使用PCI IDE Controller读写硬盘 – 1

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PIO_hd04

上一篇文章中提到了一些IDE基础的知识,并且知道了如何判断IDE的类型。接下来介绍IDE最基本的IO方法——PIO。

PIO是Programmed input/output的缩写,下面是一段wiki上对PIO的介绍:
“可编程输入输出(英语:PIO)是CPU与外围设备(如网卡、硬盘等)传输数据的一种方法。当 CPU 上执行的软件程序使用 I/O 地址空间来与输入/输出设备(I/O 设备)进行数据传输时,系统即进行了 PIO. 这和直接内存存取(DMA)恰好相反。

在 PC 上最常见的使用 PIO 的例子是 ATA 接口,但 ATA 接口也可以在 DMA 模式下工作。 PC 上的许多比较古老的设备也使用 PIO, 如串行端口、并行端口(在不使用 ECP 模式时)、PS/2 接口、MIDI 接口、内部时钟以及一些古老的网卡。”

实际上,在DMA出现之前,PIO是硬盘唯一的数据传输的方式。就算是现在,ATA的部分命令还必须使用PIO的方式获得数据,例如DEVICE IDENTIFY。PIO传输数据的思想简单直接,例如从硬盘都数据,只需要在硬盘准备好了之后,不断的读取特定端口就能将数据读出来了。例如 in eax, dx(dx里是数据端口号),这样每次就传输4个字节,也就是说如果需要传输512(一个扇区)的数据,需要128次IO。这样一方面数据传输的效率难以提高,另一方面还占用了CPU时间。所以被DMA淘汰也是有道理的。然而,他也有自身的优势,那就是编程起来简单方便。不像DMA那样,需要配置中断和其他一些事情。简单的对IDE下命令就可以达到数据传输的目的了。所以这也是我们入门的很好的切入口。

最后,在开始堆代码之前,我们必须了解硬盘的两种寻址模式:CHS(cylinders-heads-sectors,磁柱-磁头-扇区)寻址模式和LBA(Logical Block Address, 逻辑区块地址)寻址模式。
CHS寻址模式,区块必须以硬盘上某个磁柱、磁头、扇区的硬件位置所合成的地址来指定。
LBA寻址模式从0开始编号来定位区块,第一区块LBA=0,第二区块LBA=1,依此类推。

前者的描述更偏向物理,理解起来需要转换,而后者更偏向思维逻辑,理解起来直接了当。既然LBA模式简单容易理解,所以下面的文章和代码所采用的寻址模式就默认是LBA28。所谓LBA28其实是LBA模式中的子模式,它可以寻址到128GB,与之对应的是LBA48,它的寻址范围可以达到128PB,这个对我们来说没啥意义,所以还是选用LBA28。另外CHS模式还需要解释硬盘机械方面的知识,前提太多不利于学习,就暂时搁下吧。

好了,介绍理论的知识不是这篇文章的目的,就让我们一边堆代码,一边讲解这些理论知识吧。下面就是一段读取硬盘数据的asm代码。

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    mov dx, 3f6h    ; 1.设置nIEN
mov al, 2h
out dx, al

mov dx, 1f1h ; 2.设置FEATURES为0
mov al, 0
out dx, al

mov dx, 1f2h ; 3.设置读取的扇区数量,这里指定为1
mov al, 1
out dx, al

mov dx, 1f3h ; 4.设置读取地址的低八位
mov al, 11h
out dx, al

mov dx, 1f4h ; 5.设置读取地址的中八位
mov al, 22h
out dx, al

mov dx, 1f5h ; 6.设置读取地址的高八位
mov al, 33h
out dx, al

mov dx, 1f6h ; 7.设置LBA模式,目标驱动器,和地址的最高4位
mov al, 44h ; 其中第6位(40h)是设置LBA模式,第4位设置主从驱动器,0为主驱动器
out dx, al ; 后四位就是LBA最高位了,这里是4h,也就是说读取的地址是04332211h

mov dx, 1f7h ; 8.设置读取扇区的命令20h
mov al, 20h
out dx, al
pri_stat:
in al, dx ; 9.轮询状态寄存器,第3位(8)如果是设置状态,表明可以进行数据传输了。
test al, 8
jz pri_stat

mov ecx, 512/4 ; IO 128次!
mov edi, offset buffer ; 设置buffer地址到edi
mov dx, 1f0h
rep insw ; 10.循环128次从数据寄存器读取1个扇区的数据

上面的代码主要分为以下这几步:
1.我们现在不需要IRQs,所以我们这里要禁用它,以免发生不必要的问题。这里,我们设置CBR(Control Block Register)的第1位,也叫nIEN位,只要它处于设置的状态,那么IRQs就不会触发。
2.设置FEATURES寄存器
3.设置扇区数寄存器
4.设置LBA低8位
5.设置LBA中8位
6.设置LBA中高8位
7.设置LBA最高4位,以及驱动器,指明使用LBA模式
8.设置读扇区命令
9.轮询等待完成状态
10.循环128次读取1个扇区的数据(128*4=512 bytes)

再看看写扇区有哪些不同呢?没错,只有最后几条指令有细微的差别。

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    mov dx, 1f7h
mov al, 30h ; 这里命令改为30h,写扇区
out dx, al
pri_stat:
in al,dx
test al,8
jz pri_stat

mov ecx, 512/4
mov esi, offset buffer ; 设置buffer地址到esi
mov dx, 1f0h
rep outsd ; 这里指令改为outsd

看起来还是很简单的吧!不过这也是当然的,因为我们没有做任何的排错和检验处理。不过这样的代码才是初学者最喜欢看到的吧,同样对于做操作系统实验也没多大问题。

最后,如果对CHS以及LBA和CHS的转换关系感兴趣,推荐翻阅wiki:
http://en.wikipedia.org/wiki/Cylinder-head-sector
http://en.wikipedia.org/wiki/Logical_block_addressing#CHS_conversion

在下一篇的文章中,会介绍一些用PCI DMA的方式读写硬盘的知识。

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