Apple Disk II 控制器卡

# 神奇的 Disk II 控制器卡 来源：https://www.bigmessowires.com/2021/11/12/the-amazing-disk-ii-controller-card/ 在 Apple II 磁盘的世界里，磁盘控制器卡主要分为两大类：原始的 Disk II 控制器（及其克隆），以及其他一切。两者各有其用武之地。“其他一切”类别包括 Apple 3.5 磁盘控制器卡、Liron 卡、SCSI 卡、IDE 卡等等。这些卡提供了一套标准 API，让软件能够读写块、获取驱动器状态、格式化磁盘，而无需软件了解磁盘的实际工作原理。这些卡内置了智能逻辑来处理底层细节。相比之下，原始的 Disk II 控制器卡则简单到极致，迫使软件几乎处理所有底层细节。然而，它在其时代是一项令人惊叹的技术。 早期 Apple II 型号没有内置软盘支持。Disk II 控制器被巧妙地设计出来，以极低的成本添加了这一缺失的支持，这也是 Apple II 电脑如此受欢迎的主要原因之一。这款磁盘控制器比当时任何竞争对手都更简单、更便宜、更灵活，并且全面更优。它是 Woz 式“能做到”技术的终极典范。 **软盘基础 101** 软盘只是一个带有磁性涂层的塑料圆盘。加载到驱动器中后，磁盘以大约 300 RPM 的速度旋转。一个步进电机将读/写头从磁盘中心线性移动到外缘。这种布局提供了几十个同心圆环，可以在上面存储连续的 1 和 0 数据流。 如何从这些基础概念过渡到字节、磁道和扇区这样的高级概念？逻辑数据字节是如何编码成磁盘上的位模式的？读取磁盘时，位是如何被分组成字节的？如何找到零磁道或扇区之间的边界？在 1970 年代，对这些问题的传统答案是需要额外的硬件，而且很多。这使得磁盘控制器和驱动器本身复杂且昂贵，对于廉价的家用电脑系统来说几乎遥不可及。 1977 年末，苹果公司开始寻求替代盒式磁带数据存储的方案，并开始研究 Apple II 的软盘驱动器选项。当时他们仍然是一家规模不大且未经证实的公司，Apple II 上市也才大约六个月。Woz 对软盘主题了解不多，但他同意接受挑战。 Woz 的方法是移除几乎所有控制磁盘的硬件，采用类似于位碰撞（bit-banging）的软件驱动方法。苹果公司找到了 5.25 英寸软盘驱动器的发明者 Shugart，并要求提供 Shugart SA400 驱动器的精简版，移除了大部分控制电子设备。它只是一个简单的机械装置，带有一个用于旋转磁盘的电机和一个用于移动读/写头的步进电机。传说中，整个 Disk II 硬件设计由 Woz 和 Randy Wigginton 在 1977 年圣诞节假期期间仅用几周时间构思并构建，包括编写第一个版本的 DOS，并且这个可工作的磁盘驱动器在 1978 年 1 月的 CES 上进行了演示。苹果工程师 Cliff Huston 和 Wendell Sander 提供了额外帮助。40 多年后，我仍然对这个小型团队如此迅速地让一切正常工作感到惊讶。 几年前，我向 Woz 询问了 Disk II 的开发情况，他这样说道： > 我不知道我是如何想出那个不可思议的磁盘控制器的。我很擅长创作任何电子方面的东西，无论是模拟还是数字。我以前没有任何关于磁盘硬件或软件的经验，甚至没有上过相关课程。所以我的思考必须从零开始。我必须感知来自磁盘的数据，并根据时序做出关于 0 和 1 的决定。我在伯克利上过一门关于状态机的研究生课程（虽然我是本科生，但在大学里我只修所有与计算机相关的任何课程），我想到了如何使用两个简单廉价的芯片作为状态机来做这件事，有点像手工构建一个微小的微处理器。当时我只知道它能读写数据，但我以为我遗漏了许多磁盘控制器的组成部分，因为我不知道它们的功能。我这么以为是因为我的设计用了很少的部件。但最终，我的设计在某些方面做得更多，尤其是因为它位于计算机内部，并与可以改变其工作方式的软件绑定，这最终导致了更大的存储容量和更快的速度，这是使用普通磁盘无法实现的。此外，我从驱动器本身拆掉了大约 20 个芯片，并通过我自己的控制器绕过了它们，因为它们只是碍事的中介。我做得最好的工作，一次又一次，部分是由于没有钱，不得不学习如何使用最少的零件，也是由于我创造的每一件伟大的东西都是我以前从未做过的。 **Disk II 控制器巡礼** Disk II 控制器卡基本上只是一个花哨的移位寄存器。