第12章磁盤接口

本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

l

磁盤的工作原理l

軟盤接口電路的組成和原理l

硬盤接口電路的組成和原理l

磁盤接口電路的中斷服務(wù)程序的應(yīng)用返回本章首頁第一頁，共82頁。第一頁，共82頁。12.1磁盤概述

12.1.1磁記錄原理12.1.2寫入數(shù)據(jù)原理12.1.3讀出數(shù)據(jù)原理及過程12.1.4讀寫過程12.1.5磁盤的種類12.1.6軟盤驅(qū)動器的類型12.1.7磁盤數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)格式12.1.8其他外部存儲設(shè)備返回本章首頁第二頁，共82頁。第二頁，共82頁。12.1.1磁記錄原理

磁記錄是以磁介質(zhì)受外磁場的磁化，當(dāng)去掉外磁場后仍有介質(zhì)剩余磁化狀態(tài)這一性質(zhì)為基本原理。磁盤機(jī)（HDD、FDD）是由介質(zhì)、讀寫磁頭、讀寫電路、馬達(dá)及伺服驅(qū)動電路等組成。磁盤的讀寫原理如圖8.1所示。第三頁，共82頁。第三頁，共82頁。圖12.1磁盤讀寫原理示意圖返回本節(jié)第四頁，共82頁。第四頁，共82頁。12.1.2寫入數(shù)據(jù)原理當(dāng)要記錄的電流通過線圈時，為了保持磁化強(qiáng)度，記錄信號的脈沖需要一個周期內(nèi)使磁場方向改變一次，當(dāng)磁頭中寫電流從正向穩(wěn)態(tài)變?yōu)榉聪蚍€(wěn)態(tài)時，使記錄在介質(zhì)上的正向飽和磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)到反向飽和磁化強(qiáng)度。

返回本節(jié)第五頁，共82頁。第五頁，共82頁。12.1.3讀出數(shù)據(jù)原理及過程讀出是寫入的逆過程。當(dāng)磁頭與磁介質(zhì)作相對運動時，由于磁介質(zhì)與磁頭鐵芯的縫隙相接觸，使鐵芯中出現(xiàn)原記錄的散磁通，并且在讀出線圈兩端產(chǎn)生感生電動勢。經(jīng)過讀出電路就可還原成讀出電流，讀出電流的方向、大小正好與原記錄信號相同，使原數(shù)據(jù)信號還原。返回本節(jié)第六頁，共82頁。第六頁，共82頁。12.1.4讀寫過程

讀寫磁頭與轉(zhuǎn)動平面垂直接觸，在讀寫窗做前后方向運動；當(dāng)線圈通過不同方向電流時，在磁鐵芯中形成磁場，并產(chǎn)生不同方向的磁通；磁通透過讀寫縫隙與涂磁盤面接觸，使磁化因子運動。這樣盤面上的磁化運動與代表數(shù)據(jù)的電流構(gòu)成了關(guān)系。磁盤讀寫電路如圖12.2所示。第七頁，共82頁。第七頁，共82頁。圖8.2磁盤讀寫控制電路示意圖返回本節(jié)第八頁，共82頁。第八頁，共82頁。12.1.5磁盤的種類

1．硬磁盤（如圖12.3、表12.1所示）2．軟盤驅(qū)動器第九頁，共82頁。第九頁，共82頁。圖12.3硬盤的外形圖正面反面接口面第十頁，共82頁。第十頁，共82頁。表12.1常見硬盤的主要性能參數(shù)返回本節(jié)第十一頁，共82頁。第十一頁，共82頁。12.1.6軟盤驅(qū)動器的類型軟盤驅(qū)動器一般分為5.25英寸及3.5英寸，5.25英寸的磁盤容量一般為1.2MB和360KB兩種；3.5英寸的磁盤容量一般為1.44MB和720KB兩種類型?，F(xiàn)在使用的是3.5英寸，且容量為1.44MB。第十二頁，共82頁。第十二頁，共82頁。1．軟盤驅(qū)動器的工作原理：當(dāng)軟磁盤放入驅(qū)動器時，通過軟盤驅(qū)動器控制電路指示主軸電機(jī)和磁頭步進(jìn)電機(jī)動作，進(jìn)行讀/寫操作。2．磁盤數(shù)據(jù)的錯誤校驗：常用數(shù)據(jù)校驗的方法主要有循環(huán)冗余碼校驗及補(bǔ)碼校驗。

