采用FPGA和DSP直接控制硬盘实现存储控制的方法

文章摘要：4.1 硬盘启动操作硬盘加电后应先将硬盘复位，硬盘复位方式有三种，本设计采用的是将SRST置1，当SRST被置1后硬盘立即复位，这时应至少等待2ms才读取Status register。如果Status register的值为80h，则表明硬盘已完成复位。硬盘启动流程见图2。图2硬盘启动程序流程图图3 扇区读写操作程序流程图4.2 扇区读写操作首先应向硬盘发送命令参数，将要读写的扇区数目写入Sector count register，将扇区的逻辑地址写入LBA High register、LBA Mid register和LBA Low register，将要接收命令的设备号写入Devi

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　　4.1  硬盘启动操作

　　硬盘加电后应先将硬盘复位，硬盘复位方式有三种，本设计采用的是将SRST置1，当SRST被置1后硬盘立即复位，这时应至少等待2ms才读取Status register。如果Status register的值为80h，则表明硬盘已完成复位。硬盘启动流程见图2。

　　图2　硬盘启动程序流程图

　　图3  扇区读写操作程序流程图

　　4.2  扇区读写操作

　　首先应向硬盘发送命令参数，将要读写的扇区数目写入Sector count register，将扇区的逻辑地址写入LBA High register、LBA Mid register和LBA Low register，将要接收命令的设备号写入Device register。流程见图3。

　　LBA＝（柱面编号×磁头数＋磁头编号）×扇区数＋扇区编号－1

　　将命令READ SECTOR或WRITE SECTOR写入Command register后，在400ns内Status register的值并不可靠，所以需等待400ns才能读取Status register，这段等待时间可以通过读取Alternate Status register和Error register度过，读取的数值应被丢弃。当状态寄存器的值为58h时，表示硬盘已经可以从Data register接收或传输数据。

　　4.3  DMA操作流程

　　DMA操作与I/O操作相似，流程见图4，首先应向硬盘发送命令参数，将要读写的扇区数目写入 Sector count register，将扇区的逻辑地址写入LBA High register、LBA Mid register和LBA Low register，将要接收命令的设备号写入Device register。将命令READ DMA或 WRITE DMA写入Command register后，在400ns内Status register的值并不可靠，所以需等待400ns才能读取Status register，这段等待时间可以通过读取Alternate Status register和Error register度过，读取的数值应被丢弃。当状态寄存器值为58h时主机应给出DMA初始化时序开始传输数据。

　　图4 　DMA操作流程图

　　5　设计中的重点

　　5.1  采样率问题

　　数据采集及存储系统一般都有采样率要求，采样率一般要求大于50K，才能满足快速实时采集数据的要求。本系统中速度较慢的环节是硬盘存储环节，硬盘接口设计存盘速度为7.8Mbyte/S，显然采集速率与存盘速率并不匹配，解决的措施为采用一片 FIFO作为数据缓冲区。由于对硬盘操作过程中，需不断查询其状态，而硬盘状态改变时间又不确定，所以要选用存储深度较大的FIFO作为缓存，IDT公司的72V2101满足设计要求[5]。工作时数据直接将数据写入FIFO，FPGA查询FIFO的状态，为非空时，协调DSP访问硬盘，进行存储操作，这样采用FIFO作为缓存的方案解决了速率匹配问题[4]，当采样率为80k时，数据流为5Mbyte/S，本系统设计存盘速度为7.8Mbyte/S，可以满足80K以内数据采样率系统的存盘要求。

　　5.2  硬盘存储地址问题

　　硬盘中数据如何存储是本设计中另一个重点问题，主要考虑文件存储的地址及文件目录情况。本设计中硬盘文件的存储采用FAT32文件系统，引导扇区记录了文件分配表的地址、个数、大小、簇的大小等信息。文件逻辑地址＝数据段起始地址＋（簇号— RootClus）×SecPerClus；数据段起始地址＝BPB地址＋RsvdSecCn＋FATSz32×NumFATs。）文件目录设计采用短文件名，每个文件名和相关信息占用32字节，每个磁盘第2簇为目录区，因使用短文件名无子目录，所以当每簇为16扇区时目录区共可储存256个文件名。

　　6　结束语

　　本系统数据存储量较大，较传统使用工控机进行数据存储功耗较低，适合于工作环境局限、系统要求具有自动内记功能的工况下。本系统已经应用于某信号采集设备中，实践证明可满足使用要求，系统工作稳定，没有数据溢出现象。当然本系统还有一定不足，如不能存储任意长度数据文件，只能存储40M长度文件，还需进一步完善。

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