基于單片機的IDE硬盤接口設計方案分析

摘要：本文提出了一種用單片機擴展8255來控制IDE硬盤的方法，并給出了完整的硬件和軟件設計方案，詳細討論并解決了控制過程中所遇到的問題，較好的實現了對硬盤的存取操作。

關鍵詞：單片機；IDE；硬盤接口

【中圖分類號】 TP368.1 【文獻標識碼】 B【文章編號】 1671-1297（2012）09-0326-01

一 方案比較

由于本系統是與硬盤存儲相連，所以單片機的選擇也很重要，考慮到硬盤是以扇區來存儲數據的，并要保留設置參數，不易掉電，因此有三種方案：

方案一：采用比較熟悉的80C51單片機，須外擴掉電不丟失的EEPROM存儲器。

方案二：采用內部帶有EEPROM、片內RAM 256B的單片機，如WINBOND公司的W78E52單片機。

方案三： 采用ATMEL公司生產的內部帶有片內RAM512B的單片機，在實現扇區讀寫時，可以不用外擴數據存儲器。

方案比較：方案一對于初學者來講，80C51單片機再熟悉不過了，當為首選，但外擴存儲器會增加硬件電路的復雜性，并占用單片機的I/O口。方案三，雖說在扇區一次讀取時，不用外擴數據存儲器，但考慮到對初學單片機的來說，需要先熟悉其精簡指令，在實現其功能時，需要一段時間。對于方案二，雖說W78E52片內只有256B，但考慮到本系統是把數據進行即時讀寫處理，所以不需要在掉電的時候保存讀取的數據，因此從整個系統的開發時間和成本來說，方案三不適合。為了比較在附錄中我給出了AT90S8515P控制硬盤接口的電原理圖，以做參考。

本系統選用WINBOND公司的W78E52。它是整個系統的控制核心，完成對IDE硬盤，8255的初始化，接收單片機處理的數據并存儲在硬盤上。W78E52是一款完全與8051兼容的8位單片機，片內ROM 8K，片內RAM 256B，適合硬盤數據的快速傳輸，它增加了Watchdog Timer和內部電源管理等功能，并且是目前少數可運行在最高40MHz晶振的單片機之一。本系統中的單片機W78E52運行在40MHz晶振下，以提高運行速度。所以方案二較好。

二 各單元電路方案

本系統要控制IDE驅動器，IDE驅動器有40個引腳，而單片機I/O口有限，而且，單片機還要用于其它功能的實現和控制。方案比較：

直接用I/O口通過74ls373鎖存，74ls244驅動來控制IDE驅動器接口。要用到兩個I/O口。

通過擴展I/O口芯片來擴展有限的I/O口，可以減少單片機資源的利用。如：8255可編程I/O接口芯片。

因此從資源利用來說，方案二較好。所以需要外擴I/O口。

I/O口擴展方式主要有兩種：總線擴展法和串行口擴展法。在這里，用總線擴展法。總線擴展法又分為簡單I/O接口擴展和可編程I/O接口擴展。本系統采用8255芯片來實現I/O口的擴展。

8255A可編程I/O接口擴展

本系統采用可編程8255A并行I/O擴展口。8255A是Intel公司生產的可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用靈活，通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。

內部結構：8255內部包括三個并行數據輸入/輸出端口，兩個工作方式控制電路，一個讀/寫控制邏輯電路和8位總線緩沖器。各部分功能概括如下：

工作方式控制電路：工作方式控制電路有兩個，一個是A組控制電路，另一個是B組控制電路。這兩組控制電路具有一個控制命令寄存器，用來接受中央處理器發來的控制字，以決定兩組端口的工作方式，也可根據控制字的要求對C口按位清“0”或者按位置“1”。

A組控制電路用來控制A口和C口的上半部分（PC7-PC4）。B組控制電路用來控制B口和C口的下半部分（PC3-PC0）。

總線數據緩沖器：總線數據緩沖器是一個三態雙向8位緩沖器，作為8255與系統總線之間的接口，用來傳送數據、指令、控制命令以及外部狀態信息。

讀/寫控制邏輯電路：

讀/寫控制邏輯電路接受CPU發來的控制信號RD、WR、RESET、地址信號A1-A0等，然后根據控制信號的要求，將端口數據讀出，發往CPU，或者將CPU送來的數據寫入端口。

工作方式0：

工作方式0是一種基本的輸入/輸出工作方式，在這種方式下，三個端口都可以由程序設置為輸入或輸出，沒有固定的用于應答的聯絡信號。其基本的功能可概括如下：

可具有兩個8位端口（A、B）和兩個4位端口（C口的上半部分和下半部分）。

任何一個端口都可以設定為輸入或者輸出，各端口的輸入、輸出可構成16種組合。

數據輸出時可以鎖存，輸出時不鎖存。按照方式0工作時，CPU可以通過簡單的傳送指令對人以一個端口進行讀/寫，這樣各端口就可以作為查詢式輸入/輸出接口。按照查詢方式工作時，A口、B口可作為兩個數據輸入/輸出端口，C口的某些位可作為這兩個端口的控制/狀態信號端。

工作方式1是一種選通式輸入/輸出工作方式。在這種工作方式下，選通信號與輸入/輸出數據一起傳送，由選通信號對數據進行選通。其基本功能可概括如下：

3個端口分為兩組，即A組和B組。

每一組包括一個8位數據端口和一個4位的控制/狀態端口。

每一個8位數據端口均可設置為輸入或者輸出，輸入輸出均可鎖存。

4位端口作為8位數據端口的控制/狀態信號端口。

本系統能夠用到的工作方式0、1，所以就不用介紹工作方式2。

8255A在投入工作前必須設定工作方式，工作方式有初始化程序對8255A的控制寄存器寫入控制字來決定。控制字共有兩種。

8255的連接是同過W78E52的PO口進行I/O擴展，用74LS573鎖存器來確定8255的3個I/O口的地址，本系統中8255的A口起始地址是FF7CH ，B口的起始地址是FF7DH，C口的起始地址是FF7EH，控制口的起始地址是FF7FH。在進行數據讀寫時首先確定8255的工作方式，用哪個口進行數據傳輸，本系統才用工作方式0、1進行數據讀取，用MOVX DPTR，#X和MOV @DPTR，A來進行數據操作和對硬盤的智能控制。

基于單片機的IDE硬盤接口系統，除了單片機和硬件的連接外，還需要了解硬盤的結構，文件的存儲格式，IDE驅動器的端口定義和編程的種種細節問題，所以下面通過3、4、5 章來介紹硬盤的工作原理，FAT文件系統，IDE硬盤驅動器的原理。

參考文獻

[1] 李華.《MCS-51系列單片機實用接口技術》.北京.北京航空航天大學出版社，1993 P71-79

[2] 陳利學，孫彪，趙玉連.《微機總線與接口設計》.成都.電子科技大學出版社，1988 P45-90

[3] 徐厚俊.《IDE接口和IDE硬盤驅動器》.新浪潮，1996.P17

[4] 吳寧，陳文革，張建.《微型計算機硬件技術基礎》.高等教育出版社，2003.P280-283

作者簡介： 王瑩，女，1983年出生，專業為電子信息工程，研究方向為電子電氣控制。