0 引言

    电子盘又称电子硬盘，它采用符合硬盘接口技术（Advanced Technology Attachment，ATA）工业标准的控制技术，克服了传统机械硬盘的弊病，能够提供高性能和高可靠的数据储存，被广泛应用于工业控制、军工、航空航天等领域^[1]。VxWorks是风河公司开发的嵌入式实时操作系统，其中VxWorks5.5版本具有较高的可靠性和卓越的实时性，在很多领域都有广泛的应用^[2]。但是VxWorks5.5系统原生电子盘驱动仅支持过程输入输出（Process Input Output，PIO）方式，存取速度较慢，无法满足某些应用的实时性要求，需要设计基于直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA）方式的驱动，以提升电子盘读写速度，扩展其应用领域。

1 硬件环境

    硬件平台为中船重工第七一六研究所生产的CM6066单板加固计算机。该计算机主板采用Intel Core Duo L2400/L2500低功耗处理器, 配以Intel 945GM芯片组，南桥芯片为ICH7-M（82801GBM），提供的接口包括SATA、ATA/IDE、USB2.0、千兆以太网及串口等，主要功能框图见图1。

    该计算机模块搭载的电子盘为源科公司生产的飞龙V系列闪存硬盘，它采用NandFlash闪存芯片，基于标准的ATA/IDE端口，支持ATA-6协议。

2 硬盘工作原理分析

    硬盘的读写是一个复杂的过程，它涉及到硬盘的接口方式、寻址方式、控制寄存器模型等。硬盘的存储介质也从最初的磁性材料、光磁介质发展到半导体存储材料，但不同硬盘的读写方法和寻址方式都一样，因为不同硬盘都遵循ATA协议。ATA协议的最新版本为ATA-8，ATA-6及之前的版本仅支持IDE接口，从ATA-7开始，协议增加了对SATA接口的支持。在ATA-6协议中，硬盘参数信息共占用512 B，分为256个WORD，表1简单说明了部分字节代表的意义。

    在ATA-6协议中，CPU与硬盘设备的通信是通过读写设备接口上的寄存器实现的。接口寄存器分为两组，一组为命令块寄存器，用于CPU向设备发送命令或从设备读取状态；另一组为控制块寄存器，用于CPU控制设备或获取备用状态，如表2所示。

    各接口寄存器功能如下所述：

    数据寄存器：用于CPU与硬盘设备之间的数据交换，该种方式即PIO模式，DMA传输不使用该寄存器；

    错误寄存器：用于记录硬盘执行命令后的出错信息；

    特征寄存器：用于存储命令代码；

    扇区计数寄存器：用于存储要读/写的扇区总数；

    LBA高/中/低8位寄存器：用于LBA寻址；

    设备寄存器：用于使能被选设备并提供配置信息；

    状态寄存器：用于记录硬盘设备执行命令后的状态；

    命令寄存器：用于执行命令；

    备用寄存器：其内部数据与状态寄存器相同；

    设备控制寄存器：用于控制硬盘设备。

3 驱动程序设计

3.1 驱动与文件系统关系

    VxWorks下的设备包括字符设备、块设备和网络设备等，电子盘等存储设备属于块设备，此类型设备以“块”为单位进行数据操作，可大大提高数据的访问速度，但也带来了巨大的数据维护工作量，因此，块设备驱动程序与I/O系统之间还存在一个中间层，即文件系统^[4]。VxWorks使用的dosFs文件系统是一种与MS_DOS文件系统兼容的文件系统，能够满足实时应用的多种需求^[5]。dosFs文件系统以簇为单位读写数据，每簇包含64个扇区，每一个扇区（512 B）为一个存储块，所以一次读写4 KB数据^[6]。应用程序访问电子盘数据时，I/O系统会调用文件系统计算出相应扇区的地址及数量，而后文件系统再调用电子盘驱动程序访问电子盘，完成读写操作。以读操作为例，具体过程如图2所示^[7]。

3.2 初始化

    电子盘在PIO模式下，仅使用命令块寄存器中的数据寄存器进行数据交换，传输过程十分简单，但在DMA模式下需要专用的IDE控制器，传输过程比较复杂。IDE控制器集成在ICH7-M芯片组中，是标准PCI设备，在256 B的配置空间中，偏移0x20的寄存器配置为IDE主控寄存器组基地址。主控寄存器组包含3个寄存器，分别为主控命令寄存器、主控状态寄存器、物理设备描述符表指针寄存器，各寄存器地址映射如表3所示。

    在初始化过程中，首先搜寻PCI-IDE控制器并获取寄存器基地址、中断信号量等信息，之后分配必要的资源，如同步信号量、看门狗、PRDT表等，然后挂接中断服务程序，建立CPU与控制器的连接。连接成功后首先获取电子盘参数信息，然后根据参数设置读写传输模式和其他一些支持的属性，如电源管理、SMART指令等。在电子盘设备初始化过程中，CPU会向设备发送指令来进行操作。发送指令时, CPU先填写各种指令参数到相关寄存器中, 然后向命令寄存器发送命令字启动指令, 之后设备开始执行指令^[9]。

