Кодирование MFM

[vak]

Увлёкся я внезапно флопиками. Сижу, отлаживаю алгоритм цифрового PLL, вспоминаю былое. Прикольно, когда от твоих действий что-то на столе жужжит и щёлкает. 😀 С современными компьютерами мы лишились этого удовольствия.

Кто занимался цифровыми коммуникациями, в курсе разных NRZ, NRZI и прочих манчестеров. Это разные способы кодирования информации в цифровом канале. Флопик устроен ровно как цифровой канал. Каждая отдельно взятая дорожка - как зацикленная грампластинка, с которой непрерывно сыпется сигнал с магнитной головки. Сигнал (физически намагниченность) бывает в одну сторону или в другую. Плюс или минус, а для программистов проще представить как 1 или 0. Я считал сигнал с реального флопика и визуализировал, вот как выглядят 100 микросекунд.

Называется это умным словом MFM. Как образуется такой сигнал? Правила простые. Для ясности сначала сформируем вспомогательный битовый поток, в котором в 2 раза больше битов.

• Хотим передать бит "1" - записываем 0, потом 1.
• Хотим передать бит "0" - записываем не то, что в предыдущем бите. Затем 0.

Получаем смесь единиц и нулей, так что за каждой единицей обязательно идёт 0. Причем подряд может стоять не больше трёх нулей. Когда записываем этот поток на флопик, каждая единица вызывает изменение уровня намагниченности.

В чём прелесть такого кодирования? Имеем гарантированные изменения сигнала не реже чем каждые два бита данных. Но не чаще чем каждый бит. Другая приятность: средний уровень сигнала близкий к 0.5. Первое помогает приёмнику подстроиться к частоте сигнала. Второе даёт возможность точнее выделить фронты.

К примеру, запишем байт 0xA1.


Писать на флопик нетрудно: знай себе формируй нолики и единички по тактовому сигналу. А как быть при считывании? Границы битов нам никто не подскажет. Надо их добыть из самого сигнала.

Что вообще видит приёмный тракт флоповода? А вот что. Это буквально данные, снятые с USB адаптера (или Greaseweazle или другие).

3014, 5000, 6945, 10736, 13084, 15070, 17000, 20042, 23014, 26070, 29139, 31125, 33056, 36125, 39070, 42153, 45209, 47209, 49097, 52195, 55139, 58209, 61278, 63278, 65181, 68278, 71195, 74292, 77334, 79334, 81264, 84306, 87278, 90347, 93403, 95403, 97306, 100389, 103334, 106417, 109459, 111459, 113375, 116417, 119389, 122431, 125514, 127528, 129417, 132528, 135472, 138542, 141597, 143597, 145500, 148556, 151528, 154597, 157653, 159653, 161570, 164639, 167584, 170667, 173709, 175722, 177625, 180709, 183653, 186722, 189792, 191778, 193695, 196750, 199736, 202792, 205847, 207847, 209750, 212834, 215792, 218861, 221903, 223917, 225834, 228903, 231847, 234917, 237959, 239986, 241903, 244959, 247931, 251000, 254028, 256056, 257972, 261028, 263986, 267056, 270097, 272111, 274042, 277097, 280070, 283097, 286167, 288195, 290070, 293181, 296125, 299195, 302236, 304250, 306167, 309250, 312195, 315264, 318292, 320320, 322236, 325306, 328278, 331334, 334375, 336389, 338320, 341389, 344334, 347389, 350445, 352445, 354403, 357431, 360403, ...

Это моменты времени, когда считанный сигнал с флопика меняет полярность. Время измерено в наносекундах, с точностью плюс-минус несколько (десятки) наносекунд. Чуть по разному у разных адаптеров. Из этой каши декодер должен извлечь биты MFM.

Делается это посредством PLL, ала ФАПЧ по русски. Phase Locked Loop или фазовая автоподстройка частоты. В электронике оно обычно делается посредством управляемого генератора, автомагически подстраивающегося к фронтам принимаемого сигнала. Здесь же пришлось провернуть аналогичный фокус программно. Этот алгоритм я когда-то наваял для проекта Megadrive от tnt23 . Здесь же приспособил по месту.

