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1、第8章 磁盘接口,8.1 磁盘概述8.2 软盘驱动器接口电路8.3 硬盘驱动器接口电路8.4 现代硬盘及接口技术的发展8.5 磁盘驱动器接口软件,本章学习目标,l 磁盘的工作原理l软盘接口电路的组成和原理l硬盘接口电路的组成和原理l磁盘接口电路的中断服务程序的应用,返回本章首页,8.1 磁盘概述,8.1.1 磁记录原理8.1.2 写入数据原理8.1.3 读出数据原理及过程8.1.4 读写过程8.1.5 磁盘的种类8.1.6 软盘驱动器的类型8.1.7 磁盘数据和数据格式8.1.8 其他外部存储设备,返回本章首页,8.1.1 磁记录原理,磁记录是以磁介质受外磁场的磁化，当去掉外磁场后仍有介质剩余
2、磁化状态这一性质为基本原理。磁盘机（HDD、FDD）是由介质、读写磁头、读写电路、马达及伺服驱动电路等组成。磁盘的读写原理如图8.1所示。,图8.1 磁盘读写原理示意图,返回本节,8.1.2 写入数据原理,当要记录的电流通过线圈时，为了保持磁化强度，记录信号的脉冲需要一个周期内使磁场方向改变一次，当磁头中写电流从正向稳态变为反向稳态时，使记录在介质上的正向饱和磁化强度翻转到反向饱和磁化强度。,返回本节,8.1.3 读出数据原理及过程,读出是写入的逆过程。当磁头与磁介质作相对运动时，由于磁介质与磁头铁芯的缝隙相接触，使铁芯中出现原记录的散磁通，并且在读出线圈两端产生感生电动势。经过读出电路就可还
3、原成读出电流，读出电流的方向、大小正好与原记录信号相同，使原数据信号还原。,返回本节,8.1.4 读写过程,读写磁头与转动平面垂直接触，在读写窗做前后方向运动；当线圈通过不同方向电流时，在磁铁芯中形成磁场，并产生不同方向的磁通；磁通透过读写缝隙与涂磁盘面接触，使磁化因子运动。这样盘面上的磁化运动与代表数据的电流构成了关系。磁盘读写电路如图8.2所示。,图8.2 磁盘读写控制电路示意图,返回本节,8.1.5 磁盘的种类,1硬磁盘（如图8.3、表8.1所示）2软盘驱动器,图8.3 硬盘的外形图,正面,反面,接口面,表8.1 常见硬盘的主要性能参数,返回本节,8.1.6 软盘驱动器的类型,软盘驱动器
4、一般分为5.25英寸及3.5英寸，5.25英寸的磁盘容量一般为1.2MB和360KB两种；3.5英寸的磁盘容量一般为1.44MB和720KB两种类型。现在使用的是3.5英寸，且容量为1.44MB。,1软盘驱动器的工作原理：当软磁盘放入驱动器时，通过软盘驱动器控制电路指示主轴电机和磁头步进电机动作，进行读/写操作。2磁盘数据的错误校验：常用数据校验的方法主要有循环冗余码校验及补码校验。,返回本节,8.1.7 磁盘数据和数据格式,1磁盘的磁道和扇区,磁盘基本是按磁道来存储数据的，都含有三类字段：索引字段、标识字段和数据字段。这三种字段有时组合起来，构成几个区域，如地址区、数据区等。一般1.44MB
5、软盘的磁道为80个磁道，每个磁道为9个扇区。,2磁盘数据的编码格式,图8.4 磁记录的编码,返回本节,8.1.8 其他外部存储设备,其他存储设备主要是光盘。一般光盘驱动器主要有CD-ROM、MO磁光盘、CD-RW、DVD-ROM驱动器等。光盘盘片的尺寸一般为5.25英寸。光盘介质的存储容量各不相同。如CD-ROM光盘的存储容量一般为650MB；MO光盘的存储容量一般为230MB；DVD-ROM的存储容量可达4.7GB。,返回本节,8.2 软盘驱动器接口电路,8.2.1 软盘适配器8.2.2 软盘控制器8.2.3 FDC控制器命令与端口寄存器,返回本章首页,8.2.1 软盘适配器,图8.5 软盘