    指令执行一般要经过以下几种状态：

    (1)发送指令, 进入等待状态；

    (2)设备执行完指令后发出中断,检验设备状态；

    (3)如状态正确, 则进行后续操作；否则返回。

    设置数据传输模式时，为保证电子盘能够更高效工作，优先选择UDMA传输模式；若电子盘不支持UDMA，则选择MDMA模式；若不支持MDMA，则选择SDMA模式；若不支持SDMA，则选择PIO模式。

3.3 DMA读写设计

    每一次DMA传输都需要设置一系列寄存器，使得开销很大，然而文件系统对硬盘的I/O请求是不连续的，物理内存中的数据也是不连续的。为了提高传输效率，需要将不连续的数据组合在一起，再启用DMA操作，这些数据就能够一次传输完成。为此，DMA传输使用了物理设备描述符表（Physical Region Descriptor Table，PRDT），表中的描述符指向内存缓冲区的起始地址和长度，这样一次DMA传输，即可将表中记录的数据都传输完成，PRDT表结构示意图如图3所示。

    在PRDT表中，每个描述符占8 B，前4 B指向缓冲区地址，后4 B低16 bit表示缓冲区长度，地址和长度的第0位必须为0，当缓冲区长度为0时，数据长度为64 KB，EOT位为缓冲区结束标志位(为1表示当前缓冲区为最后一个)。当执行DMA读时，控制器将电子盘中扇区数据读到各个内存缓冲区中；当执行DMA写时，控制器将各个缓冲区中数据写入对应的扇区中。

    通常情况下，硬盘的DMA读写过程一般需要如下几个步骤：

    (1)首先判断硬盘状态，当其处于就绪状态才可以进行操作；

    (2)填写控制器相关寄存器指定起始逻辑块（LBA寻址方式）和扇区总数；

    (3)启动控制器，开始读写操作；

    (4)读写完毕后，提起中断通知。

    在VxWorks5.5中，电子盘驱动读写硬盘的接口读函数定义为ataBlkRd，写函数定义为ataBlkWrt，读写函数最终调用ataBlkRW实现读写功能。该函数定义为STATUS ataBlkRW(ATA_DEV *pDev，sector_t startBlk，UINT32 nBlks，char *pBuf，int direction)^[10]。该接口函数仅使用PIO模式进行读写操作，需要使用DMA读写模式将其重新实现。具体过程如下：

    (1)将主控状态寄存器的Interrupt及Error位置1，清除错误、中断等状态值；

    (2)设置主控命令寄存器的R/W位，读电子盘时，设为1，写电子盘时，设为0；

    (3)将PRDT表地址写入描述符表指针寄存器，并根据缓冲区地址及长度配置PRDT表；

    (4)将要传输的扇区地址、数量等信息写入ATA设备寄存器，方法如下：在LBA 48b寻址模式下，首先将要读取（写入）的扇区数高8位、低8位写入Sector Count寄存器，然后将LBA（31:24）、LBA（7:0）写入LBA Low寄存器；将LBA（39:32）、LBA（15:8）写入LBA Mid寄存器；将LBA（47:40）、LBA（23:16）写入LBA High寄存器；接着配置Device寄存器，其bit 4表示设备号，主盘置0，从盘置1，bit 6表示LBA寻址，需置1；最后将操作指令写入Command寄存器，读操作指令为0x25，写操作指令为0x35；

    (5)主控命令寄存器的Start/Stop位置1，开启DMA传输；

    (6)待传输结束后，硬盘发出一个中断请求，PCI-IDE控制器随之向CPU提起中断；

    (7)响应中断后，将主控状态寄存器的Interrupt位置1，清除中断信息；

    (8)最后将主控命令寄存器的Start/Stop位置0，关闭DMA传输。

4 试验结果与分析

    在CM6066单板加固计算机（南桥芯片为ICH7-M，即82801GBM）上测试新设计的DMA模式驱动，测试结果显示可成功读写电子盘文件，接着对读写速度进行测试，并与原生PIO方式驱动的读写速度进行对比。测试方法如下：采用系统自带函数tickGet()进行计时，测试写速度时将一段内存数据（200 MB）写入电子盘中；测试读速度时将电子盘中文件（200 MB）读入内存中，由此可计算出读写速度[11]。分别使用两种驱动进行测试，结果表明，采用DMA方式的驱动可显著提升电子盘读写速度，具体数值见表4。

5 结束语

    本文开展的基于VxWorks5.5系统的电子盘DMA驱动软件的研究具有很大的实用价值，以Intel ICH7-M芯片为硬件平台，完成了新驱动的设计与实现，并通过应用测试证明该设计行之有效，能够显著提升电子盘性能。该驱动程序工作稳定、性能可靠、实时性较好，目前已应用在某电子海图项目中，可大幅缩短海图文件的加载时间，实现了海图的快速拖拽及缩放功能。该驱动亦可应用于其他要求高实时性的工业控制领域。

参考文献

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[6] 张辉，陈昕，沈晶晶，等.大容量机载存储系统设计与仿真评价[J].电光与控制，2014，21(5)：104-108.

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[9] 李志鹏，王立强，康建斌，等.连续数据记录系统中IDE数据接口的实现[J].无线电工程，2010，40(2)：48-50.

[10] 曹桂平.VxWorks设备驱动开发详解[M].北京：电子工业出版社，2011.

[11] 毛晓梅.基于VxWorks6.6系统的SATA控制器驱动技术研究[J].工业控制计算机，2013，26(11)：129-133.