После PLL в приёмнике имеем сырые биты MFM, которые еще предстоит превратить в данные юзера:

   MFM: 0100010010101001
данные:  1 0 1 0 0 0 0 1

Тут возникает очередная проблема: где границы байтов и секторов? Эту задачу разные производители решают по разному. К компьютерах IBM оно сделано одним образом, у Amiga другим, а в древних маках совершенно третьим. Разнообразия вагон. Технически всё решается введением "нарушений" в правила кодирования MFM, изложенные выше. Скажем, убрать один битик при кодировании байта A1. Так делает IBM в заголовке каждого сектора. Приёмник видит такие нарушения и понимает: ага, закончился предыдущий сектор и начинается новый.

Но это на будущее, а пока что я в новоиспечённой утилите fdx сделал считывание флопика в файл в сыром формате MFM. Для архивации это идеальное решение. Разбираться в каком там формате оказался флопик можно потом. Главное - все битики в целости и сохранности. Есть такой формат файлов HFE, не то чтобы стандарт, но широко используемый в узких кругах. Придумали его изначально для аппаратных эмуляторов флопов. В частности для флоповодов Gotek есть соответствующая опенсорсная прошивка. Формат HFE признан библиотекой Конгресса США как архивный.

Пока работает только считывание флопов в файлы HFE. Запись как нибудь потом.

Comments

[dimorlus]

Главное преимущество такого кодирования - это то, что у сигнала нет постоянной составляющей, он проходит через трансформаторы, эфир, магнитные головки, и т. п. Я когда-то, лет 10 тому, PLL программный при приеме DALI делал. Там упрощалось тем, что каждый фрейм отделялся от остальных просто банальной DC паузой, а усложнялось тем, что надо было это делать программно и в реальном времени. Частота не высокая, 1200 бод, я это опросом ножки с десятикратной частотой по прерыванию от таймера решал. На тех же ножках еще аппаратный UART на 4800 был, оно само определяло что там. У меня там комменты примерно как ваши картинки.

[vak]

Постоянная составляющая это головная боль, верно. Потому что именно по сравнению со средним уровнем компаратор ловит фронты. Если средний уровень плывёт, фронты разъезжаются, сигналы расплываются.

Здесь постоянная составляющая не идеальная, но терпимая. Бывают и получше кодирования.

[dimorlus]

Для приема UART я делал следящий компаратор. У меня по одним и тем же проводам с одним и тем же железом работал и DALI на 1200 и UART на 4800 (и довольно далеко, на сотни метров). Приемники устройств там были простые, по сути просто оптопара, потому что передатчик хоста конкретно обнулял линию, а вот передатчики устройств коротили линию (хост - источник тока, собственно абсолютно тоже и в стандарте DALI, у меня только немного отличались цифры, типа полампера вместо четверти у DALI), и чтобы хосту выловить что там передает устройство такой компаратор и нужен был. Конкретно для DALI манчестер ничего полезного не делает, только требует или аппаратного декодера, или довольно шустрого процессора. Но вот отсутствие постоянной составляющей у закодированного манчестером - да, очень полезное свойство.

[juan_gandhi]

Вкусно!

[sassa_nf]

> Гарантировано каждую микросекунду получаем изменение уровня

Eh?...

> MFM: 0100010010101001

^^^000

[vak]

Это я промахнулся, да. Изменение уровня в среднем на два интервала, то есть две микросекунды. Но иногда оно в начале, иногда посередине, поэтому до трёх интервалов между фронтами.

[realwired]

Без проверки контрольной суммы сектора смысл архивирования кроме как для отладочных целей сомнителен.

[vak]

Если у Венеры Милосской не сходится контрольная сумма из-за отсутствия рук, не станем же мы выкидывать её из музея. 😀

Архивируем флопики на уровне MFM, максимально сохраняя все биты, присутствующие на носителе. Включая разнообразные методы защиты от копирования, что народ наизобретал в то время. Имея архивную копию, уже можно разбираться, что там с секторами и контрольными суммами.

