数据恢复深度技术：单片机硬盘扇区读写工具

硬盘爱好者 · 发表于 2014-3-27 14:58:19

　　在数据恢复实际工作中，当计算机不认硬盘，或者硬盘的坏道较多，计算机无法做镜像时，需要用额外的设备工具来读取硬盘数据，或者维修硬盘的固件使硬盘复活。这种比较专业的操作，数据恢复工程师一般使用PC3000这类的专业工具来做，但是这些工具价格上都比较贵，对偶尔遇到硬盘物理故障需要修复硬盘恢复数据的用户来说，成本偏高。有没有既便宜又好用的方法呢?其实只要掌握一些单片机编程和基础的电子线路知识，是完全可以自己DIY一个读写硬盘数据的小工具的，如果结合一些硬盘维修指令的知识，这个小工具也能修修硬盘。
　　单片机由于其成本低廉，性能可靠，在工业控制领域广泛运用，而且现在的单片机开发环境也比较简单易用，用C语言就可以编程。因此采用单片机来读写硬盘，是个不错的选择，唯一的缺点就是速度太慢，这个算是代价吧。
　　常用的单片机一般都是8位机，例如8051系列、PIC系列、AVR系列等，低速的DSP也可以看做是16位的单片机，一些32位的ARM片子，如果不上操作系统，也可当做单片机用，就是资源比较丰富而已。我们这里先采用8位的AVR单片机来做这个小工具。基本的思路就是用AVR的Mega16单片机的IO口，读写硬盘的IO口、控制线和地址线。但是Mega16的每个IO口是8位，硬盘的数据线是16位，需要做IO的扩展，将8位数据线扩展成16位数据线，来读写硬盘。
　　IO扩展可以用CPLD或者像8255之类的扩展芯片，用CPLD比较灵活，但是涉及到硬件描述语言HDL的编程和下载调试，比较复杂。采用8255比较简单，只需要在单片机端编程控制就可以了，但是8255有个缺点，就是在工作模式切换时，IO管脚会全部拉低，此时，接到硬盘复位管脚上的信号也被拉低，引起硬盘的意外复位。因此需要采用一个倒相器，将8255输出的硬盘控制信号反相，这样当8255输出口全部拉低时，硬盘复位信号经倒相器后处于拉高状态，就不会引起硬盘的意外复位了。8255的具体使用和倒相器的连接见下图所示：

　　图1 8255使用说明
　　我们用8255的A口和B口连接到硬盘的16根数据线上，C口的8根线连接到硬盘的地址线和控制线上，通过以前ATA协议的分析，若采用PIO方式读写硬盘，且不考虑IORDY信号，可以只用5根地址线(CS1、CS0、DA2、DA1、DA0)和三根控制线(IOW、IOR和RESET)来实现PIO模式下的寄存器传输和数据传输。因此，可利用8255的C口来实现。大家要是有人分析过PC3000的PCI版，就会发现，ACE也是这个思路，只是他用的是复杂一些的xilinx FPGA和245芯片实现罢了。再来看一下倒相器的使用：

　　图2 倒相器
　　采用的是74HC04，将RST信号，IOW和IOR信号，CS1和CS0信号接到反相器，保证了8255模式切换时，不会引起硬盘的误操作。
　　在核心的单片机端，使用了PA口的8根IO连接到8255的数据线，PB口的5根IO连接到8255的控制线和地址线。具体看下图：

　　图3 Mega16单片机
　　除了PA和PB口外，PC口用于连接到JTAG调试端，实现在线调试。PD口用于连接串口输出，用于调试和观察硬盘数据。
　　按照原理图绘制电路板，画好的电路板效果图为：

　　图4 电路效果图
　　板子制作好调通，剩下的工作就是单片机编程了，采用C语言来实现是比较简单的，主要就是硬盘寄存器的读写，比如状态寄存器和命令寄存器等，结合PIO时序要求，编写相应的程序就行了，如果有示波器，可以看一下控制管脚输出信号的时序，对加快软件调试非常有用。后续文章会进一步讲解单片机读写硬盘的编程知识。
　　将程序编好调试好后，通过JTAG或ISP接口下载到单片机当中，就完成了单片机读写硬盘小工具的制作，利用这个小工具，可以进一步学习ATA协议和硬盘维修指令，提高数据恢复技能。