出5年后，Seagate公司也推出了5MB的5.25英寸硬盤，由于其價(jià)格較低，可以應(yīng)用于一些性能要求不高的場(chǎng)合。5.25英寸硬盤的驅(qū)動(dòng)器采用稱為ST506的新型接口，其傳輸速率可達(dá)625kB/s。但是隨著計(jì)算機(jī)對(duì)傳輸速率要求的不斷提高，自IDE和SCSI在1991年推出后，就逐漸不再應(yīng)用ST506接口。與ST506接口同時(shí)期的還有Maxtor公司提出的ESDI(EnhancedSmallDeviceInterface)接口，ESDI使用與ST506一樣的電纜，但速率可達(dá)2.4MB/s。ESDI具有新的特殊命令，如尋道命令。在此之后，IDE和SCSI接口的出現(xiàn)及其不斷發(fā)展已經(jīng)占據(jù)了硬盤接口的很大份額。對(duì)于IDE接口的描述，我們首先從硬盤驅(qū)動(dòng)器模型開始。硬盤驅(qū)動(dòng)器把信息存儲(chǔ)在一套旋轉(zhuǎn)的磁盤上。信息能被讀/寫任意次，并且具有掉電不易失性。普通意義上講，硬盤驅(qū)動(dòng)器是指用不可移動(dòng)介質(zhì)制成的驅(qū)動(dòng)器。這里的硬盤含義是相對(duì)于軟盤中使用的較為柔軟的介質(zhì)

而言的。3.2.2硬盤驅(qū)動(dòng)器組織結(jié)構(gòu)

硬盤驅(qū)動(dòng)器的磁盤由一定的可寫表面組成，每個(gè)磁盤上均有一系列被稱為磁道的同心圓，數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在這些磁道上。每一個(gè)磁道又進(jìn)一步劃分為扇區(qū)，扇區(qū)是硬盤的最小讀/寫單元。所有對(duì)硬盤數(shù)據(jù)的讀/寫訪問(wèn)都會(huì)將讀寫磁頭定位到正確的磁道上，然后等待目的扇區(qū)轉(zhuǎn)到讀/寫磁頭下面后開始數(shù)據(jù)的交換。注意在讀/寫扇區(qū)時(shí)以位的方式串行進(jìn)行。圖3.6給出了硬盤驅(qū)動(dòng)器的邏輯模型。從圖可見，硬盤驅(qū)動(dòng)器通常包括2～8個(gè)磁盤，每一個(gè)磁盤為雙面可讀/寫。每一個(gè)盤面具有一個(gè)讀/寫磁頭，在同一時(shí)間只有一個(gè)磁道可以進(jìn)行讀/寫，磁頭定位在磁道上，磁道上能由磁頭訪問(wèn)的位置稱為柱面。因此，驅(qū)動(dòng)器的扇區(qū)可以由柱面、磁頭和扇區(qū)號(hào)唯一尋址定位。

1.扇區(qū)格式

硬盤通常采用名為Index的信號(hào)標(biāo)識(shí)磁道的起始位置。當(dāng)磁頭到達(dá)磁道的起始位置后，Index信號(hào)發(fā)出一個(gè)脈沖，以此表示磁道的第一個(gè)扇區(qū)開始。對(duì)于其他扇區(qū)的起始位置，則通過(guò)Sector信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的脈沖，如果Sector信號(hào)由硬件電路產(chǎn)生，那么這種驅(qū)動(dòng)器稱為硬分區(qū)的驅(qū)動(dòng)器；如果扇區(qū)的開始由磁頭從存儲(chǔ)介質(zhì)中獲取，那么稱為軟分區(qū)的驅(qū)動(dòng)器。由于計(jì)算機(jī)以字節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而扇區(qū)則是以位進(jìn)行數(shù)據(jù)讀/寫，硬盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用一個(gè)名為磁盤格式器的芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的并串與串并轉(zhuǎn)換。在讀/寫磁頭和格式器之間則采用數(shù)據(jù)分割器用以在讀/寫數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生同步時(shí)鐘。在進(jìn)行對(duì)磁盤讀/寫的時(shí)候，還需要放大器將磁頭的模擬信號(hào)放大處理以完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸。扇區(qū)作為基本讀/寫單位，內(nèi)部信息具有特定的格式，由不同區(qū)段組成扇區(qū)格式。首先，第一個(gè)區(qū)段用以同步數(shù)據(jù)分割器，第二個(gè)區(qū)段則是地址段，地址段包含柱面、磁頭和扇區(qū)序號(hào)的信息以準(zhǔn)確定位到讀/寫位置。在地址段以后是循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)字段，它用于檢查讀地址是否正確。以上三個(gè)區(qū)段合起來(lái)稱為頭標(biāo)。接下來(lái)為數(shù)據(jù)段內(nèi)容。在數(shù)據(jù)開始位置是同步段，然后才是實(shí)際數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)段內(nèi)，通常有糾錯(cuò)碼字段(ECC)以在一定范圍內(nèi)糾正傳輸引起的誤碼。在扇區(qū)結(jié)束部分通常會(huì)有一部分間隔(gap)以緩沖磁盤旋轉(zhuǎn)速度。每一個(gè)扇區(qū)上的數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)量與其格式化容量相匹配。典型格式化扇區(qū)的大小有512B、1024B和4096B。圖3.10給出了扇區(qū)的格式。圖3.10扇區(qū)格式

2.格式化的基本概念

驅(qū)動(dòng)器介質(zhì)只有在已經(jīng)被格式化之后，才能用于數(shù)據(jù)讀/寫存儲(chǔ)。格式化不僅包括在扇區(qū)內(nèi)寫入頭標(biāo)，還包括寫入數(shù)據(jù)段，任何一種數(shù)據(jù)形式通常采用ECC碼保護(hù)。雖然軟分區(qū)允許單個(gè)磁道格式化，硬分區(qū)允許對(duì)單個(gè)扇區(qū)格式化，但是一般整個(gè)驅(qū)動(dòng)器僅格式化一次。需要注意的是，地址上連續(xù)的扇區(qū)在磁盤物理介質(zhì)上很可能不連續(xù)，這樣方便某些時(shí)候的讀/寫操作。

對(duì)數(shù)據(jù)的讀是通過(guò)扇區(qū)的操作完成的，這一過(guò)程為磁頭首先定位在正確的柱面上，然后對(duì)應(yīng)盤面上磁頭與分離器芯片工作尋找頭標(biāo)，直到適合的地址段出現(xiàn)，最后在此頭標(biāo)后的數(shù)據(jù)就是需要的數(shù)據(jù)讀出。對(duì)數(shù)據(jù)的寫相對(duì)較為復(fù)雜，在正確的位置(頭標(biāo))找到之前，與讀的過(guò)程一致。在此后，放大電路就從讀狀態(tài)切換到寫狀態(tài)。新的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ECC編碼后才可以寫入。通常在頭標(biāo)和數(shù)據(jù)段之間保留一個(gè)寫入切換位置，以緩沖打開寫電路時(shí)間。

3.交叉區(qū)

較早的驅(qū)動(dòng)器控制器中會(huì)保留一個(gè)規(guī)模很小的本地緩沖區(qū)，如僅一個(gè)扇區(qū)的大小。在這種情況下，控制器必須在讀下一個(gè)扇區(qū)前將當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。如果不能及時(shí)完成數(shù)據(jù)傳輸，磁頭會(huì)忽略扇區(qū)間的間隔，控制器就必須等待磁盤旋轉(zhuǎn)一周才能重新讀寫目的扇區(qū)。這樣的時(shí)間延遲約17ms。為了避免這樣的延遲，在磁道格式中安排交叉區(qū)的方式保證有充足的時(shí)間進(jìn)行下一個(gè)扇區(qū)的讀/寫操作。采用在兩個(gè)扇區(qū)間插入交叉區(qū)后，地址上連續(xù)的扇區(qū)在物理位置上卻是分離的。交叉區(qū)必然使得磁盤的數(shù)據(jù)密度降低，損失了存儲(chǔ)容量。因此，當(dāng)前的磁盤已經(jīng)不再使用交叉區(qū)方式，而是采用更大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以解決速度匹配的問(wèn)題，這些緩沖區(qū)大小可以達(dá)到整個(gè)磁道的容量。