返回本節(jié)第十三頁，共82頁。第十三頁，共82頁。12.1.7磁盤數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)格式1．磁盤的磁道和扇區(qū)磁盤基本是按磁道來存儲數(shù)據(jù)的，都含有三類字段：索引字段、標(biāo)識字段和數(shù)據(jù)字段。這三種字段有時組合起來，構(gòu)成幾個區(qū)域，如地址區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)等。一般1.44MB軟盤的磁道為80個磁道，每個磁道為9個扇區(qū)。第十四頁，共82頁。第十四頁，共82頁。2．磁盤數(shù)據(jù)的編碼格式圖12.4磁記錄的編碼返回本節(jié)第十五頁，共82頁。第十五頁，共82頁。12.1.8其他外部存儲設(shè)備其他存儲設(shè)備主要是光盤。一般光盤驅(qū)動器主要有CD-ROM、MO磁光盤、CD-RW、DVD-ROM驅(qū)動器等。光盤盤片的尺寸一般為5.25英寸。光盤介質(zhì)的存儲容量各不相同。如CD-ROM光盤的存儲容量一般為650MB；MO光盤的存儲容量一般為230MB；DVD-ROM的存儲容量可達(dá)4.7GB。返回本節(jié)第十六頁，共82頁。第十六頁，共82頁。12.2軟盤驅(qū)動器接口電路12.2.1軟盤適配器12.2.2軟盤控制器12.2.3FDC控制器命令與端口寄存器返回本章首頁第十七頁，共82頁。第十七頁，共82頁。12.2.1軟盤適配器

圖12.5軟盤適配器電路框圖第十八頁，共82頁。第十八頁，共82頁。1．總線緩沖器2．FDCNEC765A軟盤控制器

3．時鐘時序電路4．?dāng)?shù)字信號控制電路（如圖12.6所示）5．譯碼器6．寫預(yù)補(bǔ)償電路（如圖12.7所示）。7．?dāng)?shù)據(jù)分離電路其原理圖（如圖12.8所示）8．信號驅(qū)動電路9．總線上的接口信號10．傳輸數(shù)據(jù)線第十九頁，共82頁。第十九頁，共82頁。圖12.6數(shù)字信號控制與譯碼器示意圖第二十頁，共82頁。第二十頁，共82頁。圖12.7軟盤適配器寫預(yù)補(bǔ)償電路第二十一頁，共82頁。第二十一頁，共82頁。圖12.8數(shù)據(jù)分離電路示意圖第二十二頁，共82頁。第二十二頁，共82頁。表12.2軟盤驅(qū)動器線纜各引腳信號用途返回本節(jié)第二十三頁，共82頁。第二十三頁，共82頁。12.2.2軟盤控制器

軟盤控制器是磁盤控制的主要部件。通常采用驅(qū)動器專用微控制器芯片。軟盤控制器的接口部件主要由三部分組成，與系統(tǒng)接口的DMA控制邏輯、MPU控制邏輯；與驅(qū)動器控制信號接口的驅(qū)動器控制邏輯；與磁盤讀寫串行數(shù)據(jù)接口的串行控制邏輯。第二十四頁，共82頁。第二十四頁，共82頁。1．FDCNEC765A的主要特點FDC可分別受CPU和DMA的控制來自主機(jī)系統(tǒng)或直接存儲器存取DMA的數(shù)據(jù)傳送；可連接并控制4個磁盤驅(qū)動器，可以按MFM/RLL方式讀/寫單密度或雙密度磁盤；可編程記錄長度分別為：128、256、512、1024字節(jié)；可以與大多數(shù)微型計算機(jī)系統(tǒng)的CPU相兼容；NEC765AFDC采用LSIDIP的封裝形式。第二十五頁，共82頁。第二十五頁，共82頁。圖12.9軟盤驅(qū)動器控制器（FDC）內(nèi)部框圖第二十六頁，共82頁。第二十六頁，共82頁。2．NEC765AFDC控制器的接口信號

