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硬盘固件的研究与仿真设计 　　【 摘 要 】 文章对硬盘固件的概念及其在硬盘当中的作用做了简要概括，对硬盘固件的内部构造进行了详细的探寻。在此基础之上，研究了其与主板控制器之间的通信流程，在对硬盘固件与主板通信协议详细研究的基础之上，通过相关技术方案，完成协议包的解析与组装，实现对硬盘固件的仿真；最后结合相关背景，对硬盘固件仿真相关的功能扩展进行了介绍，并对其相关应用领域进行了展望。 　　【 关键词 】 硬盘固件；通信协议；仿真实现；磁盘状态机 　　1 引言 　　2015年2月，卡巴斯基对NAS硬盘固件病毒的曝光，打破了人们对于传统病毒的认识，硬盘固件病毒开始进行大众的视线。而硬盘固件病毒又与普通的计算机病毒存在着相当大的差异：普通计算机病毒基于计算机操作系统及相关的网络通讯协议，而触发式硬盘固件病毒的发作其所依赖的最基本的因素是硬盘固件与主板的通信协议。为此硬盘固件通信协议的研究将成为防治硬盘固件病毒的关键任务。 　　数据恢复行业一直作为高精尖的行业，让多少计算机相关的业内人士望尘莫及。如何推动数据恢复行业教育的普及化，进而推动我国信息产业、数字化产业的发展，也成为本文硬盘固件通信技术研究与仿真实现所关注的重点。通过本文硬盘固件的通信协议的研究及硬盘固件仿真的实现，可以实现虚拟磁盘，并为数据恢复行业提供多样、丰富的样例库，关键是可以提供统一的故障样例，此项研究将对数据恢复行业的发展产生一定的影响。 　　为此，本文在介绍硬盘固件的相关构造的基础之上，对其与主板之间通信的通信方式进行了相关的研究，以此为基础，完成对硬盘固件与主板间通信协议的研究，进而完成对硬盘固件通信协议的仿真实现。最后，基于固件通信协议的仿真，对仿真模型功能进行了扩展，并对其应用领域进行了总结。 　　2 硬盘固件 　　2.1 概念与分布 　　硬盘固件是指存放硬盘控制逻辑、及相关状态信息的模块。固件模块大部分分布在硬盘负磁道（俗称“用户保留区”），也有部分硬盘固件模块分布在硬盘电路板上的ROM当中。硬盘固件公布如图1所示。 　　2.2 系统保留区固件模块的分布 　　系统保留区通过0号模块完成对其它模块的定位等操作。保留区的具体模块分布情况如图2所示。 　　2.3 在硬盘中的作用 　　在硬盘通电之后，先读取ROM模块中的内容并执行相关操作，然后根据ROM中的相关信息读取系统保留区当中的0号模块，根据此模块记录的相关信息读取系统保留区内的内容，读取硬盘状态相关的参数信息，最后通过对主板控制器发过来的硬盘识别信号的处理，完成硬盘的识别，识别之后，即可以进行硬盘的读写操作。具体硬盘启动过程如图3所示。 　　3 固件与主板间的通信流程 　　以“硬盘识别”通信功能为例，具体识别过程用通信时序图表述如4所示。 　　处理过程：a） 操作系统将硬盘识别信号经过应用层到驱动层的层层转换，最后将相关识别请求信号传送至主板控制器；b） 控制器根据从主板传过来的硬盘识别信号，再结合相关协议，完成硬盘识别信号通信包的组装，转而经过硬盘数据线将通信包传送至硬盘固件的相关接口当中；c） 硬盘固件在收到相关的硬盘识别信号之后，首先进行请求包的协议解析，提取相应的操作控制码， 确定请求包的类型为“硬盘识别信号”；d） 硬盘固件调用内部相关接口，组装相应的“硬盘识别”应答包，将组好的包返回给硬盘控制器；e） 硬盘控制器经过对应答包的解析转换，最后将应答包转发给操作系统；f） 操作系统根据“硬盘识别信号”的应答，执行相关的操作，完成硬盘识别的整个过程，在系统当中显示硬盘盘符。 　　4 协议通信流程的解析 　　硬盘固件通信协议与网络通信协议TCP/IP协议类似， 采用分层的概念对通信包进行分层处理，具体相关分层如图5所示。 　　4.1 命令层 　　HOST端，读取相关“命令寄存器”的值，根据值组装相关的命令，下传至传输层进行处理；处理应答，在接收到传输层过来的应答时，根据解析出来的命令对相关的寄存器进行填充。DEVICE端在执行接收与发送的过程当中与HOST端类似。 　　4.2 传输层 　　HOST端的传输层，在收到命令层发送过来的指令之后，根据命令类型，结合相关协议规范，选择不同的帧格式，进行数据帧的组装，组装完成之后，下传至链路层，由链路层进一步处理；传输层在收到链路层传输过来的数据包之后，根据相关协议规范进行解析，提取出数据包中包含的命令信息及其附属信息之后，将其一并发送到命令层，接着由命令层进行处理。DEVICE端的处理过程与HOST端的处理过程类似。 　　4.3 链路层 　　HOST端的链路层，在收到传输层下传的命令之后，根据相关协议加上包头、包尾，并在数据末尾加上CRC校验等相关信息之后下传至物理屋，由物理层继续进行相关的处理；链路层在