4.磁道與柱面偏移

當(dāng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)讀/寫時(shí)，為了獲得更高的吞吐量，控制器或操作系統(tǒng)通常將數(shù)據(jù)安排在一個(gè)磁道上。如果數(shù)據(jù)占用了多個(gè)磁道空間，那么就安排在位于同一柱面的下一個(gè)磁頭所在的磁道上，如此安排直到整個(gè)柱面寫滿。這樣的優(yōu)點(diǎn)就是切換磁頭所需要的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁道間的切換。當(dāng)整個(gè)柱面都使用后，磁頭才必須轉(zhuǎn)到下一個(gè)磁道。但是切換磁頭同樣存在時(shí)延，從而導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)一個(gè)扇區(qū)。尤其是在磁道的最后扇區(qū)讀寫后，磁頭進(jìn)行換道操作所引起的延遲可能會(huì)錯(cuò)過(guò)新磁道的第一個(gè)扇區(qū)。為了不等待多余的旋轉(zhuǎn)，可采用將第一個(gè)扇區(qū)地址偏移一個(gè)或數(shù)個(gè)物理扇區(qū)的方法實(shí)現(xiàn)，通常稱為磁道偏移(螺旋偏移)。當(dāng)前技術(shù)水平已經(jīng)可以做到0磁道偏移。圖3.11給出了扇區(qū)安排的實(shí)例。圖3.11交錯(cuò)因子和磁道偏移3.2.3硬盤驅(qū)動(dòng)器主要技術(shù)指標(biāo)

1.容量

硬盤驅(qū)動(dòng)器的容量通常采用兩種方式表示，未格式化容量和格式化容量。未格式化容量是指每個(gè)磁道位數(shù)目、柱面數(shù)目和磁頭數(shù)目的乘積，以字節(jié)為單位表示。格式化容量則與采用的扇區(qū)格式相關(guān)，其值為扇區(qū)尺寸、每磁道扇區(qū)數(shù)目和磁頭數(shù)目的乘積。通常格式化容量小于未格式化容量。

2.平均訪問(wèn)時(shí)間

平均訪問(wèn)時(shí)間包含兩方面因素，即平均尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間。平均尋道時(shí)間是指磁頭放到指定柱面上所需要的時(shí)間，而旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間則是目標(biāo)扇區(qū)到達(dá)磁頭的時(shí)間，一般可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間平均為旋轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)磁盤的轉(zhuǎn)速來(lái)確定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間。對(duì)于尋道時(shí)間具體完成的動(dòng)作就是利用移動(dòng)支架使磁頭對(duì)準(zhǔn)所要求的目的磁道的時(shí)間。尋道時(shí)間可以由兩個(gè)主要部分組成：初始啟動(dòng)時(shí)間和支架加速到指定速度后還需跨越若干磁道所需時(shí)間。然而這兩個(gè)參數(shù)都很難用磁道數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單線性建模，其中跨越時(shí)間還包括啟動(dòng)時(shí)間和磁頭定位到目的磁道后至磁道標(biāo)識(shí)被證實(shí)的沉淀時(shí)間。當(dāng)然減少尋道時(shí)間的方法可以通過(guò)使用更小、更輕的盤實(shí)現(xiàn)，如較早前的盤直徑為36cm，而目前的盤直徑已經(jīng)達(dá)到8.9cm，這樣可以減少支架需要跨越的距離，使得平均尋道時(shí)間不超過(guò)10ms。而旋轉(zhuǎn)延遲方面，根據(jù)硬盤的轉(zhuǎn)速不同，應(yīng)用從3600r/m(轉(zhuǎn)/分鐘)到15000r/m不等。對(duì)于15000r/m而言，旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是4ms，那么平均旋轉(zhuǎn)延遲則是2ms。對(duì)于軟盤系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速在300～600r/m之間，平均旋轉(zhuǎn)延遲則是在50～100ms以內(nèi)。

3.傳輸率和吞吐量

傳輸率指串行化的每位由磁頭讀/寫到磁盤上的速度，是每個(gè)磁道上位的數(shù)量和磁盤每秒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的乘積，用Mb/s或者M(jìn)Hz表示。

吞吐量表示驅(qū)動(dòng)器在接口上可以傳送的數(shù)據(jù)量，可以先用傳輸率除以8(得到每秒傳送的字節(jié)數(shù))，然后除以讀完一個(gè)磁道所需要的旋轉(zhuǎn)次數(shù)并乘以0.9進(jìn)行估計(jì)。吞吐量綜合了讀/寫扇區(qū)和格式化的因素，相對(duì)來(lái)講是比較合適的速度描述。以上是對(duì)整個(gè)硬盤吞吐量的經(jīng)驗(yàn)表示，還可以通過(guò)下面的計(jì)算公式得到較為精確的磁盤吞吐率。假設(shè)一次從硬盤讀取數(shù)據(jù)為L(zhǎng)字節(jié)，硬盤驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速為r轉(zhuǎn)/秒，硬盤各磁道容量相同均為N字節(jié)，那么讀取這些數(shù)據(jù)所需時(shí)間(秒)為

總的平均傳送時(shí)間Ta(秒)由平均尋道時(shí)間Ts、旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間和上式給出的讀取時(shí)間求和確定，即至此，可得吞吐量為L(zhǎng)/Ta(字節(jié)/秒)。

為了加強(qiáng)對(duì)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)的認(rèn)識(shí)，表3.2給出了五款典型硬盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)。表3.2典型硬盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)下面以一個(gè)硬盤接口實(shí)例來(lái)具體說(shuō)明有關(guān)技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算。假設(shè)一硬盤組由8個(gè)磁盤構(gòu)成，每個(gè)磁盤具有2個(gè)記錄面，其中最上和最下面的盤面不記錄數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑為22cm，外徑為33cm，磁道密度為60道/cm，內(nèi)層數(shù)據(jù)位密度為400位/cm，磁盤轉(zhuǎn)速為3600r/m。計(jì)算：

(1)該磁盤的柱面數(shù)；

(2)存儲(chǔ)總?cè)萘浚?/p>

(3)數(shù)據(jù)傳輸率；

(4)當(dāng)文件長(zhǎng)度超過(guò)了一個(gè)磁道的容量，該如何存儲(chǔ)。

解：(1)根據(jù)內(nèi)徑和外徑指標(biāo)，有效存儲(chǔ)區(qū)域的長(zhǎng)度為(33/2)－(22/2)?=?5.5cm，而磁道密度為60道/cm，那么有效磁道數(shù)為5.5cm×60道/cm=330道，有效磁道數(shù)就是磁盤的柱面數(shù)，即330個(gè)柱面。

(2)根據(jù)內(nèi)層直徑22cm，可得內(nèi)層磁道周長(zhǎng)為22cm×3.14?=?69.08cm，而內(nèi)層數(shù)據(jù)位密度為400位/cm，則內(nèi)層存儲(chǔ)容量為400位/cm×69.08cm?=?27632位?=?3454B。因?yàn)榇疟P每磁道數(shù)據(jù)容量相同，所以單面磁盤容量為330×3454B?=?1139820B，可使用磁盤面為14，那么總?cè)萘烤褪?4×1139820B?=?15957480B?=?15.22MB。

(3)數(shù)據(jù)傳輸率可以用轉(zhuǎn)速?×?磁道數(shù)據(jù)求得，即3600轉(zhuǎn)/分×3454B/轉(zhuǎn)?=?11.86MB/分?=?202.38kB/s。

(4)為了快速進(jìn)行數(shù)據(jù)讀/寫，文件應(yīng)首先存儲(chǔ)到同一個(gè)盤面的相同磁道上的不同扇區(qū)，如果單個(gè)磁道容量不夠時(shí)，那么就應(yīng)當(dāng)在其他盤面的相同磁道上繼續(xù)存儲(chǔ)，即在同一柱面上記錄，這樣做可以避免磁頭尋道的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間，加快讀/寫速度。如果所有磁盤上相同柱面都已經(jīng)存儲(chǔ)滿時(shí)，那么就可以通過(guò)移動(dòng)磁頭到鄰近的下一個(gè)柱面進(jìn)行存儲(chǔ)，直至所有的磁盤均已寫滿。這樣對(duì)一個(gè)磁盤的地址編排就應(yīng)該是如下格式：3.2.4硬盤接口整體模型

硬盤存儲(chǔ)器可以看做一個(gè)較為復(fù)雜的機(jī)械電子系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械裝置包括介質(zhì)、磁頭、模擬電子設(shè)備、磁頭定位電子設(shè)備組成，接著是數(shù)據(jù)分離器，用以將模擬信號(hào)數(shù)字化，而格式器用以并行操作數(shù)據(jù)(可以認(rèn)為是串/并轉(zhuǎn)換)，控制器負(fù)責(zé)控制讀/寫操作，主機(jī)適配器則管理控制器與主機(jī)間的聯(lián)系。具體框圖可見圖3.12。圖3.12硬盤接口結(jié)構(gòu)物理上，接口是負(fù)責(zé)連接驅(qū)動(dòng)器設(shè)備與計(jì)算機(jī)間的電纜，而邏輯上，接口是符合一定規(guī)范的數(shù)據(jù)交互協(xié)議。根據(jù)其功能不同采用不同的符號(hào)進(jìn)行區(qū)別表示。

