基于FPGA的IDE硬盤接口卡的實現(xiàn)

本文采用FPGA實現(xiàn)了IDE硬盤接口協(xié)議。系統(tǒng)提供兩套符合ATA-6規(guī)范的IDE接口，一個與普通IDE硬盤連接，另一個與計算機主板上的IDE接口相連。系統(tǒng)采用FPGA實現(xiàn)接口協(xié)議，完成接口數(shù)據(jù)的截獲、處理（在本文中主要是數(shù)據(jù)加密）和轉(zhuǎn)發(fā)，支持PIO和Ultra DMA兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。下面重點介紹用FPGA實現(xiàn)接口協(xié)議的方法。

1 IDE接口協(xié)議簡介

1.1 IDE接口引腳定義

IDE（Integrated Drive Electronics）即“電子集成驅(qū)動器”，又稱為ATA接口。表1列出了ATA標準中IDE接口上的信號。其中，帶“-”的信號（如RESET-）表示低電平有效?！胺较颉笔窍鄬τ谟脖P而言，I表示進入硬盤，O表示從硬盤出來，I/O表示雙向。

　　表1：IDE接口引腳定義

1.2 IDE控制器的寄存器組

主機對IDE硬盤的控制是通過硬盤控制器上的兩組寄存器來實現(xiàn)的。一組為命令寄存器組；另一組為控制/診斷寄存器，如表2所示。

　　                                 表2：寄存器組
 
特征寄存器中的內(nèi)容作為命令的一個參數(shù)，其作用隨命令而變。扇區(qū)數(shù)寄存器指示 該次命令所需傳輸數(shù)據(jù)的扇區(qū)數(shù)。扇區(qū)號寄存器、柱面數(shù)寄存器（低、高）、驅(qū)動器/磁頭寄存器三者合稱為介質(zhì)地址寄存器，指示該次命令所需傳輸數(shù)據(jù)首扇區(qū)的地址，尋址方式可以用“柱面/磁頭/扇區(qū)（CHS）”或“邏輯塊地址（LBA）”方式，在驅(qū)動器/磁頭寄存器中指定。

命令寄存器存儲執(zhí)行的命令代碼。當向命令寄存器寫入命令時，相關的參數(shù)必須先寫入。命令寫入后，硬盤立即開始命令的執(zhí)行。狀態(tài)寄存器保存硬盤執(zhí)行命令后的結(jié)果，供主機讀取。其主要位有：BSY-驅(qū)動器忙，DRDY-驅(qū)動器準備好，DF-驅(qū)動器故障，DRQ-數(shù)據(jù)請求，ERR-命令執(zhí)行出錯。輔助狀態(tài)寄存器與狀態(tài)寄存器的內(nèi)容完全相同，但讀該寄存器時不清除中斷請求。錯誤寄存器包含了命令執(zhí)行出錯時硬盤的診斷信息。

數(shù)據(jù)寄存器為PIO傳輸模式下，主機和硬盤控制器的緩沖區(qū)之間進行數(shù)據(jù)交換的寄存器。數(shù)據(jù)端口為DMA傳輸模式下專用的數(shù)據(jù)傳輸通道。

1.3 IDE數(shù)據(jù)傳輸方式

IDE接口的數(shù)據(jù)傳輸包括PIO和DMA兩種方式。PIO模式是硬盤數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉绞?。在PIO方式下，數(shù)據(jù)的傳輸以數(shù)據(jù)塊（1個或者多個扇區(qū)）為單位，每傳輸完一個數(shù)據(jù)塊后，硬盤都會產(chǎn)生一個中斷請求，并向主機報告命令執(zhí)行結(jié)果。

在DMA方式下，主機和硬盤之間需要通過一系列握手信號建立一個DMA通道，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式傳輸。當傳輸完一個命令的所有數(shù)據(jù)時，硬盤產(chǎn)生一個中斷請求，并向主機報告命令執(zhí)行結(jié)果。DMA方式又分為Ultra DMA和Multiword DMA兩種。Ultra DMA方式在選通信號的上升沿和下降沿均鎖定數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，并且在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時還要進行CRC校驗。