NEC765AFDC控制器的引腳可分為三類：（１）系統(tǒng)接口信號（２）經(jīng)過串行控制接口（如圖12.10所示）（３）由驅(qū)動器控制接口的若干信號第二十七頁，共82頁。第二十七頁，共82頁。圖12.10軟盤驅(qū)動器控制器（FDC）NEC765A外形圖返回本節(jié)第二十八頁，共82頁。第二十八頁，共82頁。12.2.3FDC控制器命令與端口寄存器

1．軟盤驅(qū)動器的控制命令

軟盤驅(qū)動器的控制命令如下：READDATA讀扇區(qū)、磁道及磁面數(shù)據(jù)READDELETE讀刪除數(shù)據(jù)的扇區(qū)、磁道及磁面數(shù)據(jù)WRITEDATA寫數(shù)據(jù)到扇區(qū)、磁道及磁面數(shù)據(jù)WRITEDELETEDATA寫刪除的數(shù)據(jù)到扇區(qū)、第二十九頁，共82頁。第二十九頁，共82頁。磁道及磁面數(shù)據(jù)REDAATRACK讀一個完整磁道上的數(shù)據(jù)READID讀扇區(qū)標(biāo)識FORMATTRACK格式化所選擇的扇區(qū)、磁道及磁面數(shù)據(jù)SCANEQUAL查找信息相等時設(shè)置標(biāo)志SCANLOW&EQUAL查找信息小于相等時設(shè)置標(biāo)志第三十頁，共82頁。第三十頁，共82頁。SCANHIGH&EQUAL 查找信息大于相等時設(shè)置標(biāo)志RECALIBRATE磁頭復(fù)位SENSEINTERRUPTSTATUS 檢測驅(qū)動器的中斷狀態(tài)SPECIFY設(shè)置參數(shù)SENSEDRIVESTATUS檢測驅(qū)動器中斷狀態(tài)SEEK 搜索第三十一頁，共82頁。第三十一頁，共82頁。2．軟盤控制器的端口寄存器軟盤控制器FDC共有4個端口寄存器：3F2H（寫）：方式選擇寄存器3F4H（讀）：主狀態(tài)寄存器3F5H（寫）：命令系列寄存器3F5H（讀）：結(jié)果系列寄存第三十二頁，共82頁。第三十二頁，共82頁。圖12.11FDC3F2H方式選擇寄存器各位說明3．各寄存器內(nèi)容第三十三頁，共82頁。第三十三頁，共82頁。圖12.12FDC3F4H主狀態(tài)寄存器各位說明返回本節(jié)第三十四頁，共82頁。第三十四頁，共82頁。12.3硬盤驅(qū)動器接口電路12.3.1硬盤驅(qū)動器的組成原理12.3.2硬盤適配器12.3.3硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)線的線纜標(biāo)準(zhǔn)12.3.4增強(qiáng)IDE（EIDE或ATA-2）接口返回本章首頁第三十五頁，共82頁。第三十五頁，共82頁。12.3.1硬盤驅(qū)動器的組成原理硬盤驅(qū)動器是將硬盤機(jī)構(gòu)與控制機(jī)構(gòu)的電路密封在一起構(gòu)成的，硬盤驅(qū)動器通過數(shù)據(jù)電纜線與計算機(jī)主板中的硬盤適配器相連。硬盤適配器電路主要包括硬盤接口電路、硬盤控制器電路。其結(jié)構(gòu)如圖12.13所示。第三十六頁，共82頁。第三十六頁，共82頁。圖12.13硬盤驅(qū)動器的基本組成示意圖第三十七頁，共82頁。第三十七頁，共82頁。1．硬盤主軸系統(tǒng)主軸的作用是傳遞硬盤主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使硬盤盤片以額定的速度穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動。硬盤主軸系統(tǒng)由主軸電機(jī)和電機(jī)控制電路組成。其工作過程如圖12.14所示。第三十八頁，共82頁。第三十八頁，共82頁。圖12.14主軸電機(jī)穩(wěn)速電路示意圖第三十九頁，共82頁。第三十九頁，共82頁。2．硬盤讀寫磁頭系統(tǒng)硬盤讀寫磁頭系統(tǒng)由懸浮式或浮式磁頭、讀寫頭控制電路組成。硬盤采用懸浮式磁頭而不是軟盤驅(qū)動器的接觸式磁頭，讀寫頭電路如圖12.15所示，由磁頭選擇邏輯、磁頭寫驅(qū)動電路、磁頭驅(qū)動線圈、讀出電路及狀態(tài)檢測電路組成。第四十頁，共82頁。第四十頁，共82頁。圖12.15硬盤寫電路組成示意圖第四十一頁，共82頁。第四十一頁，共82頁。3．磁頭定位系統(tǒng)（１）初始定位（２）準(zhǔn)備定位（３）檢查出錯標(biāo)志（４）磁頭小車啟動（５）返回信息需要分成以下幾步進(jìn)行：第四十二頁，共82頁。第四十二頁，共82頁。4．硬盤驅(qū)動器的控制邏輯硬盤驅(qū)動器的控制邏輯包括控制與檢測兩個過程。前者包括對主軸電機(jī)、磁頭控制電機(jī)等進(jìn)行的穩(wěn)速控制、位置控制、啟動停止控制過程；后者包括主軸索標(biāo)傳感器、位置傳感器、速度傳感器測量的索標(biāo)周期、定位標(biāo)記和磁頭運動速度的檢測過程。返回本節(jié)第四十三頁，共82頁。第四十三頁，共82頁。12.3.2硬盤適配器

