操作系统真象还原：编写硬盘驱动程序

第13章-编写硬盘驱动程序

这是一个网站有所有小节的代码实现，同时也包含了Bochs等文件

13.1 硬盘及分区表

13.1.1 创建从盘及获取安装的磁盘数

要实现文件系统，必须先有个磁盘介质，虽然咱们己经有个虚拟磁盘 hd60M.img，但它只充当了启动盘的作用，仅用来存储内核，是个没有文件系统的裸盘（ raw disk）

如同我们之前第一章创建主盘时一样，在bochs目录下：

创建磁盘

bin/bximage

然后在输入框依次输入以下，输入一个，按一次回车

1

hd

flat

80

hd80M.img

接下来，我们在bochsrc.disk文件中，写入

ata0-slave: type=disk, path="hd80M.img", mode=flat,cylinders=162,heads=16,spt=63
这样，bochs虚拟机启动时，就会识别这个磁盘并且自动挂载。

xp:用来查看物理地址处的值，eg：xp/b 0x475查看0x475处一个字节的值。这个0x475处存储的是主机上安装的硬盘数量。下面是成功安装了两个硬盘：

13.1.2 创建磁盘分区表

**文件系统是运行在操作系统中的软件模块，是操作系统提供的一套管理磁盘文件读写的方法和数据组织、存储形式，**因此，文件系统＝数据结构＋算法，哈哈，所以它是程序。它的管理对象是文件，管辖范围是分区，因此它建立在分区的基础上，每个分区都可以有不同的文件系统。咱们刚创建了磁盘而己，磁盘还是裸盘，即传说中的 raw disk，本节的任务是把刚创建的磁盘 hd80M.img 分区。

磁盘的物理结构：

1. 盘片：类似光盘中的一个圆盘，上面布满了磁性介质。
2. 扇区：扇区是硬盘读写的基本单位，它在磁道上均匀分布，与磁头和磁道不同，扇区从 1 开始编号扇区的大小字节数=256 × N. N为自然数，通常取2，因此扇区的大小为512字节
3. 磁道：盘片上的一个个同心圈就是磁道，它是扇区的载体，每一个磁道由外向里从 0 开始编号
4. 磁头：就是磁头，哈哈，可以粗略理解为磁带中的磁头一个盘片分为上下两个面，各面都有一个磁头，因此一个盘片包括两个磁头，磁头号就表示盘面，平时所说的盘面号就是磁头号
5. 柱面：这些由不同盘面上的编号相同的磁道（这些编号相同的同心圆大小一致）从上到下所组成的圆柱体的回转面就称为柱面，因此柱面的大小等于盘面数（磁头数〉乘以每磁道扇区数。
6. 分区：是由多个编号连续的柱面组成的，因此分区在物理上的表现是由某段范围内的所有柱面组成的通心环，并不是像“饼图”那种逻辑表示，当然若整个硬盘只有 1 个分区，那这个分区就是个所有柱面组成的圆柱体 。 分区不能跨柱面，也就是同一个柱面不能包含两个分区，一个柱面只属于一个分区，分区的起始和终止都落在完整的柱面上，并不会出现多个分区共享同一柱面的情况，这就是所谓的“分区粒度”。

• 硬盘容量=单片容量 x 磁头数；
• 单片容量=每磁道扇区数 x 磁道数 x 512；

磁道数又等于柱面数：硬盘容量=每磁道扇区数 x 柱面数 x 512 x 磁头数；

下面是hd80M.img的分区布局图：

13.2 编写硬盘驱动程序

13.2.1 硬盘初始化

硬件是实实在在的东西，要想在软件中管理它们，只能从逻辑上抓住这些硬件的特性，将它们抽象成一些数据结构，然后这些数据结构便代表了硬件，用这些数据结构来组织硬件的信息及状态，在逻辑上硬件就是这数据结构。硬盘也是“实在”的东东，为了管理它们还是得将它们抽象成某些数据结构，这就是本节的任务之一。

硬盘上有两个 ata 通道，也称为 IDE 通道。第 1 个 ata 通道上的两个硬盘（主和从）的中断信号挂在 8259A 从片的 IRQ14 上，第 2 个 ata 通道接在 8259A 从片的 IRQ15 上，该 ata 通道上可支持两个硬盘 。 来自 8259A从片的中断是由 8259A 主片帮忙向处理器传达的， 8259A 从片是级联在 8259A 主片的 IRQ2 接口的，因此为了让处理器也响应来自 8259A 从片的中断，屏蔽中断寄存器必须也把 IRQ2 打开.