它知道如何以每 4 微秒 1 位的固定速率读写位。该卡还有一个微型 256 字节 ROM，其中包含在计算机首次启动时运行的自举代码。这是一个最小的 6502 程序，仅具备足够的智能来定位磁道 0、扇区 0，将其加载到计算机内存中，然后执行它。磁盘控制的每一个其他方面都由软件处理。 该卡只包含八个简单的芯片。有一个 256 字节的 ROM 包含自举代码，以及第二个 256 字节的 ROM 用作状态机的一部分（稍后会详细介绍）。还有一个 74LS174 六路触发器为状态机提供输入。一个 74LS323 八位移位寄存器是整个设计的核心。一个 74LS259 可寻址锁存器用于存储电机和驱动器 1 或 2 选择的期望状态。还有一个 556 双定时器，以及一个 74LS05 六反相器和 74LS132 四输入与非门，用于提供一些必要的粘合逻辑。就是这样。这就是整个磁盘控制器。以下是原理图： 让我们逐一分析软盘 I/O 的挑战，并看看 Disk II 控制器设计如何解决它们。 **挑战 #1：字节帧同步。** 来自磁盘的数据是一个连续的 1 和 0 流，没有起始位或停止位。那么如何知道一个字节在哪里结束，下一个字节在哪里开始？Woz 的解决方案是要求写入磁盘的每个字节的最高有效位（MSB）为 1。在读取磁盘时，状态机从磁盘一次取一个位，将移位寄存器左移一位，并在右侧附加新位。它一直持续到最左边的位位置包含一个 1，此时状态机会说：“啊哈！这是一个完整的字节！”然后 CPU 存储该字节，过程重新开始。当 MSB 变为 1 后，状态机会清除移位寄存器，以便为下一个字节移入八位做好准备。 仅靠这个解决方案还不够。如果状态机从实际上是字节中间的位置开始读取位，它可能会错误地将字节中间的 1 位解释为 MSB 位置的 1 位。但这种方案确保如果状态机恰好一次正确获取了字节帧同步（无论是靠运气还是其他方法），那么从此之后它将保持正确。因此，挑战在于在开始读取磁盘数据之前找到一种保证帧同步正确的方法。 传统的解决方案是在每个扇区之前向磁盘写入一种特殊的 50 位模式，即所谓的同步字节。这些实际上根本不是字节，而是一个 10 位模式 1111111100 重复五次。这种模式有一个有趣的特性：无论字节帧同步最初在何处，只要遵循前面描述的状态机规则，最多重复五次该模式后，就会进入正确的同步。这个解决方案完全由软件驱动，仅仅是一种约定。硬件本身没有任何机制来保证正确的字节帧同步。还有其他确保帧同步的方法，Apple II 复制保护方案中出现的许多离奇丰富性就源于许多游戏中自定义 I/O 例程所采用的不同帧同步方法。 **挑战 #2：字节编码。** 如果写入磁盘的每个字节的 MSB 必须为 1，那么如何写入一个零字节，或者任何其他值小于 128 的字节？还有其他限制：写入磁盘的每个字节不能有超过两个连续的零位。如果有三个连续的零位，磁盘硬件无法可靠地读回数据。鉴于这两个要求，只有 66 个可能的 8 位值被允许写入磁盘。那么任意的 8 位值如何存储呢？ 答案是将逻辑上的 8 位字节拆分，并将其位作为子组存储到多个磁盘字节中。这样做的标准方法是称为“6-and-2”的 GCR 编码方案。由于磁盘字节有 66 个可能值，并且有两个保留值，因此剩下 64 个可能的磁盘字节用于编码数据。64 是 2 的 6 次方，所以每个磁盘字节可以编码六位逻辑数据。一系列三个磁盘字节可以编码三个逻辑字节的前六位，最后一个第四磁盘字节可以编码这三个逻辑字节的后两位，连接在一起。这意味着存储在磁盘上的字节数是逻辑字节数的 4/3 倍，忽略标头、校验和和填充。 你可能会想，Disk II 控制器自举代码是如何完成扇区 0、磁道 0 的 GCR 解码的。乍一看，这似乎需要在 ROM 中存储一个 64 条目的反向查找表，而这已经占用了非常有限的 ROM 空间的四分之一。实际上，自举代码使用了一个更巧妙的方法，在 RAM 中动态构建了一个 256 条目的正向查找表 (https://6502disassembly.com/a2-rom/C600ROM.html)，仅用了 30 字节的 6502 代码！ Apple II 软盘字节编码随着时间的推移而演变，导致扇区数和总磁盘容量的变化。第一个版本的 Disk II 控制器卡不允许向磁盘写入任何连续的零。