《ORANGE-s-一个操作系统实现》文件管理（7-1）

在本部分，将通过硬盘驱动程序直接操作硬盘。在编写这个文件系统的过程中，通过几个消息、用户进程、文件系统和驱动程序之间就可以方便的协同工作。

硬盘操作的I/O端口

和键盘控制器、VGA控制器等类似，对硬盘控制器的操作仍然是通过I/O端口来进行，这些端口分为两组，它们对应命令块寄存器和控制块寄存器，如下表：

对硬盘的操作并不复杂，只需要往命令块寄存器写入正确的值，再通过控制块寄存器发送命令就可以了。

硬盘驱动程序

驱动程序的作用在于隐藏硬件细节，向上层提供统一的接口。由于进程通过收发消息来相互通信，那么驱动程序的接口自然也是消息了。所以只要定义了驱动程序可以接受的消息，也就定义了驱动程序的接口。首先想硬盘驱动器发送一个IDENTIFY命令，这个命令可用来获取硬盘参数。
下面是Device寄存器的格式：

可以看到寄存器主要有LBA模式位、DRV位和低四位。DRV用于指定主盘或从盘，0表示主盘，1表示从盘。LBA模式位用于指定操作模式，当此位为0时，对磁盘的操作使用CHS模式；当为1时，对磁盘使用LBA模式。
我们使用函数hd_cmd_out()来进行实际的向硬件驱动器发送命令的工作，因为今后我们还会用到它。当发送命令之后，我们用interrupt_wait()来等待中断的发生。
驱动程序获知中断发生的情形如下：

建立如下文件系统进程：

PUBLIC void task_fs()
{
	printl("Task FS begins.\n");

	/* open the device: hard disk */
	MESSAGE driver_msg;
	driver_msg.type = DEV_OPEN;
	send_recv(BOTH, TASK_HD, &driver_msg);

	spin("FS");
}

make运行，结果如下：

文件系统

我们结合前面学习的FAT12来了解文件系统，从下图可知，文件系统有4个部分：

• 引导扇区：存放Metadata—占用整整一个扇区的superblock
• FAT表：记录扇区使用情况—sector map
• 根目录区：文件的索引—inode map
• 数据区：记录任一文件的信息—root数据区

superblock通常也叫超级块，关于文件系统的Metadata都记录在这里。sector map是哟个位图，用来映射扇区的使用情况，用1表示扇区已经被使用。i-node是UNIX各种文件系统的核心数据结构之一。

硬盘分区表

硬盘分区表是一个结构体数组，数组的每个成员是一个16字节的结构体，如下：

我们将80MB的硬盘映像分成了一个主分区和一个扩展分区，扩展分区中又分成了5个逻辑分区。我们以后把写的操作系统放在第一个逻辑分区。先把它的分区类型（Systen ID）改成99h，又维他设定了“可启动”标志。

设备号

下图是所有分区：

其中数字1~4为主引导扇区中的分区表项所示，从5开始依次表示逻辑分区。
这些数字其实就是设备号，其作用是给每个设备起一个名字，这样驱动程序就能方便地管理他们。
对硬盘而言，采用如下的编号规则：

下面是遍历所有分区的情况：

完善硬盘驱动程序

目前的驱动程序只能处理DEV_OPEN消息，这显然是不够的，起码也要有DEV_READ和DEV_WRITE。下面先添加读写硬盘的功能：

/*****************************************************************************
 *                                task_hd
 *****************************************************************************/
/**
 * Main loop of HD driver.
 * 
 *****************************************************************************/
PUBLIC void task_hd()
{
	MESSAGE msg;

	init_hd();

	while (1) {
		send_recv(RECEIVE, ANY, &msg);

		int src = msg.source;

		switch (msg.type) {
		case DEV_OPEN:
			hd_open(msg.DEVICE);
			break;

		case DEV_CLOSE:
			hd_close(msg.DEVICE);
			break;

		case DEV_READ:
		case DEV_WRITE:
			hd_rdwt(&msg);
			break;

		case DEV_IOCTL:
			hd_ioctl(&msg);
			break;

		default:
			dump_msg("HD driver::unknown msg", &msg);
			spin("FS::main_loop (invalid msg.type)");
			break;
		}

		send_recv(SEND, src, &msg);
	}
}

/*****************************************************************************
 *                                init_hd
 *****************************************************************************/
/**
 * <Ring 1> Check hard drive, set IRQ handler, enable IRQ and initialize data
 *          structures.
 *****************************************************************************/
PRIVATE void init_hd()
{
	int i;

