0 引言

    電子盤又稱電子硬盤，它采用符合硬盤接口技術（Advanced Technology Attachment，ATA）工業標準的控制技術，克服了傳統機械硬盤的弊病，能夠提供高性能和高可靠的數據儲存，被廣泛應用于工業控制、軍工、航空航天等領域^[1]。VxWorks是風河公司開發的嵌入式實時操作系統，其中VxWorks5.5版本具有較高的可靠性和卓越的實時性，在很多領域都有廣泛的應用^[2]。但是VxWorks5.5系統原生電子盤驅動僅支持過程輸入輸出（Process Input Output，PIO）方式，存取速度較慢，無法滿足某些應用的實時性要求，需要設計基于直接存儲器存取（Direct Memory Access，DMA）方式的驅動，以提升電子盤讀寫速度，擴展其應用領域。

1 硬件環境

    硬件平臺為中船重工第七一六研究所生產的CM6066單板加固計算機。該計算機主板采用Intel Core Duo L2400/L2500低功耗處理器, 配以Intel 945GM芯片組，南橋芯片為ICH7-M（82801GBM），提供的接口包括SATA、ATA/IDE、USB2.0、千兆以太網及串口等，主要功能框圖見圖1。

    該計算機模塊搭載的電子盤為源科公司生產的飛龍V系列閃存硬盤，它采用NandFlash閃存芯片，基于標準的ATA/IDE端口，支持ATA-6協議。

2 硬盤工作原理分析

    硬盤的讀寫是一個復雜的過程，它涉及到硬盤的接口方式、尋址方式、控制寄存器模型等。硬盤的存儲介質也從最初的磁性材料、光磁介質發展到半導體存儲材料，但不同硬盤的讀寫方法和尋址方式都一樣，因為不同硬盤都遵循ATA協議。ATA協議的最新版本為ATA-8，ATA-6及之前的版本僅支持IDE接口，從ATA-7開始，協議增加了對SATA接口的支持。在ATA-6協議中，硬盤參數信息共占用512 B，分為256個WORD，表1簡單說明了部分字節代表的意義。

    在ATA-6協議中，CPU與硬盤設備的通信是通過讀寫設備接口上的寄存器實現的。接口寄存器分為兩組，一組為命令塊寄存器，用于CPU向設備發送命令或從設備讀取狀態；另一組為控制塊寄存器，用于CPU控制設備或獲取備用狀態，如表2所示。

    各接口寄存器功能如下所述：

    數據寄存器：用于CPU與硬盤設備之間的數據交換，該種方式即PIO模式，DMA傳輸不使用該寄存器；

    錯誤寄存器：用于記錄硬盤執行命令后的出錯信息；

    特征寄存器：用于存儲命令代碼；

    扇區計數寄存器：用于存儲要讀/寫的扇區總數；

    LBA高/中/低8位寄存器：用于LBA尋址；

    設備寄存器：用于使能被選設備并提供配置信息；

    狀態寄存器：用于記錄硬盤設備執行命令后的狀態；

    命令寄存器：用于執行命令；

    備用寄存器：其內部數據與狀態寄存器相同；

    設備控制寄存器：用于控制硬盤設備。

3 驅動程序設計

3.1 驅動與文件系統關系

    VxWorks下的設備包括字符設備、塊設備和網絡設備等，電子盤等存儲設備屬于塊設備，此類型設備以“塊”為單位進行數據操作，可大大提高數據的訪問速度，但也帶來了巨大的數據維護工作量，因此，塊設備驅動程序與I/O系統之間還存在一個中間層，即文件系統^[4]。VxWorks使用的dosFs文件系統是一種與MS_DOS文件系統兼容的文件系統，能夠滿足實時應用的多種需求^[5]。dosFs文件系統以簇為單位讀寫數據，每簇包含64個扇區，每一個扇區（512 B）為一個存儲塊，所以一次讀寫4 KB數據^[6]。應用程序訪問電子盤數據時，I/O系統會調用文件系統計算出相應扇區的地址及數量，而后文件系統再調用電子盤驅動程序訪問電子盤，完成讀寫操作。以讀操作為例，具體過程如圖2所示^[7]。

3.2 初始化

    電子盤在PIO模式下，僅使用命令塊寄存器中的數據寄存器進行數據交換，傳輸過程十分簡單，但在DMA模式下需要專用的IDE控制器，傳輸過程比較復雜。IDE控制器集成在ICH7-M芯片組中，是標準PCI設備，在256 B的配置空間中，偏移0x20的寄存器配置為IDE主控寄存器組基地址。主控寄存器組包含3個寄存器，分別為主控命令寄存器、主控狀態寄存器、物理設備描述符表指針寄存器，各寄存器地址映射如表3所示。

    在初始化過程中，首先搜尋PCI-IDE控制器并獲取寄存器基地址、中斷信號量等信息，之后分配必要的資源，如同步信號量、看門狗、PRDT表等，然后掛接中斷服務程序，建立CPU與控制器的連接。連接成功后首先獲取電子盤參數信息，然后根據參數設置讀寫傳輸模式和其他一些支持的屬性，如電源管理、SMART指令等。在電子盤設備初始化過程中，CPU會向設備發送指令來進行操作。發送指令時, CPU先填寫各種指令參數到相關寄存器中, 然后向命令寄存器發送命令字啟動指令, 之后設備開始執行指令^[9]。