6、适配器电路框图,1总线缓冲器2FDC NEC765A软盘控制器 3时钟时序电路4数字信号控制电路（如图8.6所示）5译码器6写预补偿电路（如图8.7所示）。7数据分离电路其原理图（如图8.8所示）8信号驱动电路9总线上的接口信号10传输数据线,图8.6 数字信号控制与译码器示意图,图8.7 软盘适配器写预补偿电路,图8.8 数据分离电路示意图,表8.2 软盘驱动器线缆各引脚信号用途,返回本节,8.2.2 软盘控制器,软盘控制器是磁盘控制的主要部件。通常采用驱动器专用微控制器芯片。软盘控制器的接口部件主要由三部分组成，与系统接口的DMA控制逻辑、MPU控制逻辑；与驱动器控制信号接口的驱动器控制逻
7、辑；与磁盘读写串行数据接口的串行控制逻辑。,1FDC NEC765A的主要特点,FDC可分别受CPU和DMA的控制来自主机系统或直接存储器存取DMA的数据传送；可连接并控制4个磁盘驱动器，可以按MFM/RLL方式读/写单密度或双密度磁盘；可编程记录长度分别为：128、256、512、1024字节；可以与大多数微型计算机系统的CPU相兼容；NEC765A FDC采用LSI DIP的封装形式。,图8.9 软盘驱动器控制器（FDC）内部框图,2NEC765A FDC控制器的接口信号,NEC765A FDC控制器的引脚可分为三类：,（）系统接口信号（）经过串行控制接口（如图8.10所示）（）由驱动器控
8、制接口的若干信号,图8.10 软盘驱动器控制器（FDC）NEC765A外形图,返回本节,8.2.3 FDC控制器命令与端口寄存器,1软盘驱动器的控制命令,软盘驱动器的控制命令如下：READ DATA 读扇区、磁道及磁面数据READ DELETE 读删除数据的扇区、磁道及磁面 数据WRITE DATA 写数据到扇区、磁道及磁面数据WRITE DELETE DATA 写删除的数据到扇区、,磁道及磁面数据REDA A TRACK 读一个完整磁道上的数据READ ID 读扇区标识FORMAT TRACK 格式化所选择的扇区、磁道及磁面数据SCAN EQUAL 查找信息相等时设置标志SCAN LOW&E
9、QUAL 查找信息小于相等时设置标志,SCAN HIGH&EQUAL 查找信息大于相等时设置标志RECALIBRATE 磁头复位SENSE INTERRUPT STATUS 检测驱动器的中断状态SPECIFY 设置参数SENSE DRIVE STATUS 检测驱动器中断状态SEEK 搜索,2软盘控制器的端口寄存器,软盘控制器FDC共有4个端口寄存器：3F2H（写）：方式选择寄存器3F4H（读）：主状态寄存器3F5H（写）：命令系列寄存器3F5H（读）：结果系列寄存,图8.11 FDC 3F2H方式选择寄存器各位说明,3各寄存器内容,图8.12 FDC 3F4H主状态寄存器各位说明,返回本节,8
10、.3 硬盘驱动器接口电路,8.3.1 硬盘驱动器的组成原理8.3.2 硬盘适配器8.3.3 硬盘驱动器数据线的线缆标准8.3.4 增强IDE（EIDE或ATA-2）接口,返回本章首页,8.3.1 硬盘驱动器的组成原理,硬盘驱动器是将硬盘机构与控制机构的电路密封在一起构成的，硬盘驱动器通过数据电缆线与计算机主板中的硬盘适配器相连。硬盘适配器电路主要包括硬盘接口电路、硬盘控制器电路。其结构如图8.13所示。,图8.13 硬盘驱动器的基本组成示意图,1硬盘主轴系统,主轴的作用是传递硬盘主轴电机的转速，使硬盘盘片以额定的速度稳定地转动。硬盘主轴系统由主轴电机和电机控制电路组成。其工作过程如图8.14所
