第12章 磁盘接口

第12章磁盘接口第12章磁盘接口12.1磁盘概述12.2软盘驱动器接口电路12.3硬盘驱动器接口电路12.4现代硬盘及接口技术的发展12.5磁盘驱动器接口软件第12章磁盘接口本章学习目标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第12章磁盘接口12.1磁盘概述12.1.1磁记录原理12.1.2写入数据原理12.1.3读出数据原理及过程12.1.4读写过程12.1.5磁盘的种类12.1.6软盘驱动器的类型12.1.7磁盘数据和数据格式12.1.8其他外部存储设备返回本章首页第12章磁盘接口12.1.1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。第12章磁盘接口图12.1磁盘读写原理示意图返回本节读写缝隙磁盘面导磁磁铁芯读写电流第12章磁盘接口12.1.2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。返回本节第12章磁盘接口12.1.3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。返回本节第12章磁盘接口12.1.4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12.2所示。第12章磁盘接口图8.2磁盘读写控制电路示意图返回本节磁头伺服控制电路主轴电机伺服控制电路磁盘检索电路（FDD）磁盘读写电路磁盘盘片数据数据主轴电机磁头读写第12章磁盘接口12.1.5磁盘的种类1．硬磁盘（如图12.3、表12.1所示）2．软盘驱动器第12章磁盘接口图12.3硬盘的外形图正面反面接口面第12章磁盘接口表12.1常见硬盘的主要性能参数返回本节第12章磁盘接口12.1.6软盘驱动器的类型软盘驱动器一般分为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。第12章磁盘接口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。返回本节第12章磁盘接口12.1.7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软盘的磁道为80个磁道，每个磁道为9个扇区。第12章磁盘接口2．磁盘数据的编码格式图12.4磁记录的编码返回本节位元111010001CDCDCDCCDCCCCDFMDDDDCCDMFMDDDDCDM2FM第12章磁盘接口12.1.8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。返回本节第12章磁盘接口12.2软盘驱动器接口电路12.2.1软盘适配器12.2.2软盘控制器12.2.3FDC控制器命令与端口寄存器返回本章首页第12章磁盘接口12.2.1软盘适配器图12.5软盘适配器电路框图10MHz写数据写数据出500KHz原始数据磁道0VCC同步读出数据读出时钟方向步进写允许索引写保护磁头选择驱动器选择INTR驱动器开关数据缓冲NEC765A软盘控制器时钟电路补偿电路数字控制译码器数据分离电路马达第12章磁盘接口1．总线缓冲器2．FDCNEC765A软盘控制器3．时钟时序电路4．数字信号控制电路（如图12.6所示）5．译码器6．写预补偿电路（如图12.7所示）。7．数据分离电路其原理图（如图12.8所示）8．信号驱动电路9．总线上的接口信号10．传输数据线第12章磁盘接口图12.6数字信号控制与译码器示意图复位RESET驱动器马达1~4A1DBB1A2数据线B2驱动器地址代码选择INTR自NEC765A控制器读写信号并进并出控制电路译码器第12章磁盘接口图12.7软盘适配器写预补偿电路写数据输入10MHz时钟PS0PS1写数据输出07D1Q1D2Q2D3Q3D4Q474LS175CLKCLK1C01Y1C11C21C32C02Y74LS1532C2AB1G2G第12章磁盘接口图12.8数据分离电路示意图原始读出时钟读数据读出数据读出数据读出数据500KHz10MHz锁相环电路施密特触发器相位比较器低通滤波器VCO控制逻辑第12章磁盘接口表12.2软盘驱动器线缆各引脚信号用途返回本节第12章磁盘接口12.2.2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辑；与磁盘读写串行数据接口的串行控制逻辑。第12章磁盘接口1．FDCNEC765A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；NEC765AFDC采用LSIDIP的封装形式。