基于FPGA的IDE硬盘接口卡的实现

　　本文采用FPGA实现了IDE硬盘接口协议。系统提供两套符合ATA-6规范的IDE接口，一个与普通IDE硬盘连接，另一个与计算机主板上的IDE接口相连。系统采用FPGA实现接口协议，完成接口数据的截获、处理（在本文中主要是数据加密）和转发，支持PIO和Ultra DMA两种数据传输模式。下面重点介绍用FPGA实现接口协议的方法。

　　1 IDE接口协议简介

　　1.1 IDE接口引脚定义

　　IDE（Integrated Drive Electronics）即“电子集成驱动器”，又称为ATA接口。表1列出了ATA标准中IDE接口上的信号。其中，带“-”的信号（如RESET-）表示低电平有效。“方向”是相对于硬盘而言，I表示进入硬盘，O表示从硬盘出来，I/O表示双向。

　　表1：IDE接口引脚定义

　　1.2 IDE控制器的寄存器组

　　主机对IDE硬盘的控制是通过硬盘控制器上的两组寄存器来实现的。一组为命令寄存器组；另一组为控制/诊断寄存器，如表2所示。

　　                                 表2寄存器组
 
  特征寄存器中的内容作为命令的一个参数，其作用随命令而变。扇区数寄存器指示该次命令所需传输数据的扇区数。扇区号寄存器、柱面数寄存器（低、高）、驱动器/磁头寄存器三者合称为介质地址寄存器，指示该次命令所需传输数据首扇区的地址，寻址方式可以用“柱面/磁头/扇区（CHS）”或“逻辑块地址（LBA）”方式，在驱动器/磁头寄存器中指定。

　　命令寄存器存储执行的命令代码。当向命令寄存器写入命令时，相关的参数必须先写入。命令写入后，硬盘立即开始命令的执行。状态寄存器保存硬盘执行命令后的结果，供主机读取。其主要位有：BSY-驱动器忙，DRDY-驱动器准备好，DF-驱动器故障，DRQ-数据请求，ERR-命令执行出错。辅助状态寄存器与状态寄存器的内容完全相同，但读该寄存器时不清除中断请求。错误寄存器包含了命令执行出错时硬盘的诊断信息。

　　数据寄存器为PIO传输模式下，主机和硬盘控制器的缓冲区之间进行数据交换的寄存器。数据端口为DMA传输模式下专用的数据传输通道。

　　1.3 IDE数据传输方式

　　IDE接口的数据传输包括PIO和DMA两种方式。PIO模式是硬盘数据传输的基本方式。在PIO方式下，数据的传输以数据块（1个或者多个扇区）为单位，每传输完一个数据块后，硬盘都会产生一个中断请求，并向主机报告命令执行结果。

　　在DMA方式下，主机和硬盘之间需要通过一系列握手信号建立一个DMA通道，数据以数据流的形式传输。当传输完一个命令的所有数据时，硬盘产生一个中断请求，并向主机报告命令执行结果。DMA方式又分为Ultra DMA和Multiword DMA两种。Ultra DMA方式在选通信号的上升沿和下降沿均锁定数据，提高了数据的传输速率，并且在数据传输结束时还要进行CRC校验。

　　2 FPGA内部框图

　　本设计采用Actel公司的ProASIC PLUS系列FPGA芯片，其内部框图如图1所示。

　　寄存器组一保存从主机写入的命令及命令参数，在控制模块的作用下转发给硬盘。寄存器组二保存从硬盘读出的命令执行结果，供主机读取。控制模块负责产生对主机及对硬盘的各种IDE协议控制信号，并协调各模块之间的工作。控制模块采用状态机的设计方法，其软件设计流程将在下一节中详细介绍。数据处理单元对数据进行加/解密运算。缓冲区一、二则作为数据处理单元的输入/输出缓存。在PIO方式下，数据的处理以数据块为单位，缓冲区充当RAM的作用；在Ultra DMA方式下，数据以数据流的形式处理，缓冲区充当FIFO的作用。

　　3系统软件流程

　　开机时，FPGA检测到复位信号，初始化内部寄存器组，并对硬盘进行复位操作，硬盘复位完毕后FPGA进入空闲状态。FPGA在空闲状态时会检测主机是否有写命令操作（通常一个命令的写入，要先写特征寄存器、扇区数寄存器、扇区号寄存器、柱面数低位寄存器、柱面数高位寄存器、驱动器/磁头寄存器6个命令参数寄存器，最后将命令写入命令寄存器）。当主机依次将寄存器组一写完后，FPGA对主机置BSY位，并将命令转发给硬盘，同时判断命令类型，根据不同的命令，进入相应的命令处理流程。

　　如果是无数据命令，FPGA等待硬盘命令的执行，命令执行完毕后，硬盘产生一个中断请求，此时FPGA将执行结果读入寄存器组二中，并向主机产生中断请求。如果是有数据命令，则根据数据传输的模式，分别进入到下述的PIO命令处理流程及Ultra DMA命令处理流程。

    3.1 PIO命令处理流程

　　以PIO模式传输数据的命令有Write Sectors、Write Multiple、Read Sectors和Read Multiple。当FPGA判断出是PIO模式的数据传输命令时，转向PIO命令处理流程。下面我们以PIO写操作为例介绍。

