51單片機集成度高，控制、處理能力強，工作可靠穩(wěn)定，已廣泛應用于生產過程的自動檢測、工業(yè)實時控制、機器人、通信、導航、醫(yī)療衛(wèi)生和智能儀器儀表等領域。在這些應用中，特別是在工程信號的自動測試、分析中，常常需要記錄、存儲大量的數(shù)據，某些數(shù)據還需長期或永久保存。目前，單片機系統(tǒng)保存、記錄數(shù)據的工具是隨機存取存儲器（RAM）。眾所周知，RAM不能長久保存數(shù)據，51系列單片機系統(tǒng)的數(shù)據存儲器最大只有64 KB，因此這些方法滿足不了某些實際系統(tǒng)的要求。當前磁記錄技術已非常成熟，硬盤記錄、存儲系統(tǒng)已成為計算機系統(tǒng)中的主流設備。它的存儲容量大，存取速度高，可以永久性地保存數(shù)據，而價格卻越來越低。將其應用于單片機系統(tǒng)，可使組成的系統(tǒng)性能大為提高。

IBM - PC計算機支持硬盤系統(tǒng)，主機與硬盤之間的接口技術已經標準化，已得到廣泛的應用。用IBM - PC機的硬盤系統(tǒng)作為51系列單片機系統(tǒng)的數(shù)據存儲設備，接口電路結構簡單，無需專門設計硬盤的驅動電路，因而構成的應用系統(tǒng)性能價格比非常高。

一、接口電路的設計

IBM - PC機硬盤驅動器適配器簡稱硬盤控制器。它是一個智能部件，可接一個或兩個硬盤，通過系統(tǒng)板上62腳I/O通道插槽與PC機相連。這62腳信號線在此只用了40腳，其中AO～A19為20位地址線；DO～D7是8位數(shù)據線；MEMR用于讀硬盤的基本I/O程序；IOR和IOW分別為主機讀、寫硬盤控制器的控制信號；IRQ5、DRQ3分別為硬盤控制器的中斷請求和DMA請求信號；DACK3為主機響應DMA時送給控制器的信號；另外還有一個復位硬盤控制器的RESET信號，一個DMA數(shù)據傳送時禁止I/O操作的AEN信號和6根電源、地線。主機從硬盤讀取數(shù)據或向硬盤寫入數(shù)據均是通過向硬盤控制器提供的6個可訪問的寄存器寫入命令和控制字來實現(xiàn)的。因此，設計單片機與硬盤控制器的接口電路時，只要考慮以上信號的產生、接收，單片機數(shù)據存儲器的擴展，DMA控制器的連接等問題即可。在PC機中，硬盤控制器的6個可訪問的寄存器占用主機的I/O端口地址320—323H，信號的發(fā)送、接收均是通過這幾個口地址尋址的。20根地址線實際只用了10根，51系列單片機有16根地址線，能滿足地址譯碼的要求。51系列單片機不直接支持DMA數(shù)據傳送方式，而硬盤控制器和數(shù)據存儲器之間的數(shù)據必須采用DMA方式。在PC機中，主機對硬盤控制器的讀／寫操作是通過對I/0端口的讀／寫來實現(xiàn)的，而單片機系統(tǒng)沒有I/O讀／寫指令，可采用存儲器映射方式，將硬盤控制器的4個地址映射到外部數(shù)據存儲器，這樣控制器的IOR和IOW分別與單片機的WR和RD相連即可。硬盤控制器的中斷請求信號IRQ5只用于硬盤操作結束信號，因此，此信號作為單片機的INT1。其他信號線的連接方式不贅述，本接口電路如圖1- 91所示。

二、軟件設計

在IBM - PC機中，主機可通過調用BIOS程序實現(xiàn)控制器、驅動器和硬盤的診斷，數(shù)據的存入和取出，設置硬盤的參數(shù)，測試硬盤驅動器是否準備好，格式化硬盤等功能；可通過DOS中斷程序靈活地進行數(shù)據文件的加工、處理；還可通過硬盤啟動和引導系統(tǒng)，安裝各種應用程序。因此它的軟件結構很復雜，程序量也很大。在本例中，只是把硬盤作為大容量數(shù)據存儲器，因此只需簡單地格式化磁盤，讀／寫數(shù)據以及測試硬盤驅動器的好壞、是否準備好等功能，可通過向控制器的6個寄存器寫入命令和控制字來實現(xiàn)。這6個寄存器的訪問邏輯見表1- 25。

數(shù)據輸入／輸出寄存器（ DIOR）很重要，是控制器的信號主吞吐口。狀態(tài)寄存器（321R）提供硬盤控制器的硬件狀態(tài)，圖1- 92為該寄存器每一位的作用。其他4個寄存器的功能、用途參見相關文獻，在此不贅述。硬盤控制器的命令是由6字節(jié)組成的字塊，稱為命令塊。由命令塊可發(fā)布19條命令，本節(jié)只選用其中的少數(shù)幾條，如讀盤（READ）、寫盤（WRITE）、格式化驅動器（FMTDRV）和測試驅動器是否就緒（TSTRDY）等。一條硬盤控制器命令的執(zhí)行全過程可分為3個階段：命令的發(fā)送、執(zhí)行和結束。在命令的發(fā)送階段，首先須寫“選擇控制器”寄存器，把硬盤控制器“啟動”起來，然后再向控制器寫入6字節(jié)的命令塊；在命令的執(zhí)行階段，控制器根據接收到的命令內容執(zhí)行各種操作；當命令執(zhí)行完后，只有主機經DIOR把“完成狀態(tài)”字節(jié)讀走，命令執(zhí)行的全過程才告結束，否則，硬盤控制器的工作狀態(tài)將發(fā)生混亂?？刂破魈峁┑摹巴瓿蔂顟B(tài)”字節(jié)主要是向主機報告此次操作是否出現(xiàn)錯誤，若出現(xiàn)錯誤，主機還可讀出錯誤的類型、出錯的扇段地址等信息。

根據以上分析，軟件設計如下：

（1）主監(jiān)控程序

此部分程序主要實現(xiàn)硬盤控制器的初始化、參數(shù)設定等功能。其程序框圖如圖1 - 93所示。

（2）功能模塊

對于硬盤上數(shù)據的讀／寫，控制器采用DMA數(shù)據傳送方式。當數(shù)據讀／寫操作完成后，控制器還發(fā)出中斷請求信號，報告命令執(zhí)行完畢。因此，對于讀盤和寫盤操作，進入功能程序后，先設置DMA控制器的參數(shù)、工作狀態(tài)，初始化中斷服務程序；然后寫入命令塊和DMA、中斷使能，進入讀／寫操作。寫盤程序流程圖如圖1- 94所示。

讀盤操作與寫盤操作非常相似，只是數(shù)據傳送方向相反。因此，程序結構基本一樣，在此不再贅述。

測試硬盤工作是否就緒、格式化硬盤等操作不需要傳送數(shù)據，這部分程序不需要DMA參與，但硬件中斷還需要。其他和寫盤操作也基本相同，不再說明。

本例研究的51單片機與IBM - PC硬盤驅動器的接口電路已應用于便攜式智能數(shù)據分析、測試儀，性能穩(wěn)定、可靠。由于數(shù)據存儲到硬盤上的方式與IBM - PC機相同，因此，單片機系統(tǒng)可與IBM - PC機共享數(shù)據，為工程技術人員提供了極大的方便。