硬盤驅(qū)動器的控制電路主要包括兩個部分，一是硬盤適配器部分它位于微機(jī)系統(tǒng)的一側(cè)；二是讀寫邏輯，位于硬盤驅(qū)動器內(nèi)。它們通過數(shù)據(jù)及控制電纜線相連接。

第四十四頁，共82頁。第四十四頁，共82頁。硬盤適配器的組成1）扇區(qū)緩沖器2）數(shù)據(jù)緩沖器3）硬盤控制器4）接口控制器5）驅(qū)動器選擇控制器6）數(shù)據(jù)分離電路7）寫預(yù)補(bǔ)償電路8）驅(qū)動電路9）系統(tǒng)接口信號10）硬盤驅(qū)動器接口信號（1）硬盤適配器（如圖12.16所示）第四十五頁，共82頁。第四十五頁，共82頁。圖12.16硬盤適配器電路框圖第四十六頁，共82頁。第四十六頁，共82頁。常見幾種硬盤接口的數(shù)據(jù)及信號電纜：1）進(jìn)出數(shù)據(jù)分離電路的信號線2）到達(dá)寫預(yù)補(bǔ)償和同步電路的信號線3）進(jìn)出緩沖/接收（I/O）的信號線（2）硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)電纜信號第四十七頁，共82頁。第四十七頁，共82頁。圖12.17Intel8272A內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（3）硬盤控制器INTEL8272A第四十八頁，共82頁。第四十八頁，共82頁。（4）HDC的硬盤命令及端口寄存器（如表12.3~12.6、圖12.18所示）1）硬盤驅(qū)動器命令2）硬盤驅(qū)動器控制器的端口3）序列寄存器4）端口編程第四十九頁，共82頁。第四十九頁，共82頁。表12.3硬盤驅(qū)動器控制器的端口寄存器地址、內(nèi)容、用途端口寄存器地址內(nèi)容用途320H（寫）320H（讀）321H（讀）321H（寫）命令序列寄存器錯誤序列寄存器硬件狀態(tài)寄存器方式選擇寄存器發(fā)出磁盤操作命令出錯與否及錯誤住處序列返回控制狀態(tài)驅(qū)動器、工作模式等選擇第五十頁，共82頁。第五十頁，共82頁。表12.4320H命令序列寄存器的內(nèi)容寄存器數(shù)據(jù)位76543210字節(jié)0操作類型操作碼字節(jié)1驅(qū)動器號磁頭號（0——3）字節(jié)2磁道號H扇區(qū)號（1——17）字節(jié)3磁道號L（306/7120）字節(jié)4讀寫塊字節(jié)5控制字段第五十一頁，共82頁。第五十一頁，共82頁。表12.5320H錯誤序列寄存器字節(jié)的格式寄存器中的各位字節(jié)0地址有效0錯誤類型錯誤碼字節(jié)1驅(qū)動器號磁頭號（0—3）字節(jié)2磁道號H扇區(qū)號（0—17）字節(jié)3磁道號L76543210第五十二頁，共82頁。第五十二頁，共82頁。表12.6命令序列寄存器字節(jié)0的錯誤類型錯誤碼錯誤類型出錯內(nèi)容