ST506接口位于模擬數(shù)據(jù)電子設(shè)備與數(shù)據(jù)分離器間，由控制器決定數(shù)據(jù)寫到驅(qū)動(dòng)器上的方式。在ST506接口之后，ESDI接口則將數(shù)據(jù)分離器集成到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，而SCSI又把格式器和控制器集成到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。IDE接口則幾乎完全將所有接口電路集成到自身的電路板上。IDE的做法使得與IBMPC兼容機(jī)方便連接，適應(yīng)市場(chǎng)的需求。為了簡(jiǎn)單起見，我們這里僅對(duì)IDE接口進(jìn)行重點(diǎn)描述，而ST506方面的細(xì)節(jié)請(qǐng)參看相應(yīng)資料。 3.3硬盤驅(qū)動(dòng)器IDE接口

3.3.1IDE接口概述

IDE(IntegratedDiskElectronics，集成磁盤電路設(shè)備)也可以稱為AT總線接口，這是因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)器的電子接口方面模擬了IBMAT計(jì)算機(jī)的硬盤控制器而來(lái)。因此為了避免和IBMAT總線混淆，IDE接口的正式名稱為AT-Attachment(ATA)。ATA是由ANSI協(xié)會(huì)X3T9.2工作組完成制定和管理以及發(fā)布的。目前，IDE接口仍被廣泛應(yīng)用于PC的硬盤接口中。

IDE接口開始應(yīng)用于1984年，在Compaq公司的努力推動(dòng)下得到了較快發(fā)展。在Compaq和西部數(shù)據(jù)(WesternDigital)聯(lián)合研發(fā)情況下，IDE控制器可以實(shí)現(xiàn)直接安裝到硬盤驅(qū)動(dòng)器上，在物理上采用40針的電纜與系統(tǒng)總線連接。1985年，CDC公司在其硬盤驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)了IDE接口，并直接安裝到Compaq的計(jì)算機(jī)中，這就是第一個(gè)IDE磁盤驅(qū)動(dòng)器。接著，1988年10月，ANSI協(xié)會(huì)X3T9.2工作組開始標(biāo)準(zhǔn)化工作，IDE因此有了新的名稱ATA，標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范就是X3.221-1994標(biāo)準(zhǔn)。1995年制定了ATA-2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并制定了一些新的命令。它使用一個(gè)40芯電纜與主板進(jìn)行連接，最初的設(shè)計(jì)只能支持兩個(gè)硬盤，最大容量也被限制在504MB之內(nèi)。與此同時(shí)，ATAPI標(biāo)準(zhǔn)也完成了制定。ATAPI的最初目的是為了對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作而不是在硬盤中應(yīng)用IDE接口。ATAPI使用IDE作為其物理接口，但命令采用SCSI形式。目前，CDROM驅(qū)動(dòng)器中主要采用ATAPI接口。在ATA-2之后又出現(xiàn)了ATA-3。ATA-3標(biāo)準(zhǔn)并沒有提高數(shù)據(jù)傳輸速率，而是增加了一些新的命令和程序。下面給出ATA標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的基本歷程。

ATA接口從誕生至今，共推出了7個(gè)不同的版本，分別是：ATA-1(IDE)、ATA-2(EIDEEnhancedIDE/FastATA)、ATA-3(FastATA-2)、ATA-4(ATA33)、ATA-5(ATA66)、ATA-6(ATA100)、ATA-7(ATA133)。

1.?ATA-1

ATA-1在主板上有一個(gè)插口，支持一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備，每個(gè)設(shè)備的最大容量為504MB，支持的PIO-0模式傳輸速率只有3.3MB/s。ATA-1支持PIO模式包括有PIO-0和PIO-1、PIO-2模式，另外還支持四種DMA模式(沒有得到實(shí)際應(yīng)用)。ATA-1接口的硬盤大小為5英寸，而不是現(xiàn)在主流的3.5英寸。

2.?ATA-2

ATA-2是對(duì)ATA-1的擴(kuò)展，習(xí)慣上也稱為EIDE(EnhancedIDE)或FastATA。它在ATA的基礎(chǔ)上增加了兩種PIO和兩種DMA模式(PIO-3)，它不僅將硬盤的最高傳輸率提高到16.6MB/s，同時(shí)還引進(jìn)LBA地址轉(zhuǎn)換方式，突破了固有的504MB的限制，可以支持最高達(dá)8.1GB的硬盤。在支持ATA-2的電腦的BIOS設(shè)置中，一般可以見到LBA(LogicalBlockAddress)和CHS(CylinderHeadSector)的設(shè)置，同時(shí)在EIDE接口的主板一般有兩個(gè)EIDE插口，它們也可以分別連接一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備，這樣一塊主板就可以支持四個(gè)EIDE設(shè)備，這兩個(gè)EDIE接口一般稱為IDE1和IDE2。

3.?ATA-3

ATA-3在傳輸速率上并沒有任何的提升，其最高速率仍為16.6MB/s。它只在電源管理方案方面進(jìn)行了修改，引入了簡(jiǎn)單的密碼保護(hù)的安全方案。但ATA-3引入了一個(gè)劃時(shí)代的技術(shù)，即S.M.A.R.T(Self-MonitoringAnalysisandReportingTechnology，自監(jiān)測(cè)、分析和報(bào)告技術(shù))。這項(xiàng)技術(shù)會(huì)及時(shí)對(duì)包括磁頭、盤片、電機(jī)、電路等硬盤部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)電路和主機(jī)上的監(jiān)測(cè)軟件對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，把其運(yùn)行狀況和歷史記錄同預(yù)設(shè)的安全值進(jìn)行分析、比較，當(dāng)記錄數(shù)值超出了安全值的范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)出警告，進(jìn)而對(duì)硬盤潛在故障做出有效預(yù)測(cè)，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。

4.?ATA-4

從ATA-4接口標(biāo)準(zhǔn)開始，ATA接口正式支持UltraDMA數(shù)據(jù)傳輸模式，因此也習(xí)慣稱ATA-4為UltraDMA33或ATA33。在ATA接口中首次采用了DoubleDataRate(雙倍數(shù)據(jù)傳輸)技術(shù)，讓接口在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)兩次，時(shí)鐘上升和下降期各有一次數(shù)據(jù)傳輸，這樣數(shù)據(jù)傳輸率從16MB/s提升至33MB/s。UltraDMA33還引入了一個(gè)新技術(shù)，即冗余校驗(yàn)計(jì)術(shù)(CRC)。該技術(shù)的設(shè)計(jì)方針是系統(tǒng)與硬盤在進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中，隨數(shù)據(jù)發(fā)送循環(huán)的冗余校驗(yàn)碼，對(duì)方在收取的時(shí)候也對(duì)該校驗(yàn)碼進(jìn)行檢驗(yàn)，只有在完全核對(duì)正確的情況下才接收并處理得到的數(shù)據(jù)，這對(duì)于高速傳輸數(shù)據(jù)的安全性有著極有力的保障。

5.?ATA-5

ATA-5就是“UltraDMA66”，也叫ATA66，是建立在UltraDMA33硬盤接口的基礎(chǔ)上的，它同樣采用了UDMA技術(shù)。UltraDMA66讓主機(jī)接收/發(fā)送數(shù)據(jù)速率達(dá)到66.6MB/s，是U-DMA/33的兩倍。保留了上代UltraDMA33的核心技術(shù)冗余校驗(yàn)計(jì)術(shù)(CRC)。在工作頻率提成的同時(shí)，電磁干擾問(wèn)題存在于ATA接口中，為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，防止電磁干擾，UltraDMA66接口開始使用40針腳80芯的電纜，40針腳是為了兼容以往的ATA插槽，從而減小成本的增加。80芯中新增的都是地線，與原有的數(shù)據(jù)線一一對(duì)應(yīng)，這種設(shè)計(jì)可以降低相鄰信號(hào)線之間的電磁干擾。

6.?ATA-6

ATA100接口和數(shù)據(jù)線與ATA66一樣，也是使用40針80芯的數(shù)據(jù)傳輸電纜，并且ATA100接口完全向下兼容，支持ATA33、ATA66接口的設(shè)備完全可以繼續(xù)在ATA100接口中使用。ATA100規(guī)范可以輕松應(yīng)付目前ATA33和ATA66接口所棘手的難題。ATA100可以讓硬盤的外部傳輸率達(dá)到100MB/s，它提高了硬盤數(shù)據(jù)的完整性與數(shù)據(jù)傳輸率，對(duì)桌面系統(tǒng)的磁盤子系統(tǒng)性能有較大的提升作用，而CRC技術(shù)更有效地提高了高速傳輸中數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

