目前，硬盤驅(qū)動(dòng)器采用的主流接口是高技術(shù)配置接口標(biāo)準(zhǔn)(ATA)，即IDE接口，而且絕大多數(shù)硬盤驅(qū)動(dòng)器都采用了并行ATA接口。部分硬盤驅(qū)動(dòng)器同時(shí)也支持CF (Compact Flash)規(guī)范、安全數(shù)字輸入/輸出(SDIO)標(biāo)準(zhǔn)和串行ATA規(guī)范。由于并行ATA和CF是便攜手持市場的最普遍的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文側(cè)重討論這兩個(gè)規(guī)范。CF 3.0規(guī)范能夠在與標(biāo)準(zhǔn)IDE完全相同的真IDE模式下操作。與CF2.1相比，CF3.0增加了極端直接內(nèi)存訪問(Ultra DMA)模式。
通常，硬盤驅(qū)動(dòng)器并不需要支持所有的模式。目前，1.8英寸硬盤能夠支持所有的模式，1英寸硬盤能支持到UDMA4模式。考慮到便攜消費(fèi)類市場對尺寸和功耗的要求，因此本文側(cè)重于討論1.8英寸或更小尺寸的硬盤驅(qū)動(dòng)器。這些微硬盤的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量遠(yuǎn)小于他們的理論值。硬盤的直徑直接影響了數(shù)據(jù)傳輸率。例如，1英寸硬盤驅(qū)動(dòng)器比2.5英寸硬盤驅(qū)動(dòng)器要慢許多，這是因?yàn)橛脖P外直徑變小，意味著外圍磁軌的最快線速度也將同樣變小。
圖1主ATA控制與CPLD解決方案：采用一個(gè)外部總線接口或GPIO端口和一個(gè)用于連接邏輯電路的CPLD，主CPU控制ATA時(shí)序和與硬盤相關(guān)的任務(wù)。
目前，大多數(shù)便攜式低功耗嵌入式處理器都支持CF接口，但是缺乏專用的IDE控制器。雖然CF3.0支持真IDE模式和ATA規(guī)范的部分標(biāo)準(zhǔn)，但是這種方法必須依靠處理器本身來控制ATA時(shí)序和建立數(shù)據(jù)連接。而且從系統(tǒng)角度來看，這種模式在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)效率不高。在嵌入式領(lǐng)域，當(dāng)設(shè)計(jì)師采用硬盤驅(qū)動(dòng)器技術(shù)時(shí)，可以選用CF接口、通用I/O端口或者一個(gè)帶有用于連接某些邏輯電路的CPLD的外部總線接口等方案來實(shí)現(xiàn)連接。這使得他們可以采用現(xiàn)有的主處理器架構(gòu)和軟件環(huán)境來更快地推出產(chǎn)品，取得市場先機(jī)。盡管這種方法簡單且經(jīng)濟(jì)，但在采用這種方法前，設(shè)計(jì)師必須充分理解它對系統(tǒng)性能的影響。因此，在選擇一個(gè)特定的系統(tǒng)方案之前，有必要為終端應(yīng)用確定一個(gè)清晰的、可量化的性能目標(biāo)。因?yàn)橹挥羞@樣，才能夠應(yīng)用該目標(biāo)來指導(dǎo)系統(tǒng)劃分過程和決定是否有必要改善性能。
圖2 局部總線接口和QuickLogic IDE控制：采用一個(gè)外部總線接口或GPIO端口和外部硬件中的專用QuickLogic IDE控制器來加速對硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)的讀寫。
外部總線接口與CPLD
優(yōu)點(diǎn)
本方案只需要控制信號和主處理器的部分尋址信號與CPLD連接，來產(chǎn)生硬盤驅(qū)動(dòng)器所需的接口信號。當(dāng)系統(tǒng)中存在其他設(shè)備共享數(shù)據(jù)總線時(shí)，還需要額外的分離邏輯部件將總線與系統(tǒng)的其他部分分離開來。從硬件角度來講，這個(gè)方案非常簡單、直接而且提供了應(yīng)用所需的存儲(chǔ)。然而，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是需要考慮數(shù)據(jù)吞吐量的可能瓶頸和對主處理器的影響。若要設(shè)計(jì)一個(gè)性價(jià)比高和有競爭力的解決方案，需要滿足以下兩條件中至少一個(gè)：硬盤讀寫的數(shù)據(jù)中不包括極大數(shù)量的數(shù)據(jù)文件或豐富的多媒體內(nèi)容;性能和數(shù)據(jù)吞吐量不是系統(tǒng)的關(guān)鍵性要求。
缺點(diǎn)
當(dāng)處理器負(fù)責(zé)產(chǎn)生和控制ATA時(shí)序的時(shí)候，它將浪費(fèi)額外的周期來處理時(shí)序和數(shù)據(jù)移動(dòng)。系統(tǒng)中，性能瓶頸的多少取決于是否存在DMA控制器，以及主處理器在外部總線接口和主內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。如果再加上微處理器在每次數(shù)據(jù)讀寫中對來自硬盤驅(qū)動(dòng)器的IO-RDY信號反應(yīng)的等待時(shí)間，將形成一個(gè)很嚴(yán)重的性能瓶頸。由于本方案直接與每個(gè)驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的任務(wù)掛鉤，因此對CPU占用率產(chǎn)生了很大的影響。主CPU的絕大多數(shù)時(shí)間將被用來為硬盤服務(wù)，而不是執(zhí)行與應(yīng)用相關(guān)的任務(wù)。
