硬盘固件级数据恢复专家：-ATA协议概览（一）

硬盘是计算机及其信息系统中存储核心，凭借高速大容量，性价比高的优势，雄霸存储市场。而使用硬盘作为存储设备，就需要了解硬盘的工作原理和通信接口，硬盘的原理大同小异，知道个概括就够了，而通信接口方面，随着传输速度和容量的变化，不断的在进化。

硬盘的通信接口，有IDE、SATA、SCSI等，一般装机时用到的硬盘，以前是以IDE接口为主，现在以SATA接口硬盘为主，无论是IDE接口还是SATA接口，都是遵循ATA通信协议，了解了ATA协议，就可以比较清楚硬盘与主机之间的通信原理了。

在PC系统中，硬盘属于IO设备，通过PCI总线后的AT总线相连。硬盘存储设备与AT总线接口芯片相连，接口芯片与AT总线相连，接口芯片在总线协议与IO设备协议之间进行翻译。

IDE硬盘最高支持到ATA-7协议，速度可达到Ultra-ATA/100、Ultra-ATA/133。ATA协议在内容上看，主要包括：1、接口信号的定义：主要是40针IDE接口，各个管脚信号的用途定义。

图1 IDE接口

其中16根双向数据线DD0-DD15，主机到设备的2根片选线CS1-CS0，主机到设备的3根地址线DA2-DA0，设备到主机的1根DMARQ请求线，主机到设备的1根DMACK-应答线，设备到主机的1根INTRQ请求线，主机到设备的1根DIOR-、HDMARDY-、HSTROBE复用线，设备到主机的1根IORDY、DDMARDY-、DSTROBE复用线、主机到设备的1根DIOW-、STOP复用线，主机到设备的1根RESET-线，主机到设备的1根数据电缆选择线CSEL，设备到主机的1根PDIAG-、CBLID-复用线，设备到主机的1根DASP-线。2、接口寄存器定义及其功能描述：见表1

       表1  ATA-6 中定义的接口寄存器

3、常用的操作命令：

       表2 ATA-6 中定义的常用命令

系统开机后，主机先向设备发送Device Reset命令，设置设备为默认状态，之后，主机向设备发送Identify Device命令，获得设备的型号、序列号和传输方式等信息，之后使用Set Feature命令设置主机和设备之间传输数据的方式。其中Read DMA和Read Multiple分别采用DMA IN和PIO方式读取设备数据。Write DMA和Write Multiple分别用DMA OUT和PIO方式向设备写入数据。

4、常见命令操作流程

INDENTIFY DEVICE命令操作流程：

HOST向DEVICE的命令寄存器写入IDENTIFY DEVICE命令，DEVICE接收命令后，准备相应的设备信息数据，设置INTRQ信号有效。HOST将读取状态寄存器查看DEVICE状态，如果状态为0x51，说明DEVICE准备就绪了，如果是其他状态，说明DEVICE操作出错。HOST为了确认操作对象，再次向DEVICE的Device寄存器写入操作对象（ATA主盘或者ATA从盘），再一次读取状态进行确认。如果DEVICE状态正确，则HOST连续读取256次数据（512个字节）的设备描述信息。最后，  HOST再次确认操作对象信息和状态。

READ/WRITE MULTIPLE命令操作流程：

HOST首先通过设置DEVICE的Sector Count、LBA Low、LBA Mid、LBA High、Device、Features寄存器，设定数据传输的扇区个数、LBA起始地址等等参数。在确认DEVICE状态正确的情况下，HOST向Command寄存器写入READ/WRITE MULTIPLE命令。DEVICE在准备好数据传输后，将设置INTRQ信号线有效。HOST在确认DEVICE的状态后，进行数据读/写操作。在读/写完命令指定的数据后，HOST再次读取DEVICE的状态信息，完成整个数据传输过程。

READ/WRITE DMA命令操作流程：

HOST首先通过设置Sector Count、Device、LBA Low、LBA Mid、LBA High寄存器，设置数据传输的扇区个数，LBA起始地址等等参数。HOST向DEVICE的Command寄存器写入READ/WRITE DMA命令。DEVICE在接收到命令后，准备就绪后，设置DMARQ请求有效，和HOST之间传输部分数据。一般传输扇区个数超过8个扇区，则HOST和DEVICE必须通过几次DMA传输才能传输完所有的数据。在每次传输中传输数据的个数并不是固定的。传输完所有的数据后，DEVICE设置INTRQ信号有效，HOST读取DEVICE的状态完成整个传输过程。

        了解了ATA-6协议的寄存器和常规命令后，再结合各个子协议的时序图，就基本上可以分析清楚ATA协议的基本内容了，下一篇文章中，将重点分析ATA的子协议的实现与详细的时序。

图2 硬盘时序图举例

未完待续。。。。

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