7.?ATA-7

ATA-7是ATA接口的最后一個(gè)版本，也叫ATA133。邁拓公司是目前唯一一家推出ATA133接口標(biāo)準(zhǔn)硬盤的制造商，這也是第一種在接口速率上超過(guò)100MB/s的IDE硬盤。其他IDE硬盤廠商則停止了對(duì)IDE接口的開發(fā)，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)SerialATA接口標(biāo)準(zhǔn)的硬盤。ATA133接口支持133MB/s數(shù)據(jù)傳輸速率，在ATA接口發(fā)展到ATA100的時(shí)候，這種并行接口的電纜屬性、連接器和信號(hào)協(xié)議都表現(xiàn)出了很大的技術(shù)瓶頸，而在技術(shù)上突破這些瓶頸則存在相當(dāng)大的難度。新型的硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生也就在所難免。以上所講都是傳統(tǒng)的并行ATA傳輸方式，現(xiàn)在又出現(xiàn)了串行ATA(SerialATA，SATA)，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率更進(jìn)一步提高到了150MB/s，將來(lái)還會(huì)提高到300MB/s，而且其接口非常小巧，排線也很細(xì)，這有利于機(jī)箱內(nèi)部空氣流動(dòng)從而加強(qiáng)散熱效果，也使機(jī)箱內(nèi)部顯得不太凌亂。與并行ATA相比，SATA還支持熱插拔。3.3.2IDE適配器

圖3.12給出了IDE設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。IDE接口并不是一個(gè)單純的I/O總線，不能像I/O總線一樣具有對(duì)各種不同的設(shè)備單元進(jìn)行尋址訪問(wèn)的通用方式。IDE接口僅能在一兩臺(tái)硬盤驅(qū)動(dòng)器中使用，并只允許一臺(tái)主機(jī)對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。

IDE接口可以采用多種配置，這里主要說(shuō)明其常用的兩種配置。首先圖3.13給出了標(biāo)準(zhǔn)配置，由一塊接口板(IDE適配器)和一臺(tái)具有ISA或EISA總線的主機(jī)組成。其中，兩個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器直接和IDE適配器連接。這種配置情況下，由于受到ISA總線的約束，IDE接口僅能工作在不超過(guò)8.3MB/s的速度。圖3.13包含ISA總線的IDE標(biāo)準(zhǔn)配置圖3.14則表示了IDE接口的第二種配置。該配置通過(guò)IDE接口在一臺(tái)采用了任何系統(tǒng)總線的計(jì)算機(jī)上為硬盤安裝一塊主機(jī)適配器。在該配置情況下，使用地址“0”的設(shè)備是主驅(qū)動(dòng)器，使用地址“1”的設(shè)備是從驅(qū)動(dòng)器。在一般情況下，這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器相互獨(dú)立，其主從關(guān)系僅在特定時(shí)刻體現(xiàn)，比如系統(tǒng)啟動(dòng)、復(fù)位。但是因?yàn)檫@兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器均有獨(dú)立的控制器，所以當(dāng)信號(hào)同時(shí)到達(dá)控制器時(shí)，需要依靠各自驅(qū)動(dòng)器的寄存器中尋址位的數(shù)值來(lái)決定具體選中的驅(qū)動(dòng)器。圖3.14不包含ISA總線的IDE標(biāo)準(zhǔn)配置3.3.3IDE物理接口

1.電氣接口

1)信號(hào)電纜和連接器

IDE接口使用40針的帶狀電纜，通常電纜長(zhǎng)度不超過(guò)46cm(18英寸)。電纜連接器通常安裝在帶狀電纜的兩端用來(lái)連接主機(jī)和硬盤驅(qū)動(dòng)器。表3.3中給出了ATA-2標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)電氣規(guī)范。在ATA-2中大部分信號(hào)都采用TTL電平，少數(shù)信號(hào)如DASP、PDIAG、IOCS16、SPSYNC及PSEL沒有采用TTL電平。在2.5英寸硬盤驅(qū)動(dòng)器中，采用44針的電纜完成信號(hào)及供電電壓的所有連接。在硬盤驅(qū)動(dòng)器的末端采用一個(gè)50管腳的Dupont連接器。多出的6個(gè)管腳中的兩個(gè)用于完成編碼，其余則用來(lái)為驅(qū)動(dòng)器的編號(hào)進(jìn)行跳線。

由于ATA-2標(biāo)準(zhǔn)與PCMCIA接口具有相同的68針連接，故ATA-2信號(hào)排列和PCMCIA幾乎一致。表3.3IDE電纜參數(shù)

2)電源電壓

在磁盤驅(qū)動(dòng)器中所采用的電源電壓符合ATA標(biāo)準(zhǔn)。采用4個(gè)管腳的AMP連接器。表3.4給出具體數(shù)值。表3.4IDE驅(qū)動(dòng)器管腳電壓

2.信號(hào)安排

在ATA標(biāo)準(zhǔn)中，可以采用信號(hào)的名字或者縮寫表示，具體信號(hào)列表見表3.5。帶有?#?表示信號(hào)為低電平有效。數(shù)據(jù)流的方向是相對(duì)于磁盤驅(qū)動(dòng)器而言的，IN表示進(jìn)入磁盤驅(qū)動(dòng)器，OUT表示從磁盤驅(qū)動(dòng)器中出來(lái)，I/O表示雙向傳輸。表3.5IDE管腳信號(hào)定義續(xù)表以下是對(duì)表中信號(hào)的解釋：

(1)?CS0#：該信號(hào)用于選通命令寄存器組。當(dāng)?shù)刂吩?F0h～1FFh內(nèi)某端口訪問(wèn)時(shí)，將由IDE總線適配器從ISA總線中尋址產(chǎn)生該信號(hào)。在ATA-1標(biāo)準(zhǔn)中，該信號(hào)稱為CS1FX#。

(2)?CS1#：該信號(hào)用于選通控制寄存器組。當(dāng)?shù)刂吩?F0h～3FFh內(nèi)某端口訪問(wèn)時(shí)，將由IDE總線適配器從ISA總線中尋址產(chǎn)生該信號(hào)。在ATA-1標(biāo)準(zhǔn)中，該信號(hào)稱為CS3FX#。

由于采用這兩個(gè)信號(hào)，IDE磁盤驅(qū)動(dòng)器必須使用適配器來(lái)與使用ISA總線的接口進(jìn)行連接。當(dāng)然，也可以在IDE電纜中加入ISA總線地址線，但是將超出40針電纜容量。

(3)?DA0～DA2：分別選通命令和控制寄存器組中的一個(gè)寄存器。這些信號(hào)可由ISA總線直接產(chǎn)生獲得。

(4)?DASP#：該信號(hào)可完成兩個(gè)獨(dú)立的功能。當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)或進(jìn)行復(fù)位后，1號(hào)磁盤驅(qū)動(dòng)器會(huì)立即插入該信號(hào)表示其自身存在。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，該信號(hào)表明選通的磁盤驅(qū)動(dòng)器正在工作，同時(shí)也會(huì)表示磁盤驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)。

(5)?DD0～DD15：用于向寄存器組和磁盤驅(qū)動(dòng)器傳輸數(shù)據(jù)，可以直接從ISA總線的數(shù)據(jù)線中獲得。

(6)?DIOR#、DIOW#：這兩個(gè)信號(hào)是對(duì)磁盤驅(qū)動(dòng)器的寄存器進(jìn)行讀/寫時(shí)的問(wèn)答握手信號(hào)，可以認(rèn)為是讀/寫使能信號(hào)。

(7)?DMARQ和DMACK#：這兩個(gè)信號(hào)是在主機(jī)和磁盤驅(qū)動(dòng)器之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的一對(duì)握手信號(hào)。如果不采用DMA方式工作，則這兩個(gè)信號(hào)不起作用。

(8)?INTRQ：主機(jī)產(chǎn)生的中端觸發(fā)信號(hào)。

(9)??IOCS16#：該信號(hào)用于表示主機(jī)將要進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的傳輸；否則，將要進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的傳輸，使用DD0～DD7數(shù)據(jù)線。該信號(hào)僅適用于寄存器到數(shù)據(jù)寄存器的訪問(wèn)，不適用于訪問(wèn)其他的寄存器及DMA傳輸模式。

(10)?IORDY：可選信號(hào)。如果不使用該信號(hào)，則應(yīng)置為高阻狀態(tài)；如果使用該信號(hào)，表明此時(shí)控制器不能訪問(wèn)寄存器，即沒有準(zhǔn)備就緒。主機(jī)將延遲其訪問(wèn)周期。

