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。
1 ARM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，即对硬盘每一次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小单位。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，好加上超时判断，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小单位，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WIN98/2000/XP操作系统支持下的PC机上，均能实现数据资源共享。基于ARM系统大容量硬盘管理与控制系统，目前正被使用到远程电力网数据检测系统之中，为嵌入式系统海量数据存储提供一种新的设计思路。