第12章磁盘接口图12.9软盘驱动器控制器（FDC）内部框图PS0PS1内部总线WETCWDADRQ2WCKRDWDACKRDVCOINTRRDRDYWRWP/TSRESETIDXA0CSFLT/TR00HDD0—D7FR/STPLCT/DIRHDL系统总线驱动器电缆线RW/SEEKMFMUS0US1DMA控制逻辑MPU控制逻辑串行控制接口输出口内部寄存器驱动控制接口输入口数据缓冲器FDCNEC765A第12章磁盘接口2．NEC765AFDC控制器的接口信号NEC765AFDC控制器的引脚可分为三类：（１）系统接口信号（２）经过串行控制接口（如图12.10所示）（３）由驱动器控制接口的若干信号第12章磁盘接口图12.10软盘驱动器控制器（FDC）NEC765A外形图返回本节RESETVccRDRW/SEEKRWLCT/DIRCSFR/STPA0HDLDB0RDYWP/TSFLT/TRKPS0PS1WRDATADS0DB7DS1DRQHDSELDACKMFMTCWEIDXVCOINTRDDATACLKDWGNDWRCLK1402393384375366357348NEC765A3393210311130122913281427152616251724182319222021第12章磁盘接口12.2.3FDC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：READDATA读扇区、磁道及磁面数据READDELETE读删除数据的扇区、磁道及磁面数据WRITEDATA写数据到扇区、磁道及磁面数据WRITEDELETEDATA写删除的数据到扇区、第12章磁盘接口磁道及磁面数据REDAATRACK读一个完整磁道上的数据READID读扇区标识FORMATTRACK格式化所选择的扇区、磁道及磁面数据SCANEQUAL查找信息相等时设置标志SCANLOW&EQUAL查找信息小于相等时设置标志第12章磁盘接口SCANHIGH&EQUAL查找信息大于相等时设置标志RECALIBRATE磁头复位SENSEINTERRUPTSTATUS检测驱动器的中断状态SPECIFY设置参数SENSEDRIVESTATUS检测驱动器中断状态SEEK搜索第12章磁盘接口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）：结果系列寄存第12章磁盘接口图12.11FDC3F2H方式选择寄存器各位说明3．各寄存器内容位7位6位5位4位3位2位1位0驱动器马达4接通驱动器马达3接通驱动器马达2接通驱动器马达1接通允许收发DMA、INT请求允许FDC工作在非DMA状态软盘驱动器1、2、3、4的选择第12章磁盘接口图12.12FDC3F4H主状态寄存器各位说明返回本节位7位6位5位4位3位2位1位0数据可用传送方向0：CPU→FDC、FDC←CPU非DMA工作方式FDC正在进行读写软盘驱动器4正在查找软盘驱动器3正在查找软盘驱动器2正在查找软盘驱动器1正在查找第12章磁盘接口12.3硬盘驱动器接口电路12.3.1硬盘驱动器的组成原理12.3.2硬盘适配器12.3.3硬盘驱动器数据线的线缆标准12.3.4增强IDE（EIDE或ATA-2）接口返回本章首页第12章磁盘接口12.3.1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12.13所示。第12章磁盘接口图12.13硬盘驱动器的基本组成示意图硬盘适配器硬盘驱动器磁头盘片定位命令状态信息写数据读数据读标志索引标志扇区标志接口电路磁盘控制器定位逻辑磁头电机磁头选择读写逻辑缓冲器主轴电机空气滤化驱动控制第12章磁盘接口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12.14所示。第12章磁盘接口图12.14主轴电机稳速电路示意图转速索标脉冲晶体振荡器计数器译码器控制电路索标传感器主轴电机第12章磁盘接口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12.15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。第12章磁盘接口图12.15硬盘写电路组成示意图写数据写命令磁头选择写驱动电路磁头线圈状态检测电路选择逻辑第12章磁盘接口3．磁头定位系统（１）初始定位（２）准备定位（３）检查出错标志（４）磁头小车启动（５）返回信息需要分成以下几步进行：第12章磁盘接口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。返回本节第12章磁盘接口12.3.2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。第12章磁盘接口硬盘适配器的组成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12.16所示）第12章磁盘接口主机系统数据电缆硬盘驱动器计算机信号驱动器信号磁头选择DB0写选通写数据DB7提前滞后写数据到每马达3写电流减