(11)?PDIAG：該信號(hào)是啟動(dòng)協(xié)議的一部分。當(dāng)從驅(qū)動(dòng)器完成自檢過(guò)程后，可以通過(guò)該信號(hào)通知主驅(qū)動(dòng)器。

(12)?RESET#：該信號(hào)來(lái)自主機(jī)，用于對(duì)主從驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行復(fù)位。

(13)?SPSYNC和CSEL：僅一根信號(hào)線。其功能可選，但不能同時(shí)使用。其中，SPSYNC由廠家確定，用于決定正在通信的兩個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器是否因?yàn)橥蕉韧?。但是，在該信?hào)產(chǎn)生時(shí)，主驅(qū)動(dòng)器是信息的提供方，從驅(qū)動(dòng)器則是接收方。CSEL信號(hào)允許磁盤驅(qū)動(dòng)器改變自己的編號(hào)。如果把該信號(hào)接到磁盤驅(qū)動(dòng)器的接口上，那么該磁盤驅(qū)動(dòng)器就是主磁盤驅(qū)動(dòng)器，并且編號(hào)為“0”；否則為從磁盤驅(qū)動(dòng)器，并且編號(hào)為“1”。

3.時(shí)序特點(diǎn)

采用IDE接口數(shù)據(jù)傳輸可以有兩種方式：可編程的I/O(PIO)方式和DMA方式。下面是有關(guān)時(shí)序的一些基本說(shuō)明：ATA標(biāo)準(zhǔn)為PIO和DMA定義了多種操作模式。模式0為最慢的正常模式。表3.6說(shuō)明了各種操作模式的循環(huán)周期和所能到達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸速率。表3.6各種操作模式的循環(huán)時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸速率

4.?PIO數(shù)據(jù)傳輸

對(duì)控制寄存器進(jìn)行獲取必須通過(guò)PIO模式。這包括讀取狀態(tài)、顯示錯(cuò)誤信息、參數(shù)設(shè)定和寫入命令等操作。PIO模式在每一次訪問(wèn)操作時(shí)必須分別進(jìn)行編程。圖3.15給出了簡(jiǎn)化的PIO訪問(wèn)時(shí)序圖。圖3.15PIO數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

PIO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，首先主機(jī)必須把傳輸需要的地址信號(hào)發(fā)送到地址線上，包括CS1FX、CS3FX和DA0～DA2等信號(hào)，然后等待70ns。對(duì)于讀操作將會(huì)產(chǎn)生DIOR#信號(hào)，而對(duì)于寫操作將會(huì)產(chǎn)生DIOW#信號(hào)。同時(shí)，產(chǎn)生IOCS16#信號(hào)決定傳輸8位還是16位數(shù)據(jù)。對(duì)于寫操作而言，主機(jī)會(huì)把要寫入的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上；對(duì)于讀操作，控制器將會(huì)把需要的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)線上。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，在DIOR#或DIOW#信號(hào)取消之前，數(shù)據(jù)必須保持有效。接著根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，由主機(jī)或控制器把數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。最后，地址、數(shù)據(jù)和IOCS16#信號(hào)去除，完成一次循環(huán)周期。整個(gè)周期在正常情況下將持續(xù)600ns，而速度比較快的傳輸方式僅需要240ns。

5.單字DMA

圖3.16給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的單字DMA時(shí)序圖。圖3.16單字DMA時(shí)序

6.多數(shù)據(jù)DMA

在多數(shù)據(jù)DMA情況下，CPU僅需要一個(gè)傳輸請(qǐng)求信號(hào)就可以完成對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)序列的DMA傳輸控制。圖3.17描述了使用多數(shù)據(jù)DMA傳輸?shù)臅r(shí)序圖。多數(shù)據(jù)DMA傳輸?shù)挠|發(fā)與單字DMA傳輸幾乎一致，直到第一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束數(shù)據(jù)線空閑為止。與單數(shù)據(jù)DMA不同，多數(shù)據(jù)DMA傳輸不釋放DMARQ信號(hào)，而且相應(yīng)的DMACK信號(hào)也會(huì)保持高電平。主機(jī)釋放DIOR信號(hào)約200ns后，該信號(hào)再次產(chǎn)生，開始新的數(shù)據(jù)傳輸周期。在最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，當(dāng)產(chǎn)生DIOR信號(hào)的時(shí)候，主機(jī)才會(huì)把DMARQ信號(hào)去除。最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸完成標(biāo)志整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。圖3.17多數(shù)據(jù)DMA時(shí)序3.3.4IDE協(xié)議

1.?IDE控制器中寄存器模型

IDE控制器是以內(nèi)部寄存器的形式出現(xiàn)在主機(jī)系統(tǒng)中的。由IDE接口負(fù)責(zé)主機(jī)和控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于主機(jī)系統(tǒng)而言，IDE控制器就如同早期的IBMAT計(jì)算機(jī)中的ST506控制器，但是增加了一些附加功能。從主機(jī)角度看，IDE控制器提供兩個(gè)I/O寄存器組。這些寄存器處于ISA總線中的I/O位置，而不是內(nèi)存尋址空間。雖然PC兼容機(jī)將I/O的尋址空間限定在0～3FFh，但是它卻可以使用0～FFFFh的尋址空間。其中，命令寄存器組用于給磁盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)送命令并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；控制寄存器組用于控制磁盤驅(qū)動(dòng)器。命令寄存器組也稱為AT任務(wù)文件(TaskFile)。這兩個(gè)寄存器組通過(guò)CS0#和CS1#信號(hào)進(jìn)行區(qū)別。CS0#來(lái)自于ISA總線系統(tǒng)，當(dāng)屬于1F0～1FFh的尋址范圍內(nèi)，該信號(hào)激活并發(fā)揮作用。相類似的是，當(dāng)屬于3F0～3FFh的尋址范圍內(nèi)，CS1#信號(hào)激活并起作用。通常，可以通過(guò)跳線交換用以產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)的尋址范圍。

在某些情況下，為了節(jié)省I/O地址空間，常常使用相同的地址來(lái)標(biāo)識(shí)不同的寄存器，如在讀操作時(shí)，訪問(wèn)一個(gè)寄存器，而寫操作時(shí)，訪問(wèn)另一個(gè)寄存器，但是地址沒有發(fā)生變化。表3.7列出了相應(yīng)寄存器的情況。表3.7IDE命令與控制寄存器下面將對(duì)主要寄存器進(jìn)行描述。

1)數(shù)據(jù)寄存器(1F0h，讀/寫)

數(shù)據(jù)寄存器用于在主機(jī)和磁盤驅(qū)動(dòng)器的緩沖區(qū)間進(jìn)行8位或16位的數(shù)據(jù)交換。IOCS16信號(hào)表明進(jìn)行16位的數(shù)據(jù)傳輸。使用該寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒Q為PIO方式，在傳輸過(guò)程中，計(jì)算機(jī)必須分別負(fù)責(zé)每一個(gè)數(shù)據(jù)的檢索或重現(xiàn)。當(dāng)然，除PIO方式以外，數(shù)據(jù)傳輸還可以通過(guò)DMA的方式進(jìn)行。

2)錯(cuò)誤寄存器(1F1h，讀)

在啟動(dòng)系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)或執(zhí)行了EXECUTEDRIVEDIAGNOSTICS命令后，錯(cuò)誤寄存器將產(chǎn)生一個(gè)診斷碼。如果在狀態(tài)寄存器中設(shè)置了ERR位，那么在錯(cuò)誤寄存器中將會(huì)保存最后執(zhí)行命令的診斷碼。表3.8列出了該寄存器中內(nèi)容的含義。表3.8IDE錯(cuò)誤寄存器

(1)?BBK：不良?jí)K診斷，如果所訪問(wèn)的扇區(qū)磁頭上出現(xiàn)了錯(cuò)誤標(biāo)記，該位為“1”。

(2)?UNC：無(wú)法修正的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，如果在所訪問(wèn)的扇區(qū)的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)錯(cuò)誤，該數(shù)據(jù)位為“1”。這種錯(cuò)誤不能由ECC糾錯(cuò)碼修改，此次傳輸無(wú)效。

(3)?MC：介質(zhì)改變，自最后一次存儲(chǔ)訪問(wèn)結(jié)束后，存儲(chǔ)介質(zhì)將會(huì)被另一個(gè)替換。通過(guò)該信號(hào)向主機(jī)發(fā)送一個(gè)激勵(lì)信號(hào)通知主機(jī)可以采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)使用新的傳輸介質(zhì)。