由于我们的两个磁盘都是挂在了IDE通道0上，而IDE通道0又是挂在了IRQ14线上，所以我们只需要再打开这条线的中断信号就行

/* 初始化可编程中断控制器8259A */
static void pic_init(void) {/* 初始化主片 */outb (PIC_M_CTRL, 0x11);   // ICW1: 边沿触发,级联8259, 需要ICW4.outb (PIC_M_DATA, 0x20);   // ICW2: 起始中断向量号为0x20,也就是IR[0-7] 为 0x20 ~ 0x27.outb (PIC_M_DATA, 0x04);   // ICW3: IR2接从片. outb (PIC_M_DATA, 0x01);   // ICW4: 8086模式, 正常EOI/* 初始化从片 */outb (PIC_S_CTRL, 0x11);	// ICW1: 边沿触发,级联8259, 需要ICW4.outb (PIC_S_DATA, 0x28);	// ICW2: 起始中断向量号为0x28,也就是IR[8-15] 为 0x28 ~ 0x2F.outb (PIC_S_DATA, 0x02);	// ICW3: 设置从片连接到主片的IR2引脚outb (PIC_S_DATA, 0x01);	// ICW4: 8086模式, 正常EOIoutb (PIC_M_DATA, 0xf8);    //IRQ2用于级联从片,必须打开,否则无法响应从片上的中断主片上打开的中断有IRQ0的时钟,IRQ1的键盘和级联从片的IRQ2,其它全部关闭outb (PIC_S_DATA, 0xbf);    //打开从片上的IRQ14,此引脚接收硬盘控制器的中断 put_str("   pic_init done\n");
}

在以前，我们内核态下进行打印一直用的console_put_xxx之类的函数，这很不方便，因为我们经常打印信息需要调用console_put_int, console_put_str, console_put_ch这三个函数配合使用。所以我们先来实现一个类似于用户态函数printf的内核态函数printk

/** @Author: Adward-DYX [e-mail]* @Date: 2024-04-28 17:33:08* @LastEditors: Adward-DYX [e-mail]* @LastEditTime: 2024-05-06 12:59:59* @FilePath: /OS/chapter13/13.2/kernel/stdio-kernel.c* @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE*/
#include "stdio-kernel.h"
#include "console.h"
#include "stdint.h"
#include "global.h"
#include "stdio.h"#define va_start(args, first_fix) args = (va_list)&first_fix
#define va_end(args) args = NULL/*供内核使用的格式化输出函数*/
void printk(const char* format, ...){va_list args;va_start(args, format);char buf[1024] = {0};vsprintf(buf,format,args);va_end(args);console_put_str(buf);
}

