在现代计算机系统逐渐淘汰并行 ATA（PATA）接口的背景下，连接上世纪八九十年代的 IDE 硬盘进行数据恢复或历史存档成为一项具有挑战性的工程问题。传统 USB 转 IDE 桥接芯片针对现代 LBA（逻辑块寻址）硬盘设计，无法正确识别仅支持 CHS（柱面 - 磁头 - 扇区）寻址的老旧 PATA 设备。ATAboy 项目作为开源硬件解决方案，通过在固件层面实现完整的 CHS 协议栈与 PIO Mode 0 时序兼容，为这一工程难题提供了可复现的实现范本。
CHS 模式硬盘的技术特殊性
早期的 ATA 接口规范在 LBA 成为标准之前，硬盘寻址完全依赖 CHS 三元组。一块典型的 40 MB IDE 硬盘可能使用 977 个柱面、5 个磁头和 17 个扇区的几何参数，总容量计算公式为 977 × 5 × 17 × 512 = 42.7 MB。这类硬盘的 IDENTIFY DEVICE 命令返回的数据中，LBA 字段为零或无效，BIOS 需要手动输入完全匹配的几何参数才能正确访问全部扇区。现代 USB 转 IDE 桥接器假设所有硬盘均支持 LBA48 或 LBA28，当遇到 CHS-only 设备时，要么拒绝枚举，要么将 CHS 错误映射为 LBA 地址空间，导致数据读取错位甚至完全无法识别。
从协议层面理解，CHS 寻址需要主机在每次 ATA 操作前向设备写入目标柱面号、磁头号和扇区号。ATA-1 规范定义的 PIO Mode 0 传输速率为 3.3 MB/s，要求数据 Setup 时间、Hold 时间以及设备响应延迟均符合严格的时序窗口。多数桥接芯片的固件采用固定超时与固定时序参数，无法适应老旧硬盘可能存在的信号完整性问题与电机启动延迟。
ATAboy 的硬件架构设计
ATAboy 项目选用 Raspberry Pi RP2350 微控制器作为核心芯片，该芯片基于 ARM Cortex-M33 架构，主频可达 150 MHz，具备足够的计算能力同时处理 USB 设备协议栈与 ATA 主机端通信。RP2350 的 GPIO 引脚可直接连接 40 针 IDE 接口，无需额外的 PATA 控制器芯片。USB 端采用 USB-C 连接器，仅承担数据传输功能，硬盘的 5 V/12 V 供电需要外部电源适配器提供，这对于 3.5 英寸桌面硬盘尤为必要。
硬件层面的关键设计要点包括：IDE 接口的复位信号需要通过 GPIO 编程控制，以确保上电时序符合 ATA 规范要求的至少 25 µs 复位脉冲宽度；数据总线的 8 位 / 16 位模式切换通过 IDE/CS0 和 IDE/CS1 片选信号配合实现；中断请求（IRQ）信号需要配置为输入模式并启用下降沿触发，以便及时响应硬盘的状态变化。
固件架构采用分层设计：底层为 ATA 命令发送与接收模块，实现完整的 PIO Mode 0 时序控制，包括命令寄存器写入、数据寄存器读写以及状态寄存器轮询；中间层为 CHS-LBA 翻译引擎，根据用户配置的几何参数或自动检测结果进行地址转换；顶层为 USB Mass Storage 类设备驱动，将翻译后的逻辑块地址空间映射为标准 SCSI 透明命令集。
固件层面的 CHS 兼容实现
ATAboy 固件的核心创新在于其 CHS 处理流程。当目标硬盘接入后，固件首先执行 ATA IDENTIFY DEVICE 命令，解析返回的 512 字节数据结构。如果返回的 word 60（可寻址的最大 LBA 扇区数）非零，说明硬盘支持 LBA 寻址，桥接器可直接使用 LBA 模式访问。若该字段为零而 word 1（标称未格式化容量）有效，则判定为 CHS-only 设备，固件从 word 54（当前磁道上的扇区数）、word 55（当前磁头数）和 word 56（当前柱面数）读取设备报告的几何参数。
对于 BIOS 兼容场景，ATAboy 提供了手动几何参数输入功能。用户可通过串行终端进入类似 Award BIOS 的文本配置界面，输入任意柱面数、磁头数和扇区数组合。固件将根据这些参数构建 CHS 到 LBA 的线性映射表：当主机请求读取特定 LBA 地址时，固件将其除以每磁道扇区数得到柱面余数，再对磁头数取模得到磁头号，最后对每磁道扇区数取模得到扇区号。这一映射关系与 DOS/Windows 时代的 BIOS CHS 翻译逻辑完全一致。
固件还实现了 PIO Mode 0 的精确时序控制。通过配置 RP2350 的 GPIO 输出延迟，确保在写入命令寄存器后至少等待 600 ns 再读取状态寄存器进行轮询，这一参数对应 ATA-1 规范中 PIO Mode 0 的 t1 和 t2 时序要求。对于信号质量较差的 vintage 硬盘，可通过调整超时阈值和重试次数提高读取成功率。
工程实践中的关键参数
基于 ATAboy 的设计经验，以下参数可供同类项目参考：IDE 复位信号宽度建议设置为 50 µs 以确保兼容性；PIO Mode 0 的数据轮询超时建议设为 30 µs；CHS-only 硬盘的 IDENTIFY 超时建议设为 500 ms 以适应老旧电机；扇区读取重试次数建议不少于 3 次；USB 批量传输的最大 LUN 数量设为 1。
对于数据恢复场景，建议先使用自动检测功能获取设备几何参数，记录 IDENTIFY 数据中的序列号和型号信息以供后续比对。若自动检测失败，可通过手动输入 BIOS 时代的典型几何参数（如 977/5/17、615/4/17 等）尝试访问。对于 40 MB 以下的小容量硬盘，通常使用 6-8 位磁头数即可覆盖全部容量。
与传统桥接器的对比优势
市售的通用 USB 转 IDE 桥接器通常基于 Genesys Logic GL811E 或类似的单芯片方案，这些芯片的固件针对 1998 年以后的 LBA 硬盘优化，不包含 CHS 协议处理逻辑。实测表明，使用 GL811E 桥接器连接 IBM DPES-31080 等 CHS-only 硬盘时，设备管理器中显示为 “无法识别的 USB 设备”，或者识别为 8 GB 容量但读取时出现 I/O 错误。ATAboy 通过固件层面的协议兼容性弥补了这一差距，可在现代 Windows、Linux 和 macOS 系统上将 CHS 硬盘正确识别为标准 USB 存储设备。
该项目的开源特性也便于社区根据特定硬盘型号进行固件定制。对于需要处理非标准几何参数的特种设备，用户可直接修改 CHS 映射表中的参数，无需等待厂商固件更新。