ide.c

#include "stdint.h"
#include "global.h"
#include "ide.h"
#include "debug.h"
#include "sync.h"
#include "stdio.h"
#include "stdio-kernel.h"
#include "interrupt.h"
#include "memory.h"
#include "debug.h"

#include "io.h"
#include "timer.h"

#include "string.h"

/* 定义硬盘各寄存器的端口号，见书p126 */
#define reg_data(channel)	 (channel->port_base + 0)
#define reg_error(channel)	 (channel->port_base + 1)
#define reg_sect_cnt(channel)	 (channel->port_base + 2)
#define reg_lba_l(channel)	 (channel->port_base + 3)
#define reg_lba_m(channel)	 (channel->port_base + 4)
#define reg_lba_h(channel)	 (channel->port_base + 5)
#define reg_dev(channel)	 (channel->port_base + 6)
#define reg_status(channel)	 (channel->port_base + 7)
#define reg_cmd(channel)	 (reg_status(channel))
#define reg_alt_status(channel)  (channel->port_base + 0x206)
#define reg_ctl(channel)	 reg_alt_status(channel)

/* reg_alt_status寄存器的一些关键位，见书p128 */
#define BIT_STAT_BSY	 0x80	      // 硬盘忙
#define BIT_STAT_DRDY	 0x40	      // 设备准备好	 
#define BIT_STAT_DRQ	 0x8	      // 数据传输准备好了

/* device寄存器的一些关键位 */
#define BIT_DEV_MBS	0xa0	    // 第7位和第5位固定为1
#define BIT_DEV_LBA	0x40        //指定为LBD寻址方式
#define BIT_DEV_DEV	0x10        //指定主盘或从盘，DEV位为1表示从盘，为0表示主盘

/* 一些硬盘操作的指令 */
#define CMD_IDENTIFY	   0xec	    // identify指令
#define CMD_READ_SECTOR	   0x20     // 读扇区指令
#define CMD_WRITE_SECTOR   0x30	    // 写扇区指令

/* 定义可读写的最大扇区数,调试用的 */
#define max_lba ((80*1024*1024/512) - 1)	// 只支持80MB硬盘

uint8_t channel_cnt;	   // 记录通道数
struct ide_channel channels[2];	 // 有两个ide通道

/* 选择读写的硬盘 */
static void select_disk(struct disk* hd) {
    uint8_t reg_device = BIT_DEV_MBS | BIT_DEV_LBA;
    if (hd->dev_no == 1) {	// 若是从盘就置DEV位为1
        reg_device |= BIT_DEV_DEV;
    }
    outb(reg_dev(hd->my_channel), reg_device);
}

/* 向硬盘控制器写入起始扇区地址及要读写的扇区数 */
static void select_sector(struct disk* hd, uint32_t lba, uint8_t sec_cnt) {
   ASSERT(lba <= max_lba);
   struct ide_channel* channel = hd->my_channel;

   /* 写入要读写的扇区数*/
   outb(reg_sect_cnt(channel), sec_cnt);	 // 如果sec_cnt为0,则表示写入256个扇区

   /* 写入lba地址(即扇区号) */
   outb(reg_lba_l(channel), lba);		 // lba地址的低8位,不用单独取出低8位.outb函数中的汇编指令outb %b0, %w1会只用al。
   outb(reg_lba_m(channel), lba >> 8);		 // lba地址的8~15位
   outb(reg_lba_h(channel), lba >> 16);		 // lba地址的16~23位

   /* 因为lba地址的24~27位要存储在device寄存器的0～3位,
    * 无法单独写入这4位,所以在此处把device寄存器再重新写入一次*/
   outb(reg_dev(channel), BIT_DEV_MBS | BIT_DEV_LBA | (hd->dev_no == 1 ? BIT_DEV_DEV : 0) | lba >> 24);
}

/* 向通道channel发命令cmd */
static void cmd_out(struct ide_channel* channel, uint8_t cmd) {
/* 只要向硬盘发出了命令便将此标记置为true,硬盘中断处理程序需要根据它来判断 */
    channel->expecting_intr = true;
    outb(reg_cmd(channel), cmd);
}

/* 硬盘读入sec_cnt个扇区的数据到buf */
static void read_from_sector(struct disk* hd, void* buf, uint8_t sec_cnt) {
    uint32_t size_in_byte;
    if (sec_cnt == 0) {
    /* 因为sec_cnt是8位变量,由主调函数将其赋值时,若为256则会将最高位的1丢掉变为0 */
        size_in_byte = 256 * 512;
    } 
    else { 
        size_in_byte = sec_cnt * 512; 
    }
    insw(reg_data(hd->my_channel), buf, size_in_byte / 2);
}