创建硬盘相关的数据结构：

/** @Author: Adward-DYX [e-mail]* @Date: 2024-04-28 17:37:39* @LastEditors: Adward-DYX [e-mail]* @LastEditTime: 2024-05-06 13:18:20* @FilePath: /OS/chapter13/13.2/device/ide.h* @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE*/
#ifndef __DEVICE_IDE_H
#define __DEVICE_IDE_H#include "stdint.h"
#include "list.h"
#include "bitmap.h"
#include "global.h"
#include "thread.h"
#include "sync.h"struct partition{uint32_t start_lba; //起始扇区uint32_t sec_cnt;   //扇区数struct disk* my_disk;   //分区所属的硬盘struct list_elem part_tag;  //用于队列中的标记 char name[8];       //分区名称struct super_block* sb; //本分区的超级块struct bitmap block_bitmap; //块位图struct bitmap inode_bitmap; //i结点位图struct list open_inodes;    //本分区打开的i结点队列
};/*硬盘结构*/
struct disk{char name[8];   //本硬盘的名称struct ide_channel* my_channel;     //此块硬盘归属于那个ide通道uint8_t dev_no;     //本硬盘是主0，还是从1struct partition prim_parts[4];     //主分区顶多只有4个struct partition logic_parts[8];    //逻辑分区数量无限，但总得有个上限支持，这里设置为8
};/*ata通道*/
//port_base咱们这里只处理两个通道的主板，每个通道的
//端口范围是不一样的，通道1(Primary通道）的命令块寄存器端口范围是 Ox1FO～Ox1F7，控制块寄存器
//端口是 0x3F6，通道 2 ( Secondary 通道〉命令块寄存器端口范围是 Ox170～Ox177 ，控制块寄存器端口是0x376 
//通道 l 的端口可以以 0x1F0 为基数，其命令块寄存器端口在此基数上分别加上 0～ 7 就可以了，
//控制块寄存器端口在此基数上加上 0x206，同理，通道 2 的基数就是 0xl70 
struct ide_channel{char name[8];       //本ata通道名称uint16_t port_base;     //本通道的起始端口号uint8_t irq_no;     //本通道所用的中断号struct lock lock;   //通道锁bool expecting_intr;    //表示等待硬盘的中断struct semaphore disk_done; //用于阻塞、唤醒驱动程序struct disk devices[2]; //一个通道上连接两个硬盘，一主一从
};

创建并初始化

#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"/* 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LBA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/*硬盘数据结构初始化*/
void ide_init(void){printk("ide_init start\n");uint8_t hd_cnt = *((uint8_t*)(0x475));  //获取硬盘的数量printk("   ide_init hd_cnt:%d\n",hd_cnt);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0x1f0channel->irq_no = 0x20+14;  //从片8259A上倒数第二个中断引脚 硬盘，也就是ide0通道的中断向量号 ， 0x20为起始中断号break;case 1:channel->port_base = 0x170; //ide1通道的起始端口号是0x170channel->irq_no = 0x20+15;  //从片上最后一个中断引脚，我们用来相应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*/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;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");
}

在物理地址0x475存储着主机上安装的硬盘数量，它是由BIOS检测并写入的。

13.2.2 实现thread_yied和idle线程

thread_yield 定义在也read.c 中，它的功能是主动把 CPU 使用权让出来，它与thread_block 的区别是thread_yield 执行后任务的状态是 TASK＿READY，即让出 CPU 后，它会被加入到就绪队列中，下次还能继续被调度器调度执行，而 thread_block 执行后任务的状态是 TASK_BLOCKD，需要被唤醒后才能加入到就绪队列 ， 所以下次执行还不知道是什么时候 。

硬盘是一个相对于CPU来说及其低速的设备，所以，当硬盘在进行需要长时间才能完成的工作时（比如写入数据），我们最好能让驱动程序把CPU让给其他任务。所以，我们来实现一个thread_yield函数，就是用于把CPU让出来。实质就是将调用者重新放入就绪队列队尾。

修改thread.c

/* 主动让出cpu,换其它线程运行 */
void thread_yield(void) {struct task_struct* cur = running_thread();   enum intr_status old_status = intr_disable();ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &cur->general_tag));list_append(&thread_ready_list, &cur->general_tag);cur->status = TASK_READY;schedule();intr_set_status(old_status);
}

thread_yield中有个关中断的操作，会不会导致切换后由于关闭中断，而不响应时钟中断导致一直运行在切换后的进程/线程中呢？其实并不会，我们讨论两种情况，一种是进程/线程第一次上机运行，一种是进程/线程之前已经运行过，但由于时间片到期而换下过处理器。对于前者，我们进程/线程第一次上机运行都会经过kernel_thread这个线程启动器，而这个里面是有开中断的代码的。对于后者，当切换回进程/线程时，它们执行kernel.S中的中断退出代码jmp intr_exit，这里面有一条指令iretd会打开中断，让处理器能够继续响应中断代理发送来的中断信号。

接下来我们实现一个idle线程，用于在就绪队列为空时运行。需要注意一点：我们之前没有idle线程，我们的系统没有出现书上说的由于就绪队列为空然后被ASSERT(!list_empty(&thread_ready_list);悬停的情况，是因为我们的主线程（简单理解，就是main函数里面的while(1)）会一直被不断加入就绪队列，所以就绪队列并不存在为空的时候。