(4)?IDNF：未發(fā)現(xiàn)ID，控制器不能發(fā)現(xiàn)所訪問(wèn)扇區(qū)的地址區(qū)?？赡茉撋葏^(qū)的地址區(qū)已被損壞，也可能所訪問(wèn)的扇區(qū)根本不存在。

(5)?MCR：介質(zhì)改變請(qǐng)求，該信號(hào)用于向主機(jī)發(fā)送表示存儲(chǔ)介質(zhì)的改變請(qǐng)求，然后，主機(jī)應(yīng)該立即采取相應(yīng)動(dòng)作(如完成未解決的I/O請(qǐng)求)，接著執(zhí)行MEDIAEJECT或DOORUNLOCK命令。

(6)?ABRT：取消命令執(zhí)行，由于命令非法或磁盤驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤而造成的命令執(zhí)行的中斷。

(7)?TK0NF：沒有發(fā)現(xiàn)0磁道，在執(zhí)行RECALIBRATE命令的過(guò)程中沒有發(fā)現(xiàn)0磁道。

(8)?AMNF：沒有發(fā)現(xiàn)地址標(biāo)記，無(wú)法找到目的扇區(qū)的數(shù)據(jù)。

3)特性寄存器(1F1h，寫)

在使用特性寄存器的過(guò)程中不會(huì)影響磁盤驅(qū)動(dòng)器，通常是通過(guò)SETFEATURES命令來(lái)設(shè)置接口的特性。而對(duì)于一個(gè)IBMAT計(jì)算機(jī)中ST506控制器，該寄存器中保存的是寫前補(bǔ)償開始的柱面號(hào)除以4之后的數(shù)值。

4)扇區(qū)計(jì)數(shù)寄存器(1F2h，讀/寫)

在這個(gè)寄存器中保存了所讀/寫的扇區(qū)數(shù)目，用0表示256個(gè)扇區(qū)。如果在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生了錯(cuò)誤，該寄存器中將會(huì)保存尚未傳輸?shù)纳葏^(qū)數(shù)目。

5)介質(zhì)地址寄存器

介質(zhì)地址寄存器是指一組用于保存被訪問(wèn)區(qū)段地址信息的寄存器，包括扇區(qū)號(hào)寄存器、柱面號(hào)寄存器和驅(qū)動(dòng)器寄存器。下面逐一介紹。

(1)扇區(qū)號(hào)寄存器(1F3h，讀/寫)。在該寄存器中保存了將要訪問(wèn)的第一個(gè)扇區(qū)的編號(hào)。對(duì)于LBA(邏輯塊地址)，包含的是邏輯塊第一個(gè)字節(jié)編號(hào)。

(2)柱面號(hào)寄存器(柱面低位寄存器，1F4h，柱面高位寄存器，1F5h，讀/寫)。在該對(duì)寄存器中保存了柱面號(hào)的信息。根據(jù)ATA標(biāo)準(zhǔn)，最多可以訪問(wèn)柱面數(shù)為65?536。早期的IDE寄存器中僅使用“0”和“1”來(lái)表示柱面號(hào)的高位字節(jié)，從而使可尋址柱面數(shù)為1024。對(duì)于LBA，該寄存器用字節(jié)1和字節(jié)2來(lái)保存邏輯區(qū)號(hào)。

(3)驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器(1F6h，讀/寫)。表3.9給出了該寄存器的格式，該寄存器保存了驅(qū)動(dòng)器編號(hào)、磁頭號(hào)和尋址方式。表3.9IDE驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器①HS0～HS3：磁頭號(hào)。在LBA中，表示邏輯地址第3字節(jié)的低4位，高4位通常為0。

②DEV：設(shè)備號(hào)。設(shè)備0表示主設(shè)備。在ATA-1標(biāo)準(zhǔn)中，該位使用的符號(hào)是DRV(驅(qū)動(dòng)器)，與DEV的含義相同。

③L：LBA方式，當(dāng)該數(shù)據(jù)位為“1”時(shí)，表示正在使用LBA尋址方式，否則使用柱面/磁頭/扇區(qū)(CHS)尋址方式。

6)狀態(tài)寄存器(1F7h，讀)

在狀態(tài)寄存器中保存了執(zhí)行最后一個(gè)命令時(shí)磁盤驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)。當(dāng)對(duì)該寄存器進(jìn)行讀操作時(shí)，將會(huì)清除尚未響應(yīng)的中斷請(qǐng)求信號(hào)。為了避免這種情況，可以讀取3F6h狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。表3.10為其具體格式。表3.10IDE狀態(tài)寄存器

(1)?BSY：忙信號(hào)。當(dāng)該位為“1”時(shí)，狀態(tài)寄存器中其他位都將無(wú)意義。當(dāng)控制器訪問(wèn)命令寄存器組時(shí)，BSY通常為“1”。在訪問(wèn)命令寄存器組的過(guò)程中，主機(jī)不能訪問(wèn)其他任何寄存器。

(2)?DRDY：驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好。該信號(hào)表示驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)準(zhǔn)備好接收命令。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器被使用時(shí)，該信號(hào)保持“0”直到驅(qū)動(dòng)器重新恢復(fù)空閑，并準(zhǔn)備接收新命令。

(3)?DF：驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤。該信號(hào)表明驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生了一個(gè)錯(cuò)誤，具體可見標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

(4)?DSC：驅(qū)動(dòng)器尋址完畢。該信號(hào)表明磁頭已經(jīng)被設(shè)置在所要訪問(wèn)的柱面上。

(5)?DRQ：數(shù)據(jù)請(qǐng)求。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器和主機(jī)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換前，該數(shù)據(jù)位為“1”。

(6)?CORR：可修改錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)可以修改的讀錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，該數(shù)據(jù)位為“1”，不影響數(shù)據(jù)的傳輸。

(7)?IDX：索引位。當(dāng)索引標(biāo)記通過(guò)讀/寫頭，并且存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，該數(shù)據(jù)位為“1”。

(8)?ERR：錯(cuò)誤位。表明在執(zhí)行上一個(gè)命令的過(guò)程中產(chǎn)生了錯(cuò)誤，可在錯(cuò)誤寄存器中查看具體情況。

7)命令寄存器(1F7h，寫)

在這個(gè)寄存器中接收并保存了發(fā)送到控制器的命令。命令發(fā)送到命令寄存器中，該命令就開始執(zhí)行。

8)交換狀態(tài)寄存器(3F6h，讀)

在這個(gè)寄存器中保存的數(shù)據(jù)與狀態(tài)寄存器中的相同。但是，從該寄存器中讀取數(shù)據(jù)的操作不會(huì)影響到未響應(yīng)的中斷請(qǐng)求。這樣可以在任何時(shí)候讀取該寄存器的內(nèi)容而不必?fù)?dān)心產(chǎn)生影響。

9)設(shè)備控制寄存器(3F6h，寫)

在這個(gè)寄存器中只有兩個(gè)數(shù)據(jù)位，定義見表3.11。表3.11IDE控制寄存器

(1)?SRST：軟件復(fù)位。當(dāng)該數(shù)據(jù)位為“1”時(shí)，相應(yīng)的磁盤驅(qū)動(dòng)器就會(huì)處于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)該數(shù)據(jù)位為“0”時(shí)，相應(yīng)的磁盤驅(qū)動(dòng)器就會(huì)執(zhí)行啟動(dòng)過(guò)程。

(2)?IEN#：中斷允許。該數(shù)據(jù)位是低電平有效，“0”表示允許中斷，“1”表示禁止中斷。

10)驅(qū)動(dòng)器地址寄存器(3F7h，讀)

ATA-2標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義該寄存器。ATA-1標(biāo)準(zhǔn)中，該寄存器中保存了當(dāng)前命令執(zhí)行的適時(shí)更新信息，但是不能保證其中高速緩沖和映像的驅(qū)動(dòng)器磁頭號(hào)信息的正確性。該寄存器中信號(hào)均為低電平有效，其定義見表3.12。表3.12IDE地址寄存器

(1)?WTG#：寫入控制。如果該數(shù)據(jù)為被清零，表示在選擇的驅(qū)動(dòng)器上將進(jìn)行寫操作。

(2)?HS3#～HS0#：磁頭選擇3～0，表明插入的所選擇驅(qū)動(dòng)器當(dāng)前的磁頭號(hào)。

(3)?DS1#：當(dāng)該數(shù)據(jù)位清零時(shí)，表示從驅(qū)動(dòng)器是所選擇的當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器。

(4)?DS0#：當(dāng)該數(shù)據(jù)位清零時(shí)，表示主驅(qū)動(dòng)器是所選擇的當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器。