/* 将buf中sec_cnt扇区的数据写入硬盘 */
static void write2sector(struct disk* hd, void* buf, uint8_t sec_cnt) {
    uint32_t size_in_byte;
    if (sec_cnt == 0) {
    /* 因为sec_cnt是8位变量,由主调函数将其赋值时,若为256则会将最高位的1丢掉变为0 */
        size_in_byte = 256 * 512;
    } else { 
        size_in_byte = sec_cnt * 512; 
    }
    outsw(reg_data(hd->my_channel), buf, size_in_byte / 2);
}

/* 等待30秒 */
static bool busy_wait(struct disk* hd) {
    struct ide_channel* channel = hd->my_channel;
    uint16_t time_limit = 30 * 1000;	     // 可以等待30000毫秒
    while (time_limit -= 10 >= 0) {
        if (!(inb(reg_status(channel)) & BIT_STAT_BSY)) {
            return (inb(reg_status(channel)) & BIT_STAT_DRQ);
        } 
        else {
            mtime_sleep(10);		     // 睡眠10毫秒
        }
    }
    return false;
}

/* 从硬盘读取sec_cnt个扇区到buf */
void ide_read(struct disk* hd, uint32_t lba, void* buf, uint32_t sec_cnt) { 
    ASSERT(lba <= max_lba);
    ASSERT(sec_cnt > 0);
    lock_acquire (&hd->my_channel->lock);

    /* 1 先选择操作的硬盘 */
    select_disk(hd);

    uint32_t secs_op;		 // 每次操作的扇区数
    uint32_t secs_done = 0;	 // 已完成的扇区数
    while(secs_done < sec_cnt) {
        if ((secs_done + 256) <= sec_cnt) {
            secs_op = 256;
        } 
        else {
            secs_op = sec_cnt - secs_done;
        }

    /* 2 写入待读入的扇区数和起始扇区号 */
        select_sector(hd, lba + secs_done, secs_op);

    /* 3 执行的命令写入reg_cmd寄存器 */
        cmd_out(hd->my_channel, CMD_READ_SECTOR);	  // 准备开始读数据

    /*********************   阻塞自己的时机  ***********************
         在硬盘已经开始工作(开始在内部读数据或写数据)后才能阻塞自己,现在硬盘已经开始忙了,
        将自己阻塞,等待硬盘完成读操作后通过中断处理程序唤醒自己*/
        sema_down(&hd->my_channel->disk_done);
    /*************************************************************/

    /* 4 检测硬盘状态是否可读 */
        /* 醒来后开始执行下面代码*/
        if (!busy_wait(hd)) {	 // 若失败
            char error[64];
            sprintf(error, "%s read sector %d failed!!!!!!\n", hd->name, lba);
            PANIC(error);
        }

    /* 5 把数据从硬盘的缓冲区中读出 */
        read_from_sector(hd, (void*)((uint32_t)buf + secs_done * 512), secs_op);
        secs_done += secs_op;
    }
    lock_release(&hd->my_channel->lock);
}

/* 将buf中sec_cnt扇区数据写入硬盘 */
void ide_write(struct disk* hd, uint32_t lba, void* buf, uint32_t sec_cnt) {
    ASSERT(lba <= max_lba);
    ASSERT(sec_cnt > 0);
    lock_acquire (&hd->my_channel->lock);

    /* 1 先选择操作的硬盘 */
    select_disk(hd);

    uint32_t secs_op;		 // 每次操作的扇区数
    uint32_t secs_done = 0;	 // 已完成的扇区数
    while(secs_done < sec_cnt) {
        if ((secs_done + 256) <= sec_cnt) {
            secs_op = 256;
        } 
        else {
            secs_op = sec_cnt - secs_done;
        }

    /* 2 写入待写入的扇区数和起始扇区号 */
        select_sector(hd, lba + secs_done, secs_op);

    /* 3 执行的命令写入reg_cmd寄存器 */
        cmd_out(hd->my_channel, CMD_WRITE_SECTOR);	      // 准备开始写数据

    /* 4 检测硬盘状态是否可读 */
        if (!busy_wait(hd)) {			      // 若失败
            char error[64];
            sprintf(error, "%s write sector %d failed!!!!!!\n", hd->name, lba);
            PANIC(error);
        }

    /* 5 将数据写入硬盘 */
        write2sector(hd, (void*)((uint32_t)buf + secs_done * 512), secs_op);

        /* 在硬盘响应期间阻塞自己 */
        sema_down(&hd->my_channel->disk_done);
        secs_done += secs_op;
    }
    /* 醒来后开始释放锁*/
    lock_release(&hd->my_channel->lock);
}

