基于FPGA的IDE硬盤接口卡的實(shí)現(xiàn)

本文采用FPGA實(shí)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(gè)與普通IDE硬盤連接，另一個(gè)與計(jì)算機(jī)主板上的IDE接口相連。系統(tǒng)采用FPGA實(shí)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(diǎn)介紹用FPGA實(shí)現(xiàn)接口協(xié)議的方法。

1 IDE接口協(xié)議簡(jiǎn)介

1.1 IDE接口引腳定義

IDE（Integrated Drive Electronics）即“電子集成驅(qū)動(dòng)器”，又稱為ATA接口。表1列出了ATA標(biāo)準(zhǔn)中IDE接口上的信號(hào)。其中，帶“-”的信號(hào)（如RESET-）表示低電平有效?！胺较颉笔窍鄬?duì)于硬盤而言，I表示進(jìn)入硬盤，O表示從硬盤出來(lái)，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(jī)對(duì)IDE硬盤的控制是通過(guò)硬盤控制器上的兩組寄存器來(lái)實(shí)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(gè)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(hào)寄存器、柱面數(shù)寄存器（低、高）、驅(qū)動(dòng)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(dòng)器/磁頭寄存器中指定。

命令寄存器存儲(chǔ)執(zhí)行的命令代碼。當(dāng)向命令寄存器寫入命令時(shí)，相關(guān)的參數(shù)必須先寫入。命令寫入后，硬盤立即開(kāi)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(jī)讀取。其主要位有：BSY-驅(qū)動(dòng)器忙，DRDY-驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好，DF-驅(qū)動(dòng)器故障，DRQ-數(shù)據(jù)請(qǐng)求，ERR-命令執(zhí)行出錯(cuò)。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(shí)不清除中斷請(qǐng)求。錯(cuò)誤寄存器包含了命令執(zhí)行出錯(cuò)時(shí)硬盤的診斷信息。

數(shù)據(jù)寄存器為PIO傳輸模式下，主機(jī)和硬盤控制器的緩沖區(qū)之間進(jìn)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(gè)或者多個(gè)扇區(qū)）為單位，每傳輸完一個(gè)數(shù)據(jù)塊后，硬盤都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，并向主機(jī)報(bào)告命令執(zhí)行結(jié)果。

在DMA方式下，主機(jī)和硬盤之間需要通過(guò)一系列握手信號(hào)建立一個(gè)DMA通道，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式傳輸。當(dāng)傳輸完一個(gè)命令的所有數(shù)據(jù)時(shí)，硬盤產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，并向主機(jī)報(bào)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(hào)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(shí)還要進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

2 FPGA內(nèi)部框圖

本設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)讀取?？刂颇K負(fù)責(zé)產(chǎn)生對(duì)主機(jī)及對(duì)硬盤的各種IDE協(xié)議控制信號(hào)，并協(xié)調(diào)各模塊之間的工作?？刂颇K采用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，其軟件設(shè)計(jì)流程將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹。數(shù)據(jù)處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解密運(yùn)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(dāng)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(dāng)FIFO的作用。

3系統(tǒng)軟件流程

開(kāi)機(jī)時(shí)，F(xiàn)PGA檢測(cè)到復(fù)位信號(hào)，初始化內(nèi)部寄存器組，并對(duì)硬盤進(jìn)行復(fù)位操作，硬盤復(fù)位完畢后FPGA進(jìn)入空閑狀態(tài)。FPGA在空閑狀態(tài)時(shí)會(huì)檢測(cè)主機(jī)是否有寫命令操作（通常一個(gè)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(hào)寄存器、柱面數(shù)低位寄存器、柱面數(shù)高位寄存器、驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器6個(gè)命令參數(shù)寄存器，最后將命令寫入命令寄存器）。當(dāng)主機(jī)依次將寄存器組一寫完后，F(xiàn)PGA對(duì)主機(jī)置BSY位，并將命令轉(zhuǎn)發(fā)給硬盤，同時(shí)判斷命令類型，根據(jù)不同的命令，進(jìn)入相應(yīng)的命令處理流程。