2.命令的執(zhí)行

IDE命令共分為5類協(xié)議，下面逐一進(jìn)行說(shuō)明。

1)?PI協(xié)議(第一類)：PIO方式讀命令

PI協(xié)議包括對(duì)扇區(qū)及緩沖區(qū)的讀/寫等命令。PI協(xié)議命令(PIOIn)執(zhí)行過(guò)程為：首先，主機(jī)把執(zhí)行命令過(guò)程中所需要的所有參數(shù)發(fā)送到地址寄存器和特性寄存器中，然后把操作碼發(fā)送到命令寄存器中以開始操作。圖3.18給出了PI協(xié)議命令時(shí)序。圖3.18PI協(xié)議命令時(shí)序從圖中可見，驅(qū)動(dòng)器首先設(shè)置狀態(tài)寄存器中的BSY信號(hào)，并把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到扇區(qū)緩沖區(qū)中。扇區(qū)緩沖區(qū)準(zhǔn)備完畢之后，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置DRQ數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，清除BSY信號(hào)并插入INTRQ中斷請(qǐng)求信號(hào)。

然后，主機(jī)讀取狀態(tài)寄存器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器清除INTRQ中斷請(qǐng)求信號(hào)。DRQ數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)通知主機(jī)可以從扇區(qū)緩沖區(qū)中讀取512字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取后，驅(qū)動(dòng)器立即設(shè)置DRQ數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)以產(chǎn)生下一個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求。當(dāng)所有請(qǐng)求扇區(qū)的數(shù)據(jù)均讀取后，命令執(zhí)行結(jié)束；否則，驅(qū)動(dòng)器會(huì)再次設(shè)置BSY信號(hào)，準(zhǔn)備下一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸。如果讀操作過(guò)程中產(chǎn)生了錯(cuò)誤，驅(qū)動(dòng)器則會(huì)在讀取訪問(wèn)扇區(qū)的緩沖區(qū)同時(shí)設(shè)置狀態(tài)寄存器中相應(yīng)的錯(cuò)誤位。由主機(jī)決定在產(chǎn)生錯(cuò)誤的情況下如何處理。

2)?PO協(xié)議(第二類)：PIO方式寫命令

PO命令執(zhí)行寫操作的過(guò)程為：首先向扇區(qū)緩沖區(qū)中發(fā)送512字節(jié)的數(shù)據(jù)，根據(jù)圖3.19的時(shí)序過(guò)程進(jìn)行對(duì)扇區(qū)的寫操作。圖3.19PO協(xié)議命令時(shí)序從圖中可見，首先主機(jī)向命令寄存器組中相應(yīng)寄存器發(fā)送命令執(zhí)行參數(shù)，接著等待DRDY位設(shè)置(設(shè)備準(zhǔn)備好)，并把操作碼寫入到命令寄存器中。與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器在狀態(tài)寄存器中設(shè)置DRQ數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)和接收數(shù)據(jù)的請(qǐng)求信號(hào)。主機(jī)利用數(shù)據(jù)寄存器將數(shù)據(jù)傳送到扇區(qū)緩沖區(qū)。當(dāng)扇區(qū)緩沖區(qū)已滿，磁盤驅(qū)動(dòng)器設(shè)置BSY信號(hào)并清除DRQ數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)。

當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完(例如已經(jīng)寫入介質(zhì))，驅(qū)動(dòng)器立即清除BSY信號(hào)并設(shè)置INTRQ中斷請(qǐng)求信號(hào)。這些信號(hào)利用狀態(tài)寄存器通知主機(jī)。當(dāng)主機(jī)接收了這些信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器將重置INTRQ中斷請(qǐng)求信號(hào)。如果僅僅寫一個(gè)扇區(qū)，那么寫命令也就完成。如果寫多個(gè)扇區(qū)，那么驅(qū)動(dòng)器就會(huì)重新設(shè)置DRQ數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，開始對(duì)下一個(gè)扇區(qū)的操作。

如果有非法操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)器在執(zhí)行命令后不會(huì)設(shè)置DRQ數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，但是會(huì)設(shè)置INTRQ中斷請(qǐng)求信號(hào)，作為狀態(tài)的讀取準(zhǔn)備。主機(jī)可以通過(guò)查看狀態(tài)寄存器的錯(cuò)誤位，對(duì)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行處理。

3)?ND協(xié)議(第三類)：沒有數(shù)據(jù)傳輸命令

ND命令在執(zhí)行過(guò)程中不會(huì)使用扇區(qū)緩沖區(qū)，但仍可以通過(guò)該命令利用寄存器在驅(qū)動(dòng)器和主機(jī)間進(jìn)行信息交換。

首先，主機(jī)把必要的參數(shù)發(fā)送到控制寄存器中，并且把操作碼發(fā)送到命令寄存器中。然后，主機(jī)將狀態(tài)參數(shù)發(fā)送到狀態(tài)寄存器中，并重置BSY信號(hào)和INTRQ信號(hào)。接著，主機(jī)讀取狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器清除INTRQ中斷請(qǐng)求信號(hào)，命令執(zhí)行完畢。

4)?DM協(xié)議(第四類)：使用DMA數(shù)據(jù)傳輸命令

DM協(xié)議有兩種命令：一種為讀命令，另一種為寫命令。雖然在DMA處理時(shí)，處理器要進(jìn)行很多工作，但是在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，處理器可以不再介入數(shù)據(jù)傳輸控制。并且，在多扇區(qū)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，只有整個(gè)過(guò)程結(jié)束后才有一個(gè)中斷產(chǎn)生，并不是每個(gè)扇區(qū)結(jié)束都產(chǎn)生中斷。圖3.20給出了DM協(xié)議命令時(shí)序。圖3.20DM協(xié)議命令時(shí)序在命令階段，主機(jī)先初始化一個(gè)DMA通道，然后把參數(shù)和操作碼發(fā)送到控制寄存器中，接著設(shè)置BSY信號(hào)，開始命令執(zhí)行。

在數(shù)據(jù)階段，DMA通道通過(guò)DMARQ請(qǐng)求信號(hào)和握手過(guò)程完成數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)狀態(tài)下，控制寄存器中的內(nèi)容無(wú)意義，驅(qū)動(dòng)器觸發(fā)中斷，主機(jī)接收后將重置相應(yīng)的DMA通道，并讀取狀態(tài)信息及錯(cuò)誤寄存器。

5)VS協(xié)議(第五類)：廠商確定的協(xié)議

除了上述四類協(xié)議命令外，還有一些命令在執(zhí)行上與廠商有關(guān)。因此需要在明確了廠商后，才能確定其具體執(zhí)行過(guò)程。

3.上電啟動(dòng)或軟件復(fù)位

對(duì)于IDE驅(qū)動(dòng)器，上電啟動(dòng)和軟件復(fù)位后的操作步驟完全一致，在啟動(dòng)過(guò)程中由于磁盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)量不同會(huì)有所差異。下面我們對(duì)啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明，具體時(shí)序見圖3.21。圖3.21啟動(dòng)時(shí)序

1)單驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的復(fù)位

在系統(tǒng)已經(jīng)上電并且系統(tǒng)電壓穩(wěn)定情況下，主機(jī)激活RESET#信號(hào)至少需要25μs的時(shí)間，在RESET#有效之后最多400ns，主驅(qū)動(dòng)器會(huì)設(shè)置狀態(tài)寄存器中的BSY信號(hào)。然后在1ms之內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器DASP#?信號(hào)求反并執(zhí)行自檢。這時(shí)，主驅(qū)動(dòng)器監(jiān)測(cè)DASP信號(hào)450ms，確定從驅(qū)動(dòng)器是否存在。如果從驅(qū)動(dòng)器不存在，主驅(qū)動(dòng)器可以使用DASP#?信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行初始化。當(dāng)主驅(qū)動(dòng)器完成自檢并為接收命令做好準(zhǔn)備時(shí)，BSY信號(hào)會(huì)被重置。

2)主從驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)復(fù)位

在RESET#?信號(hào)無(wú)效的1ms內(nèi)，主機(jī)首先會(huì)對(duì)DASP#信號(hào)求反。主驅(qū)動(dòng)器在RESET#信號(hào)之后檢測(cè)DASP#信號(hào)以判斷從驅(qū)動(dòng)器是否存在，而從驅(qū)動(dòng)器會(huì)對(duì)PDIAG#信號(hào)求反，表明自身存在并開始自檢。3.3.5IDE磁盤驅(qū)動(dòng)器模型

1.介質(zhì)結(jié)構(gòu)