    指令執行一般要經過以下幾種狀態：

    (1)發送指令, 進入等待狀態；

    (2)設備執行完指令后發出中斷,檢驗設備狀態；

    (3)如狀態正確, 則進行后續操作；否則返回。

    設置數據傳輸模式時，為保證電子盤能夠更高效工作，優先選擇UDMA傳輸模式；若電子盤不支持UDMA，則選擇MDMA模式；若不支持MDMA，則選擇SDMA模式；若不支持SDMA，則選擇PIO模式。

3.3 DMA讀寫設計

    每一次DMA傳輸都需要設置一系列寄存器，使得開銷很大，然而文件系統對硬盤的I/O請求是不連續的，物理內存中的數據也是不連續的。為了提高傳輸效率，需要將不連續的數據組合在一起，再啟用DMA操作，這些數據就能夠一次傳輸完成。為此，DMA傳輸使用了物理設備描述符表（Physical Region Descriptor Table，PRDT），表中的描述符指向內存緩沖區的起始地址和長度，這樣一次DMA傳輸，即可將表中記錄的數據都傳輸完成，PRDT表結構示意圖如圖3所示。

    在PRDT表中，每個描述符占8 B，前4 B指向緩沖區地址，后4 B低16 bit表示緩沖區長度，地址和長度的第0位必須為0，當緩沖區長度為0時，數據長度為64 KB，EOT位為緩沖區結束標志位(為1表示當前緩沖區為最后一個)。當執行DMA讀時，控制器將電子盤中扇區數據讀到各個內存緩沖區中；當執行DMA寫時，控制器將各個緩沖區中數據寫入對應的扇區中。

    通常情況下，硬盤的DMA讀寫過程一般需要如下幾個步驟：

    (1)首先判斷硬盤狀態，當其處于就緒狀態才可以進行操作；

    (2)填寫控制器相關寄存器指定起始邏輯塊（LBA尋址方式）和扇區總數；

    (3)啟動控制器，開始讀寫操作；

    (4)讀寫完畢后，提起中斷通知。

    在VxWorks5.5中，電子盤驅動讀寫硬盤的接口讀函數定義為ataBlkRd，寫函數定義為ataBlkWrt，讀寫函數最終調用ataBlkRW實現讀寫功能。該函數定義為STATUS ataBlkRW(ATA_DEV *pDev，sector_t startBlk，UINT32 nBlks，char *pBuf，int direction)^[10]。該接口函數僅使用PIO模式進行讀寫操作，需要使用DMA讀寫模式將其重新實現。具體過程如下：

    (1)將主控狀態寄存器的Interrupt及Error位置1，清除錯誤、中斷等狀態值；

    (2)設置主控命令寄存器的R/W位，讀電子盤時，設為1，寫電子盤時，設為0；

    (3)將PRDT表地址寫入描述符表指針寄存器，并根據緩沖區地址及長度配置PRDT表；

    (4)將要傳輸的扇區地址、數量等信息寫入ATA設備寄存器，方法如下：在LBA 48b尋址模式下，首先將要讀取（寫入）的扇區數高8位、低8位寫入Sector Count寄存器，然后將LBA（31:24）、LBA（7:0）寫入LBA Low寄存器；將LBA（39:32）、LBA（15:8）寫入LBA Mid寄存器；將LBA（47:40）、LBA（23:16）寫入LBA High寄存器；接著配置Device寄存器，其bit 4表示設備號，主盤置0，從盤置1，bit 6表示LBA尋址，需置1；最后將操作指令寫入Command寄存器，讀操作指令為0x25，寫操作指令為0x35；

    (5)主控命令寄存器的Start/Stop位置1，開啟DMA傳輸；

    (6)待傳輸結束后，硬盤發出一個中斷請求，PCI-IDE控制器隨之向CPU提起中斷；

    (7)響應中斷后，將主控狀態寄存器的Interrupt位置1，清除中斷信息；

    (8)最后將主控命令寄存器的Start/Stop位置0，關閉DMA傳輸。

4 試驗結果與分析

    在CM6066單板加固計算機（南橋芯片為ICH7-M，即82801GBM）上測試新設計的DMA模式驅動，測試結果顯示可成功讀寫電子盤文件，接著對讀寫速度進行測試，并與原生PIO方式驅動的讀寫速度進行對比。測試方法如下：采用系統自帶函數tickGet()進行計時，測試寫速度時將一段內存數據（200 MB）寫入電子盤中；測試讀速度時將電子盤中文件（200 MB）讀入內存中，由此可計算出讀寫速度[11]。分別使用兩種驅動進行測試，結果表明，采用DMA方式的驅動可顯著提升電子盤讀寫速度，具體數值見表4。

5 結束語

    本文開展的基于VxWorks5.5系統的電子盤DMA驅動軟件的研究具有很大的實用價值，以Intel ICH7-M芯片為硬件平臺，完成了新驅動的設計與實現，并通過應用測試證明該設計行之有效，能夠顯著提升電子盤性能。該驅動程序工作穩定、性能可靠、實時性較好，目前已應用在某電子海圖項目中，可大幅縮短海圖文件的加載時間，實現了海圖的快速拖拽及縮放功能。該驅動亦可應用于其他要求高實時性的工業控制領域。

參考文獻

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