[自制操作系统] 第03回 认识硬盘
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一、前景回顾
二、硬盘的工作原理
三、IDE硬盘接口技术
前面说到，开机的启动过程有如下三点：
1、按下开机键后，CPU将cs:ip寄存器初始化为0xf000:0xfff0，这个位置是BIOS程序的入口处，这个位置存放的代码是jmp far f000:e05b，通过这行代码CPU又将cs:ip寄存器初始化为0xf000:0xe05b，这里才是BIOS真正开始执行的地方。
2、BIOS执行了一系列的硬件检测工作和创建中断向量表IVT后，将MBR（主引导记录）加载到内存0x7c00处，并且跳转到该位置，也就是将cs:ip寄存器初始化为0x0000:0x7c00。
3、MBR的工作是加载操作系统内核，最后跳转到操作系统内核中，随后便是熟悉的启动动画，也就完成了开机过程。
在上回，我们已经实现了MBR的创建，并且简单地测试了一下这个MBR的可行性。
回到主线来，我们知道MBR的工作是加载操作系统内核。那么问题来了，在我们平时的电脑中，这个操作系统内核在哪里呢？这里就不卖关子了，它是事先被存放在硬盘中的，随后被MBR加载到指定位置。可是我们现在要实现自己的操作系统，所以，首先这个内核肯定得是我们自己编写；其次，如何从硬盘中读取到这个操作系统内核也是一个亟待解决的问题。
我相信很多初学者和我一样，一开始对操作系统内核还是感到比较害怕的。感觉应该会是特别复杂，难以理解，而且还要自己去实现，这简直是想都不敢想的事。不过关于操作系统内核的实现，我们现在暂且不用管，这个内核再神秘，究其本质也就是一段代码罢了，我们后面再来啃它。
当务之急是我们要认识硬盘，并且能驾驭它，学会如何读取它才是目前的主要任务。
这里只讲解传统的机械硬盘的工作原理，因为我们在BOCHS中配置的硬盘就是此种硬盘。
主轴上有两个盘片，其实不止两个，这里只是示意性地画了两个。盘片固定在主轴上随主轴高速旋转，。每个盘片分为上下两面，每一面都存储数据，每个盘面都各有一个磁头来读取数据，故一个盘片上对应两个磁头。磁头的编号从上到下以0开始计数，所以用磁头0来表示第一个盘面。磁头不会自己在盘片上移动，它需要被固定在磁头臂上，在磁头臂的带动下，沿着盘片边缘向圆心的方向来回摆动。通过盘片的自转以及磁头的摆动，这两种动作的合成便能够使磁头访问盘片任意位置的数据。
说完了硬盘内部各部件的运动，接下来说一下存储逻辑。盘片表面是用于存储数据的磁性介质，为了管理磁盘，将整个盘面划分为多个同心环，以圆心画扇形，扇形与每个同心环相交的弧状区域作为最基本的数据存储单元。整个同心环就称作磁道，磁道的编号和磁头也是一样，从0开始。而同心环上的弧状区域是扇形的一部分，被称为扇区，它作为我们向硬盘存储数据的最基本单元，大小为512字节。一般来说，一个磁道上有63个扇区，扇区的编号是从1开始的。
相同编号的磁道组成的管状区域被称为柱面，柱面的编号是从0开始的。它的作用是为了缩减机械式硬盘的寻道时间。
上面比较简单地介绍了一下硬盘的工作原理，因为我对这个也不是很懂。总之我们现在知道了，通过磁头号、磁道号和扇区号就可以唯一定位一个扇区。这就是CHS（Cylinder Head Sector）,但是每次我们都要事先算出扇区在哪个盘面，哪个柱面和哪个磁道上。这样的方法对于磁头来说很直观，但是对于我们来说还是比较麻烦，我们希望能有一套对于人来说较为直观的寻址方法，我们希望磁盘中扇区从0开始依次递增编号，不用考虑扇区所在的物理结构，于是LBA法呼之欲出：
LBA = (柱面号 * 磁头数 + 磁头号) * 扇区数 + 扇区编号 - 1
谁来控制硬盘呢？我们知道CPU只会不停地取指令、读指令，这才是CPU高效工作的原因。因此控制硬盘的任务肯定不是交给CPU，那么交给了谁呢？聪明的工程师们设计了一个叫做硬盘控制器的东西，CPU只同硬盘控制器打交道，由它将CPU的命令转译给硬盘。现在的硬盘和硬盘控制器是整合在一起的，也就是说我们买的硬盘中，其实就附带了硬盘控制器，而不是说在我们主板的某个地方还有一个所谓的硬盘控制器电路。
硬盘需要插在主板上才能正常工作，我们将硬盘的这种接口称为集成设备电路（IDE），随着IDE标准接口的影响力越来越大，全球标准化协议将此接口使用的技术规范归纳为全球硬盘标准，这样也就产生了ATA（Advanced Technology Attachment）。不过由于IDE这个名字已经叫开了，所以大家依然习惯称硬盘为IDE硬盘。后面又出现了新的硬盘串行接口（Serial ATA, SATA），这个我相信很多人就比较熟悉了。为了区分不同的接口，习惯性地将以前的ATA接口称为并行ATA，即（Parallel ATA, PATA）。
PATA接口线缆 SATA接口线缆
以前的一般主机只支持4个并口硬盘。仔细看PATA接口线缆，我第一次看还比较好奇怎么有三个接口。其实这个接口线缆可以挂载两块硬盘，一个是主盘（Master），一个是从盘（Slave），因此主板上提供两个IDE接口，两个接口便可以连接四块硬盘。这两个接口也是以0为起始编号，一个称为IDE0，另一个称为IDE1。在ATA的标准中，IDE0又叫做Primary通道，IDE1又叫做Secondary通道。
铺垫了这么多，我们该来说说如何控制硬盘了。其实我们是通过读写硬盘控制器的端口，也就是一系列寄存器来让硬盘正常工作。硬盘控制器的寄存器数量众多，我们这里不能一一列出，就贴一下主要的端口寄存器。
关于这些寄存器的详细描述建议读者参考一下原书《操作系统真象还原》的p126~129页。
回到正题，如果我们要写一个程序来从硬盘中读取文件的话，整个步骤如下：
1、先选择通道，往该通道的sector count寄存器中写入待操作的扇区数。
2、往该通道上的三个LBA寄存器写入起始地址的低24位
3、往device寄存器中写入LBA地址的24~27位，并置第6位为1，使其为LBA模式，设置第4位，选择操作的硬盘是master硬盘还是slave硬盘。
4、往该通道上的command寄存器写入读指令的操作命令。
5、不断读取该通道上的status寄存器，判断硬盘工作是否完成。
6、如果硬盘工作完成，则从该通道的数据寄存器Data读取出数据到内存指定区域。
关于硬盘的介绍就结束了，如果仔细去看书的话，会发现书上对这些寄存器的讲解较多，可能会让人觉得头大，其实我觉得关于寄存器这块，能大概看懂就好了，看不太懂也没关系。我学习的时候也就是对这块大概看看，没有详细地去深究，我还是更加注重全局上的理解。
预知后事如何，请看下回分解。