2 FPGA內(nèi)部框圖

本設計采用Actel公司的ProASIC PLUS系列FPGA芯片，其內(nèi)部框圖如圖1所示。

寄存器組一保存從主機寫入的命令及命令參數(shù)，在控制模塊的作用下轉(zhuǎn)發(fā)給硬盤。寄存器組二保存從硬盤讀出的命令執(zhí)行結(jié)果，供主機讀取?？刂颇K負責產(chǎn)生對主機及對硬盤的各種IDE協(xié)議控制信號，并協(xié)調(diào)各模塊之間的工作?？刂颇K采用狀態(tài)機的設計方法，其軟件設計流程將在下一節(jié)中詳細介紹。數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)進行加/解密運算。緩沖區(qū)一、二則作為數(shù)據(jù)處理單元的輸入/輸出緩存。在PIO方式下，數(shù)據(jù)的處理以數(shù)據(jù)塊為單位，緩沖區(qū)充當RAM的作用；在Ultra DMA方式下，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式處理，緩沖區(qū)充當FIFO的作用。

3系統(tǒng)軟件流程

開機時，F(xiàn)PGA檢測到復位信號，初始化內(nèi)部寄存器組，并對硬盤進行復位操作，硬盤復位完畢后FPGA進入空閑狀態(tài)。FPGA在空閑狀態(tài)時會檢測主機是否有寫命令操作（通常一個命令的寫入，要先寫特征寄存器、扇區(qū)數(shù)寄存器、扇區(qū)號寄存器、柱面數(shù)低位寄存器、柱面數(shù)高位寄存器、驅(qū)動器/磁頭寄存器6個命令參數(shù)寄存器，最后將命令寫入命令寄存器）。當主機依次將寄存器組一寫完后，F(xiàn)PGA對主機置BSY位，并將命令轉(zhuǎn)發(fā)給硬盤，同時判斷命令類型，根據(jù)不同的命令，進入相應的命令處理流程。

如果是無數(shù)據(jù)命令，F(xiàn)PGA等待硬盤命令的執(zhí)行，命令執(zhí)行完畢后，硬盤產(chǎn)生一個中斷請求，此時FPGA將執(zhí)行結(jié)果讀入寄存器組二中，并向主機產(chǎn)生中斷請求。如果是有數(shù)據(jù)命令，則根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?，分別進入到下述的PIO命令處理流程及Ultra DMA命令處理流程。

3.1 PIO命令處理流程

以PIO模式傳輸數(shù)據(jù)的命令有Write Sectors、Write Multiple、Read Sectors和Read Multiple。當FPGA判斷出是PIO模式的數(shù)據(jù)傳輸命令時，轉(zhuǎn)向PIO命令處理流程。下面我們以PIO寫操作為例介紹。

FPGA首先查詢硬盤的BSY位。若BSY為0則將硬盤的狀態(tài)寄存器讀入寄存器組二，并查詢DRQ位。若DRQ為1則表明硬盤已準備好接收數(shù)據(jù)。此時主機可以向緩沖區(qū)一寫入數(shù)據(jù)塊（本設計中，我們設定數(shù)據(jù)塊的大小為1個扇區(qū)共512字節(jié)）。主機寫完一個數(shù)據(jù)塊后FPGA對主機置BSY位，數(shù)據(jù)處理單元開始進行加密運算，并將加密后的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)二。加密運算完成后，F(xiàn)PGA將緩沖區(qū)二中的數(shù)據(jù)寫入硬盤數(shù)據(jù)緩存區(qū)，并進入等待狀態(tài)。硬盤將數(shù)據(jù)寫入物理介質(zhì)（磁碟）后會產(chǎn)生一個中斷請求，報告已完成該數(shù)據(jù)塊的寫操作。FPGA將執(zhí)行結(jié)果讀入寄存器組二中，向主機產(chǎn)生中斷請求，并再次查詢DRQ位，若DRQ為1則進入下一個PIO數(shù)據(jù)塊的傳輸過程，若DRQ為0則表示該命令所有數(shù)據(jù)全部傳完，F(xiàn)PGA進入空閑狀態(tài)。

此外，Identify Device命令是主機以PIO方式從硬盤讀出512字節(jié)的屬性信息（包括硬盤的型號、容量等）。此時，數(shù)據(jù)處理單元不應對該命令的數(shù)據(jù)進行加/解密運算。

3.2 Ultra DMA命令處理流程

以Ultra DMA模式傳輸數(shù)據(jù)的命令有Write DMA和Read DMA。下面我們以Ultra DMA寫操作為例介紹Ultra DMA命令處理流程。