如果是無(wú)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(gè)中斷請(qǐng)求，此時(shí)FPGA將執(zhí)行結(jié)果讀入寄存器組二中，并向主機(jī)產(chǎn)生中斷請(qǐng)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(jìn)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(dāng)FPGA判斷出是PIO模式的數(shù)據(jù)傳輸命令時(shí)，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(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。此時(shí)主機(jī)可以向緩沖區(qū)一寫入數(shù)據(jù)塊（本設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)定數(shù)據(jù)塊的大小為1個(gè)扇區(qū)共512字節(jié)）。主機(jī)寫完一個(gè)數(shù)據(jù)塊后FPGA對(duì)主機(jī)置BSY位，數(shù)據(jù)處理單元開(kāi)始進(jìn)行加密運(yùn)算，并將加密后的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)二。加密運(yùn)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(jìn)入等待狀態(tài)。硬盤將數(shù)據(jù)寫入物理介質(zhì)（磁碟）后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求，報(bào)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(jī)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，并再次查詢DRQ位，若DRQ為1則進(jìn)入下一個(gè)PIO數(shù)據(jù)塊的傳輸過(guò)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(jìn)入空閑狀態(tài)。

此外，Identify Device命令是主機(jī)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(hào)、容量等）。此時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元不應(yīng)對(duì)該命令的數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解密運(yùn)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(guò)DMARQ來(lái)請(qǐng)求的。FPGA接收到硬盤的DMA請(qǐng)求后首先初始化主機(jī)至FPGA的DMA通道，緊接著初始化FPGA至硬盤的DMA通道。此時(shí)主機(jī)經(jīng)FPGA到硬盤的DMA通道即已建立，主機(jī)向緩沖區(qū)一寫入數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密運(yùn)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(guò)程中，若硬盤要求暫?；蛘呔彌_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(jī)暫停發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 PIO命令處理流程

主機(jī)和硬盤都可以隨時(shí)停止當(dāng)前的DMA傳輸，未傳完的數(shù)據(jù)將等待硬盤下一次的DMA請(qǐng)求時(shí)再進(jìn)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(shí)向主機(jī)提出中止傳輸，撤除主機(jī)至FPGA的DMA通道，并計(jì)算該次所傳數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)。然后FPGA進(jìn)入等待狀態(tài)，等待硬盤下一次的DMA請(qǐng)求。

如果主機(jī)提出中止傳輸，F(xiàn)PGA將撤除主機(jī)至FPGA的DMA通道，同時(shí)繼續(xù)向硬盤發(fā)送數(shù)據(jù)，直到將接收到主機(jī)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(jì)算CRC校驗(yàn)。然后FPGA進(jìn)入等待狀態(tài)，等待硬盤下一次的DMA請(qǐng)求。

在等待狀態(tài)下，若FPGA接收到硬盤的中斷請(qǐng)求，則說(shuō)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(jī)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，進(jìn)入空閑狀態(tài)。若接收到硬盤的DMA請(qǐng)求，則說(shuō)明硬盤還未接收到該次命令的所有數(shù)據(jù)，此時(shí)需要判斷主機(jī)是否已將所有數(shù)據(jù)發(fā)送完。如果主機(jī)并沒(méi)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(kāi)始新一輪的DMA傳輸；如果主機(jī)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(jì)算CRC校驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用FPGA實(shí)現(xiàn)了兩套符合ATA-6規(guī)范的IDE接口，完成主機(jī)與硬盤之間數(shù)據(jù)的截獲、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)測(cè)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(hào)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(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的IDE接口，若對(duì)系統(tǒng)稍加改動(dòng)，如在數(shù)據(jù)處理單元中加入相應(yīng)的文件系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)讀寫IDE硬盤，用于數(shù)據(jù)采集的海量存儲(chǔ)等多種場(chǎng)合，使系統(tǒng)具有較好的通用性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：作者針對(duì)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(wèn)題，提出在主機(jī)和硬盤之間使用FPGA芯片構(gòu)建一個(gè)雙向IDE硬盤通道，實(shí)現(xiàn)兩套符合ATA-6規(guī)范的IDE接口，F(xiàn)PGA對(duì)主機(jī)與硬盤間的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理及轉(zhuǎn)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)高速采集存儲(chǔ)及脫機(jī)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(duì)操作系統(tǒng)透明，較常見(jiàn)的單向IDE通道，該系統(tǒng)通用性強(qiáng)，有較好的推廣價(jià)值。本文側(cè)重于用FPGA實(shí)現(xiàn)IDE接口協(xié)議，對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程及方法做了詳細(xì)描述，對(duì)讀者有較高的參考實(shí)用價(jià)值。