这进一步限制了可能的磁盘字节数，并迫使使用效率较低的“5-and-3”编码方案。每磁道只能容纳 13 个扇区，导致总磁盘容量为 114 KB。Apple DOS 3.1 和 3.2 使用了 5-and-3 方案。最终，Woz 或他的一位团队成员意识到，通过对状态机进行一个小小的更改，就可以可靠地读取两个连续的零。只需要更改状态机 ROM 的内容，本质上就是修复了一个小错误，以使位时序测量更可靠。Disk II 控制器不需要任何硬件更改。从 DOS 3.3 开始引入了更高效的 6-and-2 方案，带来了我们现在熟悉的每磁道 16 扇区和 140K 磁盘。 与字节帧同步一样，整个编码方案纯粹是一种软件约定。硬件本身没有任何东西实现 6-and-2 或 5-and-3 或任何其他编码方法。扇区 0 磁道 0 必须使用 6-and-2 编码，因为这是 ROM 自举代码所期望的，但之后任何方式都可以。软件可以自由使用任何其他编码方案，许多受复制保护的程序使用新颖的编码方案来混淆其工作原理。 **挑战 #3：扇区化。** 一旦你将比特流正确帧同步为磁盘字节，并将磁盘字节正确解码为逻辑字节，你如何理解这些数据？这是一个环形缓冲区，那么如何知道数据的开始和结束？1970 年代的软盘通常使用在磁盘圆周上以规则间隔打的一个或多个小孔。在磁盘的防尘套上切一个小开口，以便在索引孔经过下方时露出它们。磁盘驱动器内部的硬件感应到当磁盘旋转时这些孔经过，这些信息用于确定新磁道或新扇区的开始位置。 很容易看出为什么这可能不受欢迎。感应孔的硬件增加了额外的复杂性和成本。而且，对于每个扇区都有一个孔的硬扇区软盘，扇区数量成为硬件设计的一部分，无法更改。苹果从 13 扇区格式转向 16 扇区格式，在硬扇区磁盘上是不可能的。 Disk II 设计采用软件驱动的方法进行扇区化。磁盘上的任何索引孔都被忽略。当它想在当前磁道上找到特定扇区时，计算机开始读取字节，忽略它看到的一切，直到找到三字节序列 D5 AA 96。这个签名标记了磁盘上新扇区的开始，它可能是整个 Apple II 秘传王国中最著名的字节序列。我办公室的墙上挂着一张 5.25 英寸软盘，上面有 Woz 亲笔签名的 D5 AA 96 问候语： 在这个签名之后是一个简短的扇区标头，其中包含扇区号等信息。如果这是计算机正在寻找的扇区号，那么它会读取后面的字节。如果不是正确的扇区，它会继续寻找另一个 D5 AA 96 来指示下一个扇区的开始，然后再次尝试。 这整个操作——你猜对了——纯粹是一种软件约定。D5 AA 96 签名、扇区标头、扇区长度以及其它一切都仅仅是约定。Disk II 控制器卡的硬件没有任何东西要求软件必须这样做，而有些软件采用了不同的方法。一个众所周知的例子是游戏《波斯王子》，它使用了一种称为 RWTS18 (https://fabiensanglard.net/prince_of_persia/pop_boot.php) 的自定义方案，该方案针对读取而非写入进行了优化，每磁道使用六个 768 字节的扇区，而不是标准的十六个 256 字节的扇区。 **挑战 #4：查找磁道。** 到目前为止，我们只讨论了磁盘上一个同心圆环中的数据。这些圆环通常被称为磁道，但正如我们将看到的，构成一个磁道的精确定义有时可能会很模糊。那么如何在磁道之间切换，或者找到特定磁道？到底有多少磁道？Disk II 及其控制器硬件没有回答这些问题。相反，这一切（跟我一起说）都是由软件驱动的。 在磁盘介质上，并没有“磁道”这种东西——它只是一个没有特征的圆形磁性介质区域。当读/写头保持在一个固定的径向位置，磁盘在下方旋转并写入位时，就创建了磁道。然后磁头向内或向外移动到新的径向位置，并写入新的磁道。 磁头移动由步进电机控制，直接受软件控制。步进电机由四个电磁铁组成，软件可以在任何时刻打开或关闭其中任何一个。一系列永磁体连接在一个齿轮上，该齿轮移动读/写头，通过按正确顺序激活电磁铁，它们可以吸引或排斥永磁体并移动磁头。如果步进电磁铁 0 已接通，然后电磁铁 1 接通而电磁铁 0 断开，磁头将移动一个小的径向距离。然后，如果电磁铁 2 接通而电磁铁 1 断开，磁头将沿相同方向进一步移动。 你能将磁道间距安排到多近？事实证明，通常需要两次这样的磁头移动，才能将磁头移动足够的距离，使一个磁道不会干扰其相邻磁道。如果你试图写入磁道