ST0

硬件故障命令非正常結(jié)束無效命令驅(qū)動器未準(zhǔn)備就緒

ST1

傳送數(shù)據(jù)故障無標(biāo)識IDCRC校驗錯誤找不到指定扇區(qū)

ST2

磁盤故障

磁道不符磁道壞標(biāo)記FF讀時含刪除標(biāo)記第五十三頁，共82頁。第五十三頁，共82頁。圖12.18321H硬件寄存器各位的含義返回本節(jié)第五十四頁，共82頁。第五十四頁，共82頁。12.3.3硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)線的線纜標(biāo)準(zhǔn)

硬盤驅(qū)動器最常用的數(shù)據(jù)線纜有五種線纜標(biāo)準(zhǔn)。變頻鎖相環(huán)（MFM/PLL）式數(shù)據(jù)線纜、行程長度受限制（RLLC）式線纜、增強(qiáng)小型設(shè)備接口（ESDI）線纜、小型計算機(jī)系統(tǒng)接口（SCSI）式線纜和集成驅(qū)動接口（IDE/EIDE）式線纜五種。第五十五頁，共82頁。第五十五頁，共82頁。表12.7增強(qiáng)小型設(shè)備接口（ESDI）20線數(shù)據(jù)線纜1．增強(qiáng)小型設(shè)備接口（ESDI）

第五十六頁，共82頁。第五十六頁，共82頁。表12.8增強(qiáng)小型設(shè)備接口（ESDI）34線控制線纜第五十七頁，共82頁。第五十七頁，共82頁。2．小型計算機(jī)接口（SCSI）小型計算機(jī)接口（SCSI）的數(shù)據(jù)線纜有50線和80線兩種形式的數(shù)據(jù)線纜。如表12.9所示為50線的SCSI數(shù)據(jù)線纜，其尺寸一般有5.25英寸和3.5英寸兩種。第五十八頁，共82頁。第五十八頁，共82頁。表12.9SCSI接口驅(qū)動器50線纜返回本節(jié)第五十九頁，共82頁。第五十九頁，共82頁。12.3.4增強(qiáng)IDE（EIDE或ATA-2）接口EIDE接口規(guī)范中還通過一種被稱為ATAPI的新標(biāo)準(zhǔn)，使IDE（或ATA）接口支持CD-ROM驅(qū)動器。EIDE接口外形如圖12.21所示。應(yīng)用在硬盤接口上時，EIDE接口一般都采用PIO模式，表12.11定義了EIDE傳輸模式及其最小總線周期時間。第六十頁，共82頁。第六十頁，共82頁。圖12.21EIDE接口插座外形第六十一頁，共82頁。第六十一頁，共82頁。表12.11EIDE傳輸模式及其最小總線周期時間第六十二頁，共82頁。第六十二頁，共82頁。1．超級DMA/33接口協(xié)議