DMA傳輸通道的建立都是由硬盤通過DMARQ來請求的。FPGA接收到硬盤的DMA請求后首先初始化主機至FPGA的DMA通道，緊接著初始化FPGA至硬盤的DMA通道。此時主機經(jīng)FPGA到硬盤的DMA通道即已建立，主機向緩沖區(qū)一寫入數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)進行加密運算，并將加密后的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)二，F(xiàn)PGA則將緩沖區(qū)二中的數(shù)據(jù)寫入硬盤。在傳輸過程中，若硬盤要求暫停或者緩沖區(qū)二空，則FPGA暫停向硬盤發(fā)送數(shù)據(jù)；若緩沖區(qū)一滿，則FPGA要求主機暫停發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 PIO命令處理流程

主機和硬盤都可以隨時停止當前的DMA傳輸，未傳完的數(shù)據(jù)將等待硬盤下一次的DMA請求時再進行傳輸。如果硬盤提出中止傳輸，F(xiàn)PGA將撤除FPGA至硬盤的DMA通道，同時向主機提出中止傳輸，撤除主機至FPGA的DMA通道，并計算該次所傳數(shù)據(jù)的CRC校驗。然后FPGA進入等待狀態(tài)，等待硬盤下一次的DMA請求。

如果主機提出中止傳輸，F(xiàn)PGA將撤除主機至FPGA的DMA通道，同時繼續(xù)向硬盤發(fā)送數(shù)據(jù)，直到將接收到主機的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，即緩沖區(qū)二空后，向硬盤提出中止傳輸，撤除FPGA至硬盤的DMA通道，并計算CRC校驗。然后FPGA進入等待狀態(tài)，等待硬盤下一次的DMA請求。

在等待狀態(tài)下，若FPGA接收到硬盤的中斷請求，則說明該次命令的所有數(shù)據(jù)已經(jīng)傳完，命令結(jié)束。FPGA將命令執(zhí)行結(jié)果讀入寄存器組二，向主機產(chǎn)生中斷請求，進入空閑狀態(tài)。若接收到硬盤的DMA請求，則說明硬盤還未接收到該次命令的所有數(shù)據(jù)，此時需要判斷主機是否已將所有數(shù)據(jù)發(fā)送完。如果主機并沒有將所有數(shù)據(jù)發(fā)送完，則再次建立FPGA兩側(cè)的DMA通道，開始新一輪的DMA傳輸；如果主機已將所有數(shù)據(jù)發(fā)送完，則重新建立FPGA至硬盤的DMA通道，直到將緩沖區(qū)二中的數(shù)據(jù)發(fā)送完，并計算CRC校驗。

4 結(jié)束語

本文采用FPGA實現(xiàn)了兩套符合ATA-6規(guī)范的IDE接口，完成主機與硬盤之間數(shù)據(jù)的截獲、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)測試，系統(tǒng)在DOS、Windows 98、Windows  2000、Windows XP及 Red Hat Linux 9.0操作系統(tǒng)環(huán)境下，使用希捷、邁拓、三星、西數(shù)等公司的多種型號硬盤均工作正常，支持PIO和Ultra DMA兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。由于通過FPGA實現(xiàn)一個完整的IDE接口，若對系統(tǒng)稍加改動，如在數(shù)據(jù)處理單元中加入相應的文件系統(tǒng)，即可實現(xiàn)脫機讀寫IDE硬盤，用于數(shù)據(jù)采集的海量存儲等多種場合，使系統(tǒng)具有較好的通用性。

本文作者創(chuàng)新點：作者針對硬盤數(shù)據(jù)易泄密及高速大容量數(shù)據(jù)采集困難等問題，提出在主機和硬盤之間使用FPGA芯片構(gòu)建一個雙向IDE硬盤通道，實現(xiàn)兩套符合ATA-6規(guī)范的IDE接口，F(xiàn)PGA對主機與硬盤間的數(shù)據(jù)流進行處理及轉(zhuǎn)發(fā)，以實現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)高速采集存儲及脫機控制硬盤等操作。系統(tǒng)支持PIO和Ultra DMA兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，對操作系統(tǒng)透明，較常見的單向IDE通道，該系統(tǒng)通用性強，有較好的推廣價值。本文側(cè)重于用FPGA實現(xiàn)IDE接口協(xié)議，對實現(xiàn)過程及方法做了詳細描述，對讀者有較高的參考實用價值。