/* 硬盘中断处理程序 */
void intr_hd_handler(uint8_t irq_no) {
    ASSERT(irq_no == 0x2e || irq_no == 0x2f);
    uint8_t ch_no = irq_no - 0x2e;
    struct ide_channel* channel = &channels[ch_no];
    ASSERT(channel->irq_no == irq_no);
    /* 不必担心此中断是否对应的是这一次的expecting_intr,
    * 每次读写硬盘时会申请锁,从而保证了同步一致性 */
    if (channel->expecting_intr) {
        channel->expecting_intr = false;
        sema_up(&channel->disk_done);

    /* 读取状态寄存器使硬盘控制器认为此次的中断已被处理,从而硬盘可以继续执行新的读写 */
        inb(reg_status(channel));
    }
}


/* 用于记录总扩展分区的起始lba,初始为0,partition_scan时以此为标记 */
int32_t ext_lba_base = 0;
uint8_t p_no = 0, l_no = 0;	 // 用来记录硬盘主分区和逻辑分区的下标
struct list partition_list;	 // 分区队列

/* 构建一个16字节大小的结构体,用来存分区表项 */
struct partition_table_entry {
    uint8_t  bootable;		 // 是否可引导	
    uint8_t  start_head;		 // 起始磁头号
    uint8_t  start_sec;		 // 起始扇区号
    uint8_t  start_chs;		 // 起始柱面号
    uint8_t  fs_type;		 // 分区类型
    uint8_t  end_head;		 // 结束磁头号
    uint8_t  end_sec;		 // 结束扇区号
    uint8_t  end_chs;		 // 结束柱面号
    /* 更需要关注的是下面这两项 */
    uint32_t start_lba;		 // 本分区起始扇区的lba地址
    uint32_t sec_cnt;		 // 本分区的扇区数目
} __attribute__ ((packed));	 // 保证此结构是16字节大小

/* 引导扇区,mbr或ebr所在的扇区 */
struct boot_sector {
    uint8_t  other[446];		 // 引导代码
    struct   partition_table_entry partition_table[4];       // 分区表中有4项,共64字节
    uint16_t signature;		 // 启动扇区的结束标志是0x55,0xaa,
} __attribute__ ((packed));

/* 将dst中len个相邻字节交换位置后存入buf */
static void swap_pairs_bytes(const char* dst, char* buf, uint32_t len) {
    uint8_t idx;
    for (idx = 0; idx < len; idx += 2) {
        /* buf中存储dst中两相邻元素交换位置后的字符串*/
        buf[idx + 1] = *dst++;   
        buf[idx]     = *dst++;   
    }
    buf[idx] = '\0';
}

/* 获得硬盘参数信息 */
static void identify_disk(struct disk* hd) {
    char id_info[512];
    select_disk(hd);
    cmd_out(hd->my_channel, CMD_IDENTIFY);
    /* 向硬盘发送指令后便通过信号量阻塞自己,
    * 待硬盘处理完成后,通过中断处理程序将自己唤醒 */
    sema_down(&hd->my_channel->disk_done);

    /* 醒来后开始执行下面代码*/
    if (!busy_wait(hd)) {     //  若失败
        char error[64];
        sprintf(error, "%s identify failed!!!!!!\n", hd->name);
        PANIC(error);
    }
    read_from_sector(hd, id_info, 1);

    char buf[64];
    uint8_t sn_start = 10 * 2, sn_len = 20, md_start = 27 * 2, md_len = 40;
    swap_pairs_bytes(&id_info[sn_start], buf, sn_len);
    printk("   disk %s info:\n      SN: %s\n", hd->name, buf);
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    swap_pairs_bytes(&id_info[md_start], buf, md_len);
    printk("      MODULE: %s\n", buf);
    uint32_t sectors = *(uint32_t*)&id_info[60 * 2];
    printk("      SECTORS: %d\n", sectors);
    printk("      CAPACITY: %dMB\n", sectors * 512 / 1024 / 1024);
}

/* 扫描硬盘hd中地址为ext_lba的扇区中的所有分区 */
static void partition_scan(struct disk* hd, uint32_t ext_lba) {
    struct boot_sector* bs = sys_malloc(sizeof(struct boot_sector));
    ide_read(hd, ext_lba, bs, 1);
    uint8_t part_idx = 0;   //用于遍历主分区的变量
    struct partition_table_entry* p = bs->partition_table;

