自制操作系统 - 软盘驱动与PCI总线 | 王富杰的博客

一、当前内存布局

声霸卡驱动和软盘驱动都是使用DMA的方式进行内存和设备间进行数据传输，DMA访问需要直接访问物理内存。因此我们重新调整内存布局如下：图片加载失败

二、软盘驱动

软盘控制器(FDC Floppy Disk Controller)是一种传统设备，用于在桌面 x86 系统上控制内部 3.5/5.25 英寸软盘驱动器设备。在实模式下，使用 BIOS 功能 INT 13H AH=2(读) 或 AH=3(写) 访问软驱。在实模式中访问软盘与访问硬盘(使用 CHS 模式)是相同的。

软驱专用于 CHS 寻址，然而，在 LBA(Logic Block Address 逻辑块寻址) 中寻址更符合逻辑，因为第一个扇区位于 0(像一个数组)。因此需要将CHS通过公式转换为LBA。软盘通常使用 ISA DMA 来进行数据传输，软盘硬连接到 DMA 通道 2。

typedef struct fdresult_t   // 软盘结果
{
    u8 st0;
    u8 st1;
    u8 st2;
    u8 st3;
    u8 track;
    u8 head;
    u8 sector;
    u8 size;
} fdresult_t;

typedef struct floppy_t
{
    task_t *waiter; // 等待进程
    timer_t *timer; // 定时器
    lock_t lock;    // 锁
    char name[8];
    int type; // 软盘类型
    u8 dor; // dor registers
    u8 *buf; // DMA 地址 (其实是一样的)
    union
    {
        u8 tracks;    // 磁道数
        u8 cylinders; // 柱面数
    };
    u8 heads;   // 磁头数
    u8 sectors; // 每磁道扇区数
    u8 gap3;    // GAP3 长度
    u8 drive;   // 磁盘序号
    u8 st0;     //
    u8 track;   // 当前磁道
    u8 motor;   // 马达状态
    u8 changed; // 磁盘发生改变
    union
    {
        u8 st[RESULT_NR];
        fdresult_t result;
    };
} floppy_t;

static floppy_t floppy;   // 为简单起见，系统暂时只支持一个 1.44M 软盘

static err_t fd_write(floppy_t *fd, void *buf, u8 count, idx_t lba)
{
    assert(count + lba < (u32)fd->tracks * fd->heads * fd->sectors);

    lock_acquire(&fd->lock);    // 申请锁
    fd_motor_on(fd);            // 开启马达

    u8 left = count;
    int ret;
    while (left)
    {
        if ((ret = fd_transfer(fd, FD_WRITE, buf, count, lba)) < EOK)   // 讲LBA转换为CHS
            break;
        left -= ret;
        lba += ret;
    }

    fd_motor_off(fd);       // 关闭马达
    lock_release(&fd->lock);
    return ret;
}

如上所示，我们只展示了软盘读的实现。软盘每次进行读写前都要打开马达，完成后再关闭马达。并且当一个磁盘的读写操作发生错误，或某些其它情况导致一个驱动器的马达没有被关闭。此时我们也需要让系统在一定时间之后自动将其关闭。因此软盘的读写性能极差且不稳定。

在识别软盘后，它可以和普通硬盘一样进行格式化和挂载，并进行读写操作。

三、PCI总线

PCI总线也属于用于连接外设的I/O总线。在传统 PC 架构（北桥 / 南桥结构）中，数据通路如下：

[CPU] ── 系统总线 ── [北桥] ── 内存总线 ── [内存]
                     │
                     └── I/O 总线（PCI、ISA等） ── [南桥] ── 外设

“PCI 编程”是通过一套标准寄存器与配置空间机制与 PCI 设备通信的。每个 PCI 设备都有一个 256 字节的配置空间。前 64 字节是标准定义的通用头部：如厂商id、设备id。通过标准的配置空间机制读取设备信息、分配资源、映射寄存器，然后由驱动程序与设备通信。

总之，PCI总线我们这里了解即可，不需要太深入的去研究。

四、IDE 硬盘 UDMA

我们当前使用的硬盘读写是PIO模式，它需要CPU进行端口操作，效率是比较低下的。我们这里对机制读写机制进行下复盘和比对：

4.1、IDE 硬盘机制

read/write buf 用户缓冲
bread/bwrite buffer_t 查找内核高速缓冲
如果没有则进行磁盘访问 ide_pio_read/write 比较耗时
buf 和 buffer_t 之间有一次拷贝内存 memcpy

4.2、ISA DMA 软盘机制

read/write buf 用户缓冲
bread/bwrite buffer_t 查找内核高速缓冲
如果没有则进行磁盘访问 isa_dma，比较低效
buf 和 buffer_t 之间有一次拷贝内存 memcpy
由于 dma_buf 的限制，buffer_t 和 dma_buf 之间有一次内存拷贝 memcpy

4.3、UDMA

UDMA 是 Ultra Direct Memory Access 的缩写，它利用了PCI总线的DMA。性能高于PIO。过程大致如下：

在系统内存中准备一个 PRDT。
发送物理 PRDT 地址到总线主 PRDT 寄存器。
通过设置总线主命令寄存器的读/写位来设置数据传输的方向。
清除总线主状态寄存器中的错误和中断位。
选择驱动器（硬盘）。
将 LBA 和扇区计数发送到各自的端口。
向 ATA 控制器发送 DMA 传输命令。
在总线主命令寄存器上设置启动/停止位。
当中断到达时(传输完成后)，通过重置启动/停止位来响应。
读取控制器和驱动器状态，以确定传输是否成功完成。

五、总结

在这篇文章中，我们只是粗略的介绍了软盘驱动、PCI总线和IDE的DMA，没有进行详细的描述实现过程，笔者这里是认为这些比较涉及硬件操作（即对ISA总线和PCI总线的理解），且属于对系统的优化，并且实现很复杂。具体实现可自行阅读源代码。

「真诚赞赏，手留余香」

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