[dimorlus]

Там же, кажется, защиту строили на том, что какой-то участок читался раз так, раз иначе, именно чтобы "побитная" копия не работала. Венера должна не просто с руками быть, но руки шевелиться должны.

[realwired]

Много было разных защит. От нестандартной разметки до да, хитрой порчи MFM.

[dimorlus]

Вроде как, если средний массовый флопповод читает такое нестандартное, то и скопировать может. А вот если определенное место то так читается, то сяк, то на обычном флопповоде это не копируется. Кажется что-то такое и на CD практиковали. Ломали, правда, все.

[realwired]

Неправильно фундаментально.

Принцип совсем другой - "легко прочесть - но сложно записать".

Причем такой фокус можно провернуть на совершенно стандартном дисководе. Один из путей - они имеют естественный разброс скорости вращения, он невелик, но измеряем и уникален. Были такие защиты.

Слабые биты - которые читаются и так, и сяк тоже можно записать на стандартном приводе. Зависит от контроллера, но именно один из наиболее распространенных, от Интел, позволял такое.

[dimorlus]

Что-то я не понимаю как можно построить защиту на разбросе между дисководами. Задача же, чтобы оригинальная дискета надежно читалась на всех дисководах, но отличалась от своей копии, в том числе "побитной". Если это как-то достигнуто, то побитный образ, также точно восстановленный, не заработает (будет посчитан пиратской копией) и ценность его хранения заметно снижается. Впрочем, защита от копирования вообще плохо согласуется с созданием архивных копий.

[realwired]

Защита от Western Security умела это делать. Если правильно помню - полное чтение дорожки, т.е. читался и шум перед/после данных, это позволяло получить искомые тайминг.

[dimorlus]

Тайминг чего? Вообще, аппаратно манчестер делается довольно просто. Туда - просто xor тактов с датой, обратно - pll, восстанавливающий такт, и после него тот же xor. Требования к точности и стабильности такта - +/- лапоть.

[realwired]

Вы ничего не поняли :( каким боком тут манчестер?
Я же вам указал, где детали реализации -
Защита от Western Security

[realwired]

Внешние магнитные носители всегда читаются с некоторым количеством ошибок.

Лучший учитель - практика. С ней и спорьте - сохраняет ли один проход MFM максимально ВСЕ биты.

[vak]

Верно, поэтому формат HFE позволяет хранить несколько проходов MFM.

[dimorlus]

Кстати, по поводу эмулятора FDD, китайцы давно (и до сих пор) продают такие эмуляторы около $10, в принципе они для каких-то вязальных, и вроде того машин, но я такой когда-то в осциллоскоп LeCroy LT344L или что-то из этой же серии ставил. Корпус их пришлось выкинуть, сделать что-то свое из FR4 (там, в скопе, какой-то совсем миниатюрный флопповод), и кажется я еще какой-то переходник на кабель находил и покупал. Там еще была программка для работы с USB флешкой на компе. Работало. Но там формат флоппика PCшный, конечно.
PS И на гитхабе похожий проект есть.

[vak]

У меня тоже такой есть. Полезно иметь под рукой. Всё не соберусь залить туда опенсорсную прошивку.

https://hxc2001.com/docs/gotek-floppy-emulator-hxc-firmware/pages/firmware-update.html

Когда все механические флопики заржавеют от старости, перейдём на готеки. 😀

Готек с опенсорсной прошивкой любые форматы поддерживает, не только писишные.

[dimorlus]

У нас тут, на берегу Средиземного моря, ржавеет все изрядно быстро, да и сами флопики не то сдохли, не то сразу какими-то калечными были, в общем такие эмуляторы для всякой старой, но еще актуальной техники - спасение. Еще полно приборов, станков, и т. п. с флопами. Популярной тема оказалась.

[sassa_nf]

> убрать один битик при кодировании байта A1

Not drop, but corrupt.

Eg p, q, r, s get recorded as p, p nor q, q, q nor r, r, r nor s, s. Now, if p, q, r, s are 0, then the bits between them are 1, and they act as a check that all are 0. If we record q nor r as 0, then we can still check that it was meant to be 1, but being a deliberate corruption, it acts as a unique marker.