	/* Get the number of drives from the BIOS data area */
	u8 * pNrDrives = (u8*)(0x475);
	printl("NrDrives:%d.\n", *pNrDrives);
	assert(*pNrDrives);

	put_irq_handler(AT_WINI_IRQ, hd_handler);
	enable_irq(CASCADE_IRQ);
	enable_irq(AT_WINI_IRQ);

	for (i = 0; i < (sizeof(hd_info) / sizeof(hd_info[0])); i++)
		memset(&hd_info[i], 0, sizeof(hd_info[0]));
	hd_info[0].open_cnt = 0;
}

/*****************************************************************************
 *                                hd_open
 *****************************************************************************/
/**
 * <Ring 1> This routine handles DEV_OPEN message. It identify the drive
 * of the given device and read the partition table of the drive if it
 * has not been read.
 * 
 * @param device The device to be opened.
 *****************************************************************************/
PRIVATE void hd_open(int device)
{
	int drive = DRV_OF_DEV(device);
	assert(drive == 0);	/* only one drive */

	hd_identify(drive);

	if (hd_info[drive].open_cnt++ == 0) {
		partition(drive * (NR_PART_PER_DRIVE + 1), P_PRIMARY);
		print_hdinfo(&hd_info[drive]);
	}
}

/*****************************************************************************
 *                                hd_close
 *****************************************************************************/
/**
 * <Ring 1> This routine handles DEV_CLOSE message. 
 * 
 * @param device The device to be opened.
 *****************************************************************************/
PRIVATE void hd_close(int device)
{
	int drive = DRV_OF_DEV(device);
	assert(drive == 0);	/* only one drive */

	hd_info[drive].open_cnt--;
}


/*****************************************************************************
 *                                hd_rdwt
 *****************************************************************************/
/**
 * <Ring 1> This routine handles DEV_READ and DEV_WRITE message.
 * 
 * @param p Message ptr.
 *****************************************************************************/
PRIVATE void hd_rdwt(MESSAGE * p)
{
	int drive = DRV_OF_DEV(p->DEVICE);

	u64 pos = p->POSITION;
	assert((pos >> SECTOR_SIZE_SHIFT) < (1 << 31));

	/**
	 * We only allow to R/W from a SECTOR boundary:
	 */
	assert((pos & 0x1FF) == 0);

	u32 sect_nr = (u32)(pos >> SECTOR_SIZE_SHIFT); /* pos / SECTOR_SIZE */
	int logidx = (p->DEVICE - MINOR_hd1a) % NR_SUB_PER_DRIVE;
	sect_nr += p->DEVICE < MAX_PRIM ?
		hd_info[drive].primary[p->DEVICE].base :
		hd_info[drive].logical[logidx].base;

	struct hd_cmd cmd;
	cmd.features	= 0;
	cmd.count	= (p->CNT + SECTOR_SIZE - 1) / SECTOR_SIZE;
	cmd.lba_low	= sect_nr & 0xFF;
	cmd.lba_mid	= (sect_nr >>  8) & 0xFF;
	cmd.lba_high	= (sect_nr >> 16) & 0xFF;
	cmd.device	= MAKE_DEVICE_REG(1, drive, (sect_nr >> 24) & 0xF);
	cmd.command	= (p->type == DEV_READ) ? ATA_READ : ATA_WRITE;
	hd_cmd_out(&cmd);

	int bytes_left = p->CNT;
	void * la = (void*)va2la(p->PROC_NR, p->BUF);

	while (bytes_left) {
		int bytes = min(SECTOR_SIZE, bytes_left);
		if (p->type == DEV_READ) {
			interrupt_wait();
			port_read(REG_DATA, hdbuf, SECTOR_SIZE);
			phys_copy(la, (void*)va2la(TASK_HD, hdbuf), bytes);
		}
		else {
			if (!waitfor(STATUS_DRQ, STATUS_DRQ, HD_TIMEOUT))
				panic("hd writing error.");

			port_write(REG_DATA, la, bytes);
			interrupt_wait();
		}
		bytes_left -= SECTOR_SIZE;
		la += SECTOR_SIZE;
	}
}															


/*****************************************************************************
 *                                hd_ioctl
 *****************************************************************************/
/**
 * <Ring 1> This routine handles the DEV_IOCTL message.
 * 
 * @param p  Ptr to the MESSAGE.
 *****************************************************************************/
PRIVATE void hd_ioctl(MESSAGE * p)
{
	int device = p->DEVICE;
	int drive = DRV_OF_DEV(device);

	struct hd_info * hdi = &hd_info[drive];

	if (p->REQUEST == DIOCTL_GET_GEO) {
		void * dst = va2la(p->PROC_NR, p->BUF);
		void * src = va2la(TASK_HD,
				   device < MAX_PRIM ?
				   &hdi->primary[device] :
				   &hdi->logical[(device - MINOR_hd1a) %
						NR_SUB_PER_DRIVE]);

		phys_copy(dst, src, sizeof(struct part_info));
	}
	else {
		assert(0);
	}
}