修改thread.c

struct task_struct* idle_thread;    // idle线程/* 系统空闲时运行的线程 */
static void idle(void* arg UNUSED) {while(1) {thread_block(TASK_BLOCKED);     //执行hlt时必须要保证目前处在开中断的情况下,hlt是停止处理器将进入暂停状态，直到发生硬件中断asm volatile ("sti; hlt" : : : "memory");}
}/* 实现任务调度 */
void schedule() {ASSERT(intr_get_status() == INTR_OFF);struct task_struct* cur = running_thread(); if (cur->status == TASK_RUNNING) { // 若此线程只是cpu时间片到了,将其加入到就绪队列尾ASSERT(!elem_find(&thread_ready_list, &cur->general_tag));list_append(&thread_ready_list, &cur->general_tag);cur->ticks = cur->priority;     // 重新将当前线程的ticks再重置为其priority;cur->status = TASK_READY;} else { /* 若此线程需要某事件发生后才能继续上cpu运行,不需要将其加入队列,因为当前线程不在就绪队列中。*/}/* 如果就绪队列中没有可运行的任务,就唤醒idle */if (list_empty(&thread_ready_list)) {thread_unblock(idle_thread);}ASSERT(!list_empty(&thread_ready_list));thread_tag = NULL;	  // thread_tag清空
/* 将thread_ready_list队列中的第一个就绪线程弹出,准备将其调度上cpu. */thread_tag = list_pop(&thread_ready_list);   struct task_struct* next = elem2entry(struct task_struct, general_tag, thread_tag);next->status = TASK_RUNNING;process_activate(next); //激活任务页表switch_to(cur, next);   
}/* 初始化线程环境 */
void thread_init(void) {put_str("thread_init start\n");list_init(&thread_ready_list);list_init(&thread_all_list);lock_init(&pid_lock);
/* 将当前main函数创建为线程 */make_main_thread();/* 创建idle线程 */idle_thread = thread_start("idle", 10, idle, NULL);put_str("thread_init done\n");
}

13.2.3 实现简单的休眠函数

硬盘和 CPU 是相互独立的个体，它们各自并行执行，但由于硬盘是低速设备，其在处理请求时往往消耗很长的时间（不过手册上说最慢的情况也能在 31 秒之内完成），为避免浪费 CPU 资源，在等待硬盘操作的过程中最好把 CPU 主动让出来，让 CPU 去执行其他任务，为实现这种“明智”的行为，我们在 timer.c中定义休眠函数，当然这只是简易版，精度不是很高，能达到目的就可以了

之前我们实现的thread_yield是将当前任务加入就绪队列队尾，仅仅是把CPU让出来一次。我们来实现一个定时让出CPU的函数，也就是让一个任务在固定时间内都不执行。

修改timer.c

#define mil_seconds_per_intr (1000 / IRQ0_FREQUENCY)/* 以tick为单位的sleep,任何时间形式的sleep会转换此ticks形式 */
static void ticks_to_sleep(uint32_t sleep_ticks) {uint32_t start_tick = ticks;/* 若间隔的ticks数不够便让出cpu */while (ticks - start_tick < sleep_ticks) {thread_yield();}
}/* 以毫秒为单位的sleep   1秒= 1000毫秒 */
void mtime_sleep(uint32_t m_seconds) {uint32_t sleep_ticks = DIV_ROUND_UP(m_seconds, mil_seconds_per_intr);ASSERT(sleep_ticks > 0);ticks_to_sleep(sleep_ticks); 
}