超級DMA/33接口協(xié)議是一種用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦蛥f(xié)議。通過標(biāo)準(zhǔn)的總線主控制器IDE的接口電路來啟動和控制這種傳輸。超級DMA/33通過一個源同步信號協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)，以支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐话l(fā)操作。是采用總線主控制方式，在硬盤上安裝控制硬盤讀寫的DMA控制器。第六十三頁，共82頁。第六十三頁，共82頁。2．超級DMA/33接口信號當(dāng)工作在超級DMA/33模式時，只是對一些標(biāo)準(zhǔn)的IDE控制信號進(jìn)行了重新的定義，這些重新定義的信號如表12.12所示。從IDE設(shè)備到IDE接口的數(shù)據(jù)傳輸定義為讀周期，從IDE接口到IDE設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸定義為寫周期。第六十四頁，共82頁。第六十四頁，共82頁。表12.12超級DMA/33接口控制信號的重新定義第六十五頁，共82頁。第六十五頁，共82頁。3．超級DMA/33工作過程使IDE接口工作在超級DMA/33模式時，必須預(yù)進(jìn)行初始化編程，這種初始化編程分成兩個部分：一個是對IDE接口的使能和配置，一個是對IDE設(shè)備的使能和配置。對于IDE接口，必須允許工作在同步DMA模式和建立適當(dāng)?shù)耐紻MA時序。第六十六頁，共82頁。第六十六頁，共82頁。4．超級DMA/33時序超級DMA/33時序可以通過超級DMA/33時序寄存器進(jìn)行編程，可編程的時序包括周期時間CT和準(zhǔn)備暫停時間RP。CT為數(shù)據(jù)有效使能信號STROBE的最小脈沖寬度，PR為期望停止突發(fā)讀/寫傳輸從DMARDT無效到STOP有效IDE接口需要等待的PCI時鐘數(shù)。第六十七頁，共82頁。第六十七頁，共82頁。5．超級DMA/66/100接口超級DMA/66的邏輯時鐘運行在66MHz，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到66MB/s。DMA/66協(xié)議也支持44MB/s的傳輸模式，此時完成一次16位的數(shù)據(jù)傳輸需要3個66MHz的時鐘周期。返回本節(jié)第六十八頁，共82頁。第六十八頁，共82頁。12.4現(xiàn)代硬盤及接口技術(shù)的發(fā)展

12.4.1磁頭技術(shù)的發(fā)展12.4.2硬盤內(nèi)部傳輸速度12.4.3采用全新的硬盤保護(hù)技術(shù)12.4.4硬盤接口新技術(shù)返回本章首頁第六十九頁，共82頁。第六十九頁，共82頁。12.4.1磁頭技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代硬盤中在磁頭技術(shù)上普遍采用的GMR巨磁阻磁頭技術(shù)、OAW光學(xué)輔助溫氏磁頭技術(shù)，使磁盤的容量更大、磁道的密度更高。如現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了100GB以上容量的硬盤。

返回本節(jié)第七十頁，共82頁。第七十頁，共82頁。12.4.2硬盤內(nèi)部傳輸速度在硬盤速度方面除提高主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速外，采用更大的硬盤高速緩存（有的硬盤具有高達(dá)512KB~4MB的高速緩存）和UltraDSP超級數(shù)字信號處理技術(shù)，使硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度更快，現(xiàn)代硬盤的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到300MB/s甚至更快。返回本節(jié)第七十一頁，共82頁。第七十一頁，共82頁。12.4.3采用全新的硬盤保護(hù)技術(shù)

在硬盤保護(hù)技術(shù)方面采用S.M.A.R.T（硬盤故障自動檢測、分析報告）技術(shù)、SPS磁盤振動保護(hù)技術(shù)、DPS數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)等，使硬盤的防震性能更好、可靠性更高、壽命更長。

返回本節(jié)第七十二頁，共82頁。第七十二頁，共82頁。12.4.4硬盤接口新技術(shù)

在IDE接口技術(shù)方面，采用UltraDMA/33/66/100的ATA/IDE的新型接口技術(shù)。在SCSI硬盤接口技術(shù)方面，采用了Ultra160/m接口，使數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)160MB/s。IEEE139