11、示。,图8.14 主轴电机稳速电路示意图,2硬盘读写磁头系统,硬盘读写磁头系统由悬浮式或浮式磁头、读写头控制电路组成。硬盘采用悬浮式磁头而不是软盘驱动器的接触式磁头，读写头电路如图8.15所示，由磁头选择逻辑、磁头写驱动电路、磁头驱动线圈、读出电路及状态检测电路组成。,图8.15 硬盘写电路组成示意图,3磁头定位系统,（）初始定位（）准备定位（）检查出错标志（）磁头小车启动（）返回信息,需要分成以下几步进行：,4硬盘驱动器的控制逻辑,硬盘驱动器的控制逻辑包括控制与检测两个过程。前者包括对主轴电机、磁头控制电机等进行的稳速控制、位置控制、启动停止控制过程；后者包括主轴索标传感器、位置传感器、速度
12、传感器测量的索标周期、定位标记和磁头运动速度的检测过程。,返回本节,8.3.2 硬盘适配器,硬盘驱动器的控制电路主要包括两个部分，一是硬盘适配器部分它位于微机系统的一侧；二是读写逻辑，位于硬盘驱动器内。它们通过数据及控制电缆线相连接。,硬盘适配器的组成,1）扇区缓冲器2）数据缓冲器3）硬盘控制器4）接口控制器5）驱动器选择控制器6）数据分离电路7）写预补偿电路 8）驱动电路9）系统接口信号10）硬盘驱动器接口信号,（1）硬盘适配器（如图8.16所示）,图8.16 硬盘适配器电路框图,常见几种硬盘接口的数据及信号电缆：1）进出数据分离电路的信号线2）到达写预补偿和同步电路的信号线3）进出缓冲/接
13、收（I/O）的信号线,（2）硬盘驱动器数据电缆信号,图8.17 Intel 8272A 内部结构示意图,（3）硬盘控制器INTEL 8272A,（4）HDC的硬盘命令及端口寄存器（如表8.38.6、图8.18所示）,1）硬盘驱动器命令2）硬盘驱动器控制器的端口3）序列寄存器4）端口编程,表8.3 硬盘驱动器控制器的端口寄存器地址、内容、用途,驱动器、工作模式等选择,表8.4 320H命令序列寄存器的内容,表8.5 320H错误序列寄存器字节的格式,7 6 5 4 3 2 1 0,表8.6 命令序列寄存器字节0的错误类型,图8.18 321H硬件寄存器各位的含义,返回本节,8.3.3 硬盘驱动器
14、数据线的线缆标准,硬盘驱动器最常用的数据线缆有五种线缆标准。变频锁相环（MFM/PLL）式数据线缆、行程长度受限制（RLLC）式线缆、增强小型设备接口（ESDI）线缆、小型计算机系统接口（SCSI）式线缆和集成驱动接口（IDE/EIDE）式线缆五种。,表8.7 增强小型设备接口（ESDI）20线数据线缆,1增强小型设备接口（ESDI）,表8.8 增强小型设备接口（ESDI）34线控制线缆,2小型计算机接口（SCSI）,小型计算机接口（SCSI）的数据线缆有50线和80线两种形式的数据线缆。如表8.9所示为50线的SCSI数据线缆，其尺寸一般有5.25英寸和3.5英寸两种。,表8.9 SCSI接
15、口驱动器50线缆,返回本节,8.3.4 增强IDE（EIDE或ATA-2）接口,EIDE接口规范中还通过一种被称为ATAPI的新标准，使IDE（或ATA）接口支持CD-ROM驱动器。EIDE接口外形如图8.21所示。应用在硬盘接口上时，EIDE接口一般都采用PIO模式，表8.11定义了EIDE传输模式及其最小总线周期时间。,图8.21 EIDE接口插座外形,表8.11 EIDE传输模式及其最小总线周期时间,1超级DMA/33接口协议,超级DMA/33接口协议是一种用于数据传输的新型协议。通过标准的总线主控制器IDE的接口电路来启动和控制这种传输。超级DMA/33通过一个源同步信号协议来传输数据
16、，以支持数据传输的突发操作。是采用总线主控制方式，在硬盘上安装控制硬盘读写的DMA控制器。,2超级DMA/33接口信号,当工作在超级DMA/33模式时，只是对一些标准的IDE控制信号进行了重新的定义，这些重新定义的信号如表8.12所示。从IDE设备到IDE接口的数据传输定义为读周期，从IDE接口到IDE设备的数据传输定义为写周期。,表8.12 超级DMA/33接口控制信号的重新定义,3超级DMA/33工作过程,使IDE接口工作在超级DMA/33模式时，必须预进行初始化编程，这种初始化编程分成两个部分：一个是对IDE接口的使能和配置，一个是对IDE设备的使能和配置。对于IDE接口，必须允许工作在