IDE驅(qū)動(dòng)器的介質(zhì)是通過(guò)磁頭(表面)、柱面和扇區(qū)組織在一起的。例如，IDE驅(qū)動(dòng)器可以擁有16個(gè)磁頭、1024個(gè)柱面和256個(gè)扇區(qū)。在ATA標(biāo)準(zhǔn)中，允許擁有多達(dá)65536個(gè)柱面。一個(gè)扇區(qū)正常情況下包含512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。對(duì)于磁盤容量，既可以采用二進(jìn)制方式表示，即1KB?=?1024B，1MB?=?1024KB，1GB?=?1024MB，也可以采用十進(jìn)制方式表示，即1MB?=?1000KB，1GB?=?1000MB。

2.尋址訪問(wèn)

對(duì)扇區(qū)的尋址訪問(wèn)則通常有兩種方式，物理尋址(CHS方式)和邏輯尋址(LBA方式)。

1)物理尋址(CHS方式，Cylinder-Head-Sector)

CHS方式下，可以使用柱面、磁頭和扇區(qū)號(hào)對(duì)扇區(qū)進(jìn)行尋址訪問(wèn)。IDE來(lái)自于ST506，而ST506的每個(gè)磁道包括17個(gè)512字節(jié)容量的扇區(qū)，那么對(duì)于超過(guò)17個(gè)扇區(qū)的IDE驅(qū)動(dòng)器則需要采用本機(jī)方式或轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行處理。對(duì)于本機(jī)方式，驅(qū)動(dòng)器在幾何結(jié)構(gòu)上同物理介質(zhì)上一樣存在于主機(jī)上。在轉(zhuǎn)換方式下，驅(qū)動(dòng)器從幾何結(jié)構(gòu)上映射在一個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器上，從邏輯上仍然具有17個(gè)扇區(qū)，但是卻有更多的邏輯磁頭。IDE驅(qū)動(dòng)器采用線性映射方式進(jìn)行尋址，扇區(qū)從柱面0、磁頭0、扇區(qū)0開始連續(xù)編址。在當(dāng)前磁道后就是同一柱面的磁頭1，直至整個(gè)柱面，然后就是下一個(gè)柱面0磁頭。在CHS物理尋址模式中，磁盤最大可以擁有65536個(gè)柱面、16個(gè)磁頭和256個(gè)扇區(qū)。如果一個(gè)扇區(qū)有512個(gè)字節(jié)，那么磁盤總?cè)萘烤蜑?27GB。

2)邏輯尋址方式(LBA方式，Logic-Block-Address)

LBA方式下，驅(qū)動(dòng)器是以連續(xù)序列的邏輯塊編號(hào)尋址的區(qū)段組成的，這樣主機(jī)就不需要知道驅(qū)動(dòng)器的物理幾何結(jié)構(gòu)。在LBA方式中，可以使用28個(gè)數(shù)據(jù)位表示邏輯區(qū)塊的地址信息，可訪問(wèn)228個(gè)區(qū)段。在ATA標(biāo)準(zhǔn)中，從物理結(jié)構(gòu)到邏輯塊編號(hào)的映射按照下面的公式進(jìn)行：

LBA?=?(柱面編號(hào)?×?磁頭數(shù)?+?磁頭編號(hào))?×?扇區(qū)數(shù)?+?扇區(qū)編號(hào)－1

這種映射方式假設(shè)從LBAn到LBAn+1的訪問(wèn)時(shí)間要比從LBAn到LBAn+2要快。這就是說(shuō)，邏輯扇區(qū)在訪問(wèn)時(shí)間上也是按順序排列的。

3.存儲(chǔ)區(qū)位記錄方法

存儲(chǔ)區(qū)位記錄方法可以同時(shí)在整個(gè)介質(zhì)表面上使用單個(gè)柱面扇區(qū)數(shù)不同的驅(qū)動(dòng)器。這種方式導(dǎo)致在不使用特殊磁頭和介質(zhì)的情況下使存儲(chǔ)容量增大50%。通常磁頭類型確定了每毫米的存儲(chǔ)密度，為了方便，我們可以認(rèn)為存儲(chǔ)密度代表磁盤上的一個(gè)位。在通用記錄方式中，由最里面的磁道決定每個(gè)磁道的最大存儲(chǔ)密度，即每磁道的容量相同，但是因?yàn)榇诺缽闹行牡竭吘壊粩嘣黾?，那么可以通過(guò)調(diào)節(jié)存儲(chǔ)密度來(lái)增加外部磁道的記錄密度，從而利用記錄存儲(chǔ)區(qū)位的方法增加容量。為了增加外部磁道的容量，我們可以將磁介質(zhì)分為多個(gè)區(qū)段，在每個(gè)區(qū)段內(nèi)，每磁道的扇區(qū)數(shù)是固定的。在每個(gè)區(qū)段上，最內(nèi)部的磁道擁有最小的扇區(qū)編號(hào)，最外部的磁道擁有最大的扇區(qū)編號(hào)。通過(guò)這種方式可以增加磁盤的總

容量。

4.容量限制

根據(jù)上面的計(jì)算，IDE接口的處理容量為127GB，但實(shí)際上PC機(jī)中早期的MS-DOS系統(tǒng)會(huì)對(duì)存儲(chǔ)容量施加種種限制，如528MB容量限制、8GB容量限制等。早期的PCBIOS內(nèi)磁盤擁有1024個(gè)柱面、16個(gè)磁頭和63個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)512字節(jié)，那么總?cè)萘肯拗凭褪?28MB。為了解決1024柱面問(wèn)題，可以使用適配器映射存儲(chǔ)地址空間，使主機(jī)正好看到1024個(gè)柱面，但每個(gè)柱面卻有更多的訪問(wèn)扇區(qū)。而8GB容量限制則是由于磁盤INT13h中斷和基于文件分配表機(jī)制的操作系統(tǒng)的分區(qū)表引起的。INT13h和分區(qū)表可以控制訪問(wèn)1024個(gè)柱面、256個(gè)磁頭和63個(gè)扇區(qū)，共7.7GB(如果采用十進(jìn)制則是8.4GB)的容量。但是這種限制僅僅存在于DOS、Windows3.x和Windows95等系統(tǒng)中。在UNIX、OS/2和WindowsNT等系統(tǒng)中使用的是不同的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，因而沒有8GB的限制。

5.故障管理系統(tǒng)

對(duì)磁盤進(jìn)行讀/寫操作的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，對(duì)此，IDE接口和ATA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并沒有明確錯(cuò)誤處理流程，但可以采用兩種常用的方式處理。

第一種方式就是在磁盤格式化過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)有缺陷的扇區(qū)作出標(biāo)記，那么在讀取扇區(qū)的時(shí)候，就能夠辨識(shí)出錯(cuò)誤扇區(qū)和磁道，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。第二種處理方式就是重新分配錯(cuò)誤扇區(qū)，但該方法僅僅對(duì)于轉(zhuǎn)換的物理尋址方式或邏輯尋址方式有效。在磁盤上存在一個(gè)特殊的區(qū)域作為重置扇區(qū)準(zhǔn)備。當(dāng)一個(gè)扇區(qū)被認(rèn)為有錯(cuò)時(shí)，將會(huì)采取特殊的方法進(jìn)行格式化處理。在錯(cuò)誤的扇區(qū)中寫入了重置扇區(qū)的多個(gè)備份，這樣在任何情況下仍可以讀取數(shù)據(jù)，主機(jī)可以較容易地隨時(shí)得到每個(gè)自由存儲(chǔ)空間的磁盤信息。為了綜合考慮速度因素，會(huì)在每個(gè)磁道上均設(shè)置一個(gè)扇區(qū)專門進(jìn)行錯(cuò)誤管理。圖3.22給出了其中一種實(shí)現(xiàn)方式。另外一種節(jié)省訪問(wèn)重新分配扇區(qū)時(shí)間的方式在每一個(gè)磁道都為管理錯(cuò)誤信息保留一個(gè)扇區(qū)。當(dāng)檢測(cè)到錯(cuò)誤扇區(qū)后，就為該扇區(qū)作上錯(cuò)誤標(biāo)記，然后所有后面的扇區(qū)依次移動(dòng)一個(gè)扇區(qū)。這種方式可以得到幾乎連續(xù)的扇區(qū)數(shù)據(jù)分布，從而避免了一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的損失。當(dāng)在一個(gè)磁道上發(fā)現(xiàn)了不止一個(gè)錯(cuò)誤扇區(qū)時(shí)，可以對(duì)整個(gè)磁道進(jìn)行重新分配。圖3.22扇區(qū)重新分配策略

6.扇區(qū)緩沖器

在所有讀/寫操作中都會(huì)使用扇區(qū)緩沖器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)保存。扇區(qū)緩沖器減少了與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及從介質(zhì)中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀/寫的速度。簡(jiǎn)單的方式下，扇區(qū)緩沖器就是IDE控制器上RAM中的一個(gè)區(qū)段。如果扇區(qū)緩