13.2.4 完善硬盘驱动程序

现在，我们来实现驱动程序的主体部分，也就是实际与硬盘打交道的函数，实质就是将一系列寄存器操作进行封装

/** @Author: Adward-DYX [e-mail]* @Date: 2024-04-29 09:54:07* @LastEditors: Adward-DYX [e-mail]* @LastEditTime: 2024-05-06 13:17:42* @FilePath: /OS/chapter13/13.2/device/ide.c* @Description: 这是默认设置,请设置`customMade`, 打开koroFileHeader查看配置 进行设置: https://github.com/OBKoro1/koro1FileHeader/wiki/%E9%85%8D%E7%BD%AE*/
#include "ide.h"
#include "stdint.h"
#include "global.h"
#include "list.h"
#include "bitmap.h"
#include "debug.h"
#include "stdio.h"
#include "thread.h"
#include "sync.h"
#include "io.h"
#include "timer.h"
#include "string.h"
#include "stdio-kernel.h"/*定义硬盘各寄存器的端口号*/
#define reg_data(charnnel)  (charnnel->port_base + 0)
#define reg_error(charnnel)  (charnnel->port_base + 1)
#define reg_sect_cnt(charnnel)  (charnnel->port_base + 2)
#define reg_lba_l(charnnel)  (charnnel->port_base + 3)
#define reg_lba_m(charnnel)  (charnnel->port_base + 4)
#define reg_lba_h(charnnel)  (charnnel->port_base + 5)
#define reg_dev(charnnel)  (charnnel->port_base + 6)
#define reg_status(charnnel)  (charnnel->port_base + 7)
#define reg_cmd(charnnel)  (reg_status(charnnel))
#define reg_alt_status(charnnel)  (charnnel->port_base + 0x206)
#define reg_ctl(charnnel)  (reg_alt_status(charnnel))/*reg_alt_status寄存器的一些关键位*/
#define BIT_ALT_STAT_BSY    0x80    //硬盘忙
#define BIT_ALT_STAT_DRDY   0x40    //驱动器准备好了
#define BIT_ALT_STAT_DRQ    0x8    //数据传输准备好了
#define BIT_ALT_STAT_ERR    0x1    //有错误发生/*device寄存器的一些关键位*/
#define BIT_DEV_MBS 0xa0        //第7位和第5位固定位1
#define BIT_DEV_LBA 0x40        //指定为LBA寻址方式
#define BIT_DEV_DEV 0x10        //主盘还是从盘 现在为1是从盘，为0表示主盘/*一些硬盘操作的指令*/
#define CMD_IDENTIFY    0xec    //identify指令，即硬盘识别
#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80M硬盘uint8_t channel_cnt;    //按硬盘数计算的通道数
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 1reg_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腰读写的扇区数*/
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 ，贝Jj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aloutb(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 地址的第 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){/*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 是自位变量，由主调函数将其赋值时，若为 256 则将最高位的 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中国的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 是自位变量，由主调函数将其赋值时，若为 256 则将最高位的 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;    //等待30000毫秒while(time_limit -= 10 >= 0){if(!(inb(reg_status(channel))&BIT_ALT_STAT_BSY))return (inb(reg_status(channel))&BIT_ALT_STAT_DRQ);else    mtime_sleep(10);        //睡眠10毫秒}return false;
}/*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);    //准备开始读取数据/*******************  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*//*硬盘完成操作后会发中断信号，后面介绍的硬盘中断处理程序 intr_hd_handler 会在该通道上执行“ sema_up(&channel->disk_done）”，从而唤醒当前的驱动程序*/sema_down(&hd->my_channel->disk_done);/*4 检查硬盘转改是否可读*//*醒来后开始执行下面的代码*/if(!busy_wait(hd)){ //若失败char error[64];sprintf(error,"%s read sector %d failed!!!!!!",hd->name,lba);PANIC(error);}/*5 把数据从硬盘的缓冲区读出*/read_from_sector(hd,(void*)((uint32_t)buf + secs_done * 512),secs_op);secs_done += secs_op;}lock_release(&hd->my_channel->lock);
}/*对于读硬盘来说，驱动程序阻塞自己是在硬盘开始读扇区之后，对于写硬盘来说，
驱动程序阻塞自己是在硬盘开始写扇区之后。总之，阻塞的时机一定是在硬盘开始真正忙活之后的那段“漫
长”的时间里*//*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.线选择操作的硬盘*/select_disk(hd);uint32_t secs_op;   //每次操作的扇区数uint32_t secs_done = 0; //已经完成的扇区数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);/*4 检查硬盘状态是否可写*/if(!busy_wait(hd)){ //若失败char error[64];sprintf(error,"%s write sector %d failed!!!!!!",hd->name,lba);PANIC(error);}/*5 把数据从硬盘的缓冲区写进去*/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));}
}/*硬盘数据结构初始化*/
void ide_init(void){printk("ide_init start\n");uint8_t hd_cnt = *((uint8_t*)(0x475));  //获取硬盘的数量printk("   ide_init hd_cnt:%d\n",hd_cnt);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0x1f0channel->irq_no = 0x20+14;  //从片8259A上倒数第二个中断引脚 硬盘，也就是ide0通道的中断向量号 ， 0x20为起始中断号break;case 1:channel->port_base = 0x170; //ide1通道的起始端口号是0x170channel->irq_no = 0x20+15;  //从片上最后一个中断引脚，我们用来相应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*/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;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");
}

