babyos （十） —— 通过IO端口读取硬盘扇区

注：以下代码为原创，若发现bug，万望指出，若有问题，欢迎交流，转载请指明出处。若能有助于一二访客，幸甚。

欢迎关注babyos 的成长历程和宝贝计划：https://github.com/guzhoudiaoke/babyos/wiki

上次实现了显示bitmap的功能，却只显示了几个按钮，很不爽，但引导软盘只有1.44M，实在装不下太大的图片。而要想做个桌面背景，需要读取800x600的图片。所以是时候让baby 学会读硬盘扇区了。当然只是通过IO端口读取硬盘扇区，而不会设计文件的概念。

1.硬盘长什么样

硬盘拆开盖，如下图所示：

2.物理结构

一个简单的物理模型：

3.磁头、磁道、柱面、扇区

1）磁头：如上图所示，它是硬盘中最贵的部分了，读写操作就靠它，它通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据，通过改变盘片上的磁场来写入数据。磁头从0开始编号。
一个硬盘有很多个盘片（一个盘片有两个盘面），它们垂直排列成圆柱，所以也有很多个磁头来读写不同的盘面。
2）磁道：硬盘转动时磁头是不动的，动的是盘片。则磁头会在盘片上划出一个个圆形轨迹，这些轨迹就是磁道。磁道由外向内编号，编号从0开始。
3）柱面：硬盘有很多个盘片，从上到下排成柱状，不同盘片，相同磁道，组成的就叫柱面（cylinder）。

柱面从0开始编号，柱面号即磁道号。
4）扇区：磁盘上每个磁道被等分成若干个弧段，这些弧段就是扇区。
一个扇区通常512byte，扇区从1开始编号。

4.寻址

如何找到我们想要的数据呢？即如何在硬盘上找到任意一个物理地址。
1）CHS模式（Cylinder/Head/Sector）
就是给定柱面号、磁头号、扇区号。柱面号给定在哪一个圆环上，磁头号指定了在哪一层，扇区号指定了圆上的位置，于是就定位到了一个准确的扇区了。
2）LBA（Logical Block Addressing，逻辑块寻址）
就是只给一个逻辑号码，根据硬盘的柱面数、每个柱面的磁头数、每个磁道的扇区数来计算柱面号、磁头号、扇区号。
编号方法：
按照柱面、磁头、扇区顺序来编，即编完0号柱面0号磁头所在磁道的若干扇区后，再编0号柱面1号磁头所在磁道的所以扇区，编完0号柱面的所有磁头后再编1号柱面。

3）相互转换
LBA = （柱面号 * 一个柱面的磁头数 + 磁头号） * 一个磁道上的扇区数 + （扇区号-1）

柱面号 = LBA / （一个柱面的磁头数 * 每个磁道扇区数）
令   x = LBA % （一个柱面的磁头数 * 每个磁道扇区数）
磁头号 = x / 每个磁道上的扇区数
扇区号 = x % 每个磁道上的扇区数 + 1

5.硬盘操作

CPU与外设、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现。
每个连接到I/O总线上的设备都由自己的I/O地址集，即所谓的I/O端口（I/O port）。
每个设备的I/O端口都被组织成一组专用的寄存器，CPU可给控制寄存器发命令对设备进行控制、从状态寄存器读取设备状态、可以向输出寄存器写入数据来把数据输出到设备、可通过读取输入寄存器的内容来从设备取得数据。
总之就是通过读写端口来控制设备。

一个普通的PC主板上通常有两个IDE口，分别对应两个IDE通道:primary和secondary有时也成IDE0和IDE1。
每个IDE通道又能连接两个设备，称为主设备（Master）和从设备（Slave），对不同的IDE通道的访问是通过I/O端口来区分的。
IDE（integrated drive electronics）即电子集成驱动器，主要接硬盘和光驱。
接到主设备上的硬盘称为0号硬盘。

与0号硬盘有关的I/O端口：
1F0H　　 0号硬盘数据寄存器
1F1H　　 0号硬盘错误寄存器（读时）、0号硬盘Features寄存器（写时）
1F2H　　 0号硬盘数据扇区计数

1F3H　　 0号硬盘扇区数
1F4H　　 0号硬盘柱面（低字节）
1F5H　　 0号硬盘柱面（高字节）
1F6H　　 0号硬盘驱动器/磁头寄存器

1F7H　　 0号硬盘状态寄存器（读时）、0号硬盘命令寄存器（写时）

注：下图来自于渊《Orange‘s 一个操作系统的实现》，他使用的是LBA方式，babyos暂时使用CHS方式，故bit0～bit3表示磁头号，bit4为驱动器号为0，bit6为0，表示使用CHS方式。