　　FPGA首先查询硬盘的BSY位。若BSY为0则将硬盘的状态寄存器读入寄存器组二，并查询DRQ位。若DRQ为1则表明硬盘已准备好接收数据。此时主机可以向缓冲区一写入数据块（本设计中，我们设定数据块的大小为1个扇区共512字节）。主机写完一个数据块后FPGA对主机置BSY位，数据处理单元开始进行加密运算，并将加密后的数据写入缓冲区二。加密运算完成后，FPGA将缓冲区二中的数据写入硬盘数据缓存区，并进入等待状态。硬盘将数据写入物理介质（磁碟）后会产生一个中断请求，报告已完成该数据块的写操作。FPGA将执行结果读入寄存器组二中，向主机产生中断请求，并再次查询DRQ位，若DRQ为1则进入下一个PIO数据块的传输过程，若DRQ为0则表示该命令所有数据全部传完，FPGA进入空闲状态。

　　此外，IDEntify Device命令是主机以PIO方式从硬盘读出512字节的属性信息（包括硬盘的型号、容量等）。此时，数据处理单元不应对该命令的数据进行加/解密运算。

　　3.2 Ultra DMA命令处理流程

　　以Ultra DMA模式传输数据的命令有Write DMA和Read DMA。下面我们以Ultra DMA写操作为例介绍Ultra DMA命令处理流程。

　　DMA传输通道的建立都是由硬盘通过DMARQ来请求的。FPGA接收到硬盘的DMA请求后首先初始化主机至FPGA的DMA通道，紧接着初始化FPGA至硬盘的DMA通道。此时主机经FPGA到硬盘的DMA通道即已建立，主机向缓冲区一写入数据，同时数据处理单元对数据进行加密运算，并将加密后的数据写入缓冲区二，FPGA则将缓冲区二中的数据写入硬盘。在传输过程中，若硬盘要求暂停或者缓冲区二空，则FPGA暂停向硬盘发送数据；若缓冲区一满，则FPGA要求主机暂停发送数据。

　　主机和硬盘都可以随时停止当前的DMA传输，未传完的数据将等待硬盘下一次的DMA请求时再进行传输。如果硬盘提出中止传输，FPGA将撤除FPGA至硬盘的DMA通道，同时向主机提出中止传输，撤除主机至FPGA的DMA通道，并计算该次所传数据的CRC校验。然后FPGA进入等待状态，等待硬盘下一次的DMA请求。

　　图3 PIO命令处理流程

　　如果主机提出中止传输，FPGA将撤除主机至FPGA的DMA通道，同时继续向硬盘发送数据，直到将接收到主机的数据发送完毕，即缓冲区二空后，向硬盘提出中止传输，撤除FPGA至硬盘的DMA通道，并计算CRC校验。然后FPGA进入等待状态，等待硬盘下一次的DMA请求。

　　在等待状态下，若FPGA接收到硬盘的中断请求，则说明该次命令的所有数据已经传完，命令结束。FPGA将命令执行结果读入寄存器组二，向主机产生中断请求，进入空闲状态。若接收到硬盘的DMA请求，则说明硬盘还未接收到该次命令的所有数据，此时需要判断主机是否已将所有数据发送完。如果主机并没有将所有数据发送完，则再次建立FPGA两侧的DMA通道，开始新一轮的DMA传输；如果主机已将所有数据发送完，则重新建立FPGA至硬盘的DMA通道，直到将缓冲区二中的数据发送完，并计算CRC校验。

　　4 结束语

　　本文采用FPGA实现了两套符合ATA-6规范的IDE接口，完成主机与硬盘之间数据的截获、处理和转发。经测试，系统在DOS、Windows 98、Windows  2000、Windows XP及 Red Hat Linux 9.0操作系统环境下，使用希捷、迈拓、三星、西数等公司的多种型号硬盘均工作正常，支持PIO和Ultra DMA两种数据传输模式。由于通过FPGA实现一个完整的IDE接口，若对系统稍加改动，如在数据处理单元中加入相应的文件系统，即可实现脱机读写IDE硬盘，用于数据采集的海量存储等多种场合，使系统具有较好的通用性。

　　本文作者创新点：作者针对硬盘数据易泄密及高速大容量数据采集困难等问题，提出在主机和硬盘之间使用FPGA芯片构建一个双向IDE硬盘通道，实现两套符合ATA-6规范的IDE接口，FPGA对主机与硬盘间的数据流进行处理及转发，以实现硬盘数据加密、数据高速采集存储及脱机控制硬盘等操作。系统支持PIO和Ultra DMA两种数据传输模式，对操作系统透明，较常见的单向IDE通道，该系统通用性强，有较好的推广价值。本文侧重于用FPGA实现IDE接口协议，对实现过程及方法做了详细描述，对读者有较高的参考实用价值。

参考文献：

　　1  T13 Technical Committee.  Information Technology-AT Attachment with Packed Interface-6 (ATA/ATAPI-6). [S] Revision 1e.  2001

　　2  Friedhelm Schmidt，精英科技译，SCSI总线和IDE接口：协议、应用和编程（第二版），[M] 中国电力出版社，2001.3

　　3  Actel Corporation.  Libero User’s Guide.  2004

　　4  Actel Corporation，Pro ASIC PLUS Data sheet, Version v3.5，2004.4

　　5　基于FPGA的高速连续数据采集系统的设计　[J]　黄新财　佃松宜　汪道辉　《微计算机信息》2005年第21卷第2期58页