17、同步DMA模式和建立适当的同步DMA时序。,4超级DMA/33时序,超级DMA/33时序可以通过超级DMA/33时序寄存器进行编程，可编程的时序包括周期时间CT和准备暂停时间RP。CT为数据有效使能信号STROBE的最小脉冲宽度，PR为期望停止突发读/写传输从DMARDT无效到STOP有效IDE接口需要等待的PCI时钟数。,5超级DMA/66/100接口,超级DMA/66的逻辑时钟运行在66MHz，数据传输率达到66MB/s。DMA/66协议也支持44MB/s的传输模式，此时完成一次16位的数据传输需要3个66MHz的时钟周期。,返回本节,8.4 现代硬盘及接口技术的发展,8.4.1 磁头技术
18、的发展8.4.2 硬盘内部传输速度8.4.3 采用全新的硬盘保护技术8.4.4 硬盘接口新技术,返回本章首页,8.4.1 磁头技术的发展,现代硬盘中在磁头技术上普遍采用的GMR巨磁阻磁头技术、OAW光学辅助温氏磁头技术，使磁盘的容量更大、磁道的密度更高。如现在已经出现了100GB以上容量的硬盘。,返回本节,8.4.2 硬盘内部传输速度,在硬盘速度方面除提高主轴电机转速外，采用更大的硬盘高速缓存（有的硬盘具有高达512KB4MB的高速缓存）和UltraDSP超级数字信号处理技术，使硬盘的数据传输速度更快，现代硬盘的内部数据传输率可达到300MB/s甚至更快。,返回本节,8.4.3 采用全新的硬盘
19、保护技术,在硬盘保护技术方面采用（硬盘故障自动检测、分析报告）技术、SPS磁盘振动保护技术、DPS数据保护系统等，使硬盘的防震性能更好、可靠性更高、寿命更长。,返回本节,8.4.4 硬盘接口新技术,在IDE接口技术方面，采用Ultra DMA/33/66/100的ATA/IDE的新型接口技术。在SCSI硬盘接口技术方面，采用了Ultra 160/m接口，使数据传输速率高达160MB/s。IEEE1394接口技术。IEEE1394硬盘接口规范的应用，使硬盘的数据传输率更高。它是一种高速串行总线，二是一个标准接口，具有较好的兼容性。,返回本节,8.5 磁盘驱动器接口软件,8.5.1 磁盘驱动器的端
20、口操作8.5.2 磁盘的BIOS服务程8.5.3 磁盘的DOS接口,返回本章首页,（1）直接作用于适配器控制器，是针对端口进行的输入/输出操作及其命令。（2）作用于BIOS，是系统提供的磁盘服务程序，以INT13中断调用为主。（3）高级磁盘服务程序，作用于DOS等磁盘操作系统，是系统提供给用户的命令或应用程序。,硬盘驱动器接口软件有若干类型：,8.5.1 磁盘驱动器的端口操作,图8.22 磁盘端口一级的命令调用功能示意图,返回本节,8.5.2 磁盘的BIOS服务程,图8.23 BIOS一级调用示意图,表8.13 INT 13H软盘服务功能,表8.14 INT 13H硬盘服务功能,返回本节,8.5.3 磁盘的DOS接口,用户程序调用过程如图8.24所示。DOS调用BIOS设备驱动程序要经过以下几步：（1）DOS根据用户程序或命令，查找相应的BIOS服务功能。（2）DOS在内存中建立地址ES：BX，指向请求处理段。（3）策略过程，将请求标题存入段SEG寄存器。（4）按照请求标题的地址，对相应的信息进行处理。,图8.24 DOS调用过程示意图,返回本节,THANK YOU VERY MUCH！,本章到此结束，谢谢您的光临！,返回本章首页,结 束放映,