/*|  7  |  6  |  5  |  4  |  3  |  2  |  1  |  0  |+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+|  1  |  L  |  1  | DRV | HS3 | HS2 | HS1 | HS0 |+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+|           |   \_____________________/|           |              ||           |              `------------ If L=0, Head Select.        |           |                                   These four bits select the head number.        |           |                                   HS0 is the least significant.        |           |                            If L=1, HS0 through HS3 contain bit 24-27 of the LBA.        |           `--------------------------- Drive. When DRV=0, drive 0 (master) is selected.         |                                               When DRV=1, drive 1 (slave) is selected.        `--------------------------------------- LBA mode. This bit selects the mode of operation.                                                        When L=0, addressing is by 'CHS' mode.                                                        When L=1, addressing is by 'LBA' mode.*/

即：
可以从端口0x1F0读取数据；
若发生错误可以从0x1F1读取错误；
若要从硬盘读数据可以从0x1F2指定读取的扇区数，0x1F3、0x1F4、0x1F5、0x1F6指定CHS（也可以是LBA，此处暂时不研究）
可以从0x1F7读取硬盘状态或向硬盘发送命令。

接口控制方式：
1）程序查询方式：CPU通过I/O指令询问指定外设当前状态，如果外设准备就绪，进行操作，否则CPU等待，循环查询。
2）中断处理方式：外设数据交换准备就绪，向CPU提出服务请求。
3）DMA（直接存储器存取）：采用一个专门的控制器来控制内存与外设直接的数据交流，无须CPU介入。

下面将要使用的方式是程序查询方式，因为babyos 还没有实现中断。

6.读取若干个扇区

现在只学习最简单的硬盘操作——从硬盘读取若干个扇区，其他功能以后学习文件系统时再研究。
步骤：
1）通过状态寄存器查询硬盘状态，看是否空闲，若忙，则等待
2）把读取扇区的个数、CHS写入相应端口
3）通过命令寄存器向硬盘发送读命令
4）从数据寄存器读取数据

注：
babyos目前只想从硬盘读若干个扇区，不想实现高级的硬盘操作功能和文件系统；
只考虑主硬盘；
暂时使用CHS方式，但会实现一个LBA到CHS的转换方法；

/*************************************************************************> File:harddisk.c> Describe: 实现基本硬盘操作功能> Author:孤舟钓客> Mail:[e-mail] > Time:2013年01月06日 星期日 17时40分32秒 ************************************************************************/#include <harddisk.h>#include <io.h>#include <font.h>#include <graphics.h>BOOL harddisk_read(u32 lba, u32 sects_to_read, u8* buffer){u32 cylinder_no, head_no, sect_no, temp;u32 num_of_dwords;cylinder_no = lba / (HD0_HEAD_PER_CYLINDER * HD0_SECT_PER_TRACK);temp= lba % (HD0_HEAD_PER_CYLINDER * HD0_SECT_PER_TRACK);head_no= temp / HD0_SECT_PER_TRACK;sect_no= temp % HD0_SECT_PER_TRACK + 1;/* 检查硬盘是否忙，忙则等待 */while ((inb(HD_PORT_STATUS) & 0x80) != 0);/* 设置读取的扇区数和CHS，   HD_PORT_DRIVE_HEAD端口bit7、bit5需要为1，bit6为0时bit0～bit3表示磁头号，   bit4为驱动器号，0 表示HD0，故下面head_no要或操作10100000即0xa0 */outb(sects_to_read, HD_PORT_SECT_COUNT);outb(sect_no, HD_PORT_SECT_NO);outb(cylinder_no, HD_PORT_CYLINDER_LOW);cylinder_no >>= 8;outb((cylinder_no), HD_PORT_CYLINDER_HIGH);head_no |= 0xa0;outb((head_no), HD_PORT_DRIVE_HEAD);/* 发送读命令 */outb(HD_CMD_READ, HD_PORT_COMMAND);num_of_dwords = (sects_to_read << 7);/* 从HD_PORT_DATA读取数据，每个扇区512字节，即sects_to_read << 7个双字 */insl(HD_PORT_DATA, buffer, num_of_dwords);return TRUE;}