select_disk接受一个参数，硬盘指针hd，功能是选择待操作的硬盘是主盘或从盘 。原理是利用device寄存器中的 dev 位，该位为 0 表示是通道中的主盘，为 1 表示是通道的从盘。最后通过 outb 函数将变量 reg_device 写入硬盘所在通道的device 寄存器，这样就完成了主盘或从盘的选择。

select_sector接受3个参数，硬盘指针hd、扇区起始地址lba、扇区数sec_cnt，功能是向硬盘控制器写入起始扇区地址及要读写的扇区数 。

cmd_out：向通道channel发命令cmd，即写入操作命令（读或者写）

read_from_sector：硬盘读入sec_cnt个扇区的数据到buf

write2sector：将buf中的sec_cnt扇区的数据写入硬盘

busy_wait ：通过BIT_ALT_STAT_BSY 判断 status 寄存器的 BSY 位是否为 1 ，如果为 1 ，则表示硬盘繁，这时候就调用 mtime_sleep(10)去休眠 10 毫秒。如果 BSY 位为 0 则表示硬盘不忙，接着在再次读取status寄存器，返回其 DRQ 位的值， DRQ 位为 1 表示硬盘己经准备好数据了。

对于读硬盘来说，驱动程序阻塞自己是在硬盘开始读扇区之后，对于写硬盘来说，驱动程序阻塞自己是在硬盘开始写扇区之后。总之，阻塞的时机一定是在硬盘开始真正忙活之后的那段“漫长”的时间里

13.2.5 获取硬盘信息，扫描分区表

本节该是检验它们的时候了，咱们用两件工作来验证，一是向硬盘发 identify 命令获取硬盘的信息，二是扫描分区表。

Linux中所有的设备都在／dev／目录下，硬盘命名规则是［x]d[y][n］，其中只有字母 d 是固定的，其他带中括号的字符都是多选值，下面从左到右介绍各个字符。

x：表示硬盘分类，硬盘有两大类， IDE 磁盘和 SCSI 磁盘。h代表 IDE 磁盘， s代表 SCSI 磁盘，故 x取值为h和s.

d：表示disk，即磁盘

y：表示设备号，更多操作以区分第几个设备，取值范围是小写字符，其中a是第1个硬盘，b是第2个硬盘依此类推。

n：表示分区号。也就是一个硬盘上的第几个分区。分区以数字 1开始，依次类推。

咱们这里统一用 SCSI 硬盘的命名规则来命名虚拟硬盘hd60M.img 和 hd80M且恕。其中 hd60M.img 为 sda, hd80M.img 为 sdb o hd60M.img 是裸盘，没有文件系统和分区，因此咱们只处理 hd80M.img，将其上的主分区占据 sdb【1 ～4】，逻辑分区占据 sdb【5~】。

修改ide.c

/*用于记录总扩展分区的起始 lba ，初始为 O, 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/*更需要关注的时下面这两项*/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];    //分区表中有四项，供六十四字节uint16_t signature; //启动扇区的结束标志是 Ox55,0xaa,
}__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中两相邻袁术交换位置后的字符串*/buf[idx+1] = *dst++;buf[idx] = *dst++;}buf[idx] = '\0';
}/*获取硬盘参数信息*/
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的代码*/if(!busy_wait(hd)){ //若失败char error[64];sprintf(error,"%s identify failed!!!!!!",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;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，页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{  //逻辑分区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;  
}

swap_pairs_bytes:用来处理identify命令的返回信息，硬盘参数信息是以字为单位的，包括偏移、长度的单位都是字，在这16位的字中，相邻字符的位置是互换的，所以通过此函数来做转换。