    /* 遍历分区表4个分区表项 */
    while (part_idx++ < 4) {
        if (p->fs_type == 0x5) {	 // 若为扩展分区
            if (ext_lba_base != 0) { 
                /* 子扩展分区的start_lba是相对于主引导扇区中的总扩展分区地址 */
                partition_scan(hd, p->start_lba + ext_lba_base);
            } 
            else { // ext_lba_base为0表示是第一次读取引导块,也就是主引导记录所在的扇区
            /* 记录下扩展分区的起始lba地址,后面所有的扩展分区地址都相对于此 */
                ext_lba_base = p->start_lba;
                partition_scan(hd, p->start_lba);
            }
        } 
        else if (p->fs_type != 0) { // 若是有效的分区类型
            if (ext_lba == 0) {	 // 此时全是主分区
                hd->prim_parts[p_no].start_lba = ext_lba + p->start_lba;
                hd->prim_parts[p_no].sec_cnt = p->sec_cnt;
                hd->prim_parts[p_no].my_disk = hd;
                list_append(&partition_list, &hd->prim_parts[p_no].part_tag);
                sprintf(hd->prim_parts[p_no].name, "%s%d", hd->name, p_no + 1);
                p_no++;
                ASSERT(p_no < 4);	    // 0,1,2,3
            } 
            else {
                hd->logic_parts[l_no].start_lba = ext_lba + p->start_lba;
                hd->logic_parts[l_no].sec_cnt = p->sec_cnt;
                hd->logic_parts[l_no].my_disk = hd;
                list_append(&partition_list, &hd->logic_parts[l_no].part_tag);
                sprintf(hd->logic_parts[l_no].name, "%s%d", hd->name, l_no + 5);	 // 逻辑分区数字是从5开始,主分区是1～4.
                l_no++;
                if (l_no >= 8)    // 只支持8个逻辑分区,避免数组越界
                return;
            }
        } 
        p++;
    }
    sys_free(bs);
}

/* 打印分区信息 */
static bool partition_info(struct list_elem* pelem, int arg UNUSED) {
    struct partition* part = elem2entry(struct partition, part_tag, pelem);
    printk("   %s start_lba:0x%x, sec_cnt:0x%x\n",part->name, part->start_lba, part->sec_cnt);

    /* 在此处return false与函数本身功能无关,
    * 只是为了让主调函数list_traversal继续向下遍历元素 */
    return false;
}



/* 硬盘数据结构初始化 */
void ide_init() {
    printk("ide_init start\n");
    uint8_t hd_cnt = *((uint8_t*)(0x475));	      // 获取硬盘的数量
    ASSERT(hd_cnt > 0);
    list_init(&partition_list);
    channel_cnt = DIV_ROUND_UP(hd_cnt, 2);	   // 一个ide通道上有两个硬盘,根据硬盘数量反推有几个ide通道
    struct ide_channel* channel;
    uint8_t channel_no = 0, dev_no = 0; 

    /* 处理每个通道上的硬盘 */
    while (channel_no < channel_cnt) {
        channel = &channels[channel_no];
        sprintf(channel->name, "ide%d", channel_no);

        /* 为每个ide通道初始化端口基址及中断向量 */
        switch (channel_no) {
        case 0:
            channel->port_base	 = 0x1f0;	   // ide0通道的起始端口号是0x1f0
            channel->irq_no	 = 0x20 + 14;	   // 从片8259a上倒数第二的中断引脚,温盘,也就是ide0通道的的中断向量号
            break;
        case 1:
            channel->port_base	 = 0x170;	   // ide1通道的起始端口号是0x170
            channel->irq_no	 = 0x20 + 15;	   // 从8259A上的最后一个中断引脚,我们用来响应ide1通道上的硬盘中断
            break;
        }

        channel->expecting_intr = false;		   // 未向硬盘写入指令时不期待硬盘的中断
        lock_init(&channel->lock);		     

    /* 初始化为0,目的是向硬盘控制器请求数据后,硬盘驱动sema_down此信号量会阻塞线程,
    直到硬盘完成后通过发中断,由中断处理程序将此信号量sema_up,唤醒线程. */
        sema_init(&channel->disk_done, 0);

        register_handler(channel->irq_no, intr_hd_handler);

        /* 分别获取两个硬盘的参数及分区信息 */
        while (dev_no < 2) {
            struct disk* hd = &channel->devices[dev_no];
            hd->my_channel = channel;
            hd->dev_no = dev_no;
            sprintf(hd->name, "sd%c", 'a' + channel_no * 2 + dev_no);
            identify_disk(hd);	 // 获取硬盘参数
            if (dev_no != 0) {	 // 内核本身的裸硬盘(hd60M.img)不处理
                partition_scan(hd, 0);  // 扫描该硬盘上的分区  
            }
            p_no = 0, l_no = 0;
            dev_no++; 
        }
        dev_no = 0;			  	   // 将硬盘驱动器号置0,为下一个channel的两个硬盘初始化。
        channel_no++;				   // 下一个channel
    }

    printk("\n   all partition info\n");
    /* 打印所有分区信息 */
    list_traversal(&partition_list, partition_info, (int)NULL);
    printk("ide_init done\n");
}