This series is intended to demonstrate and teach operating system development from the ground up.

8272A Floppy Disk Controller

はじめに

この章のメニューはこんな感じです。

• FDCとFDDの歴史
• ディスクレイアウト
• CHS、LBA
• FDDの構造
• FDCのハードウエア
• FDCとのインターフェイス
• FDCのレジスタとコマンド

歴史

フロッピーディスクドライブ（FDD）は、フロッピーディスクに対してデータの読み書きができる装置である。

1971年、IBMのダイレクト・アクセス・ストレージ製品マネージャであったアラン・シュガートに雇われたデビッド・L・ノーブルは、同社のSystem/370メインフレーム用に新しいストレージ・テープ・フォーマットを開発しようとした。IBMは、初期制御プログラムロード（ICPL）のマイクロコードを再ロードする際に、テープドライブよりも小型で高速なものを作ろうと考えていた。ノブレス氏のチームは、「ミノー」というコードネームで「メモリーディスク」と呼ばれる製品に取り組んでいた。これは、80キロバイトの容量を持つ読み取り専用の8インチ・ディスケットである。1971年に市販され、すべてのSystem/370メインフレームに搭載された。

アラン・シュガートがIBMを退職し、メモレックスに移ると、彼のチームは1972年に最初の読み書き可能なフロッピーディスクドライブである「Memorex 650」を出荷した。

フロッピーディスクは、IBMが8インチ、5インチと1/4インチ、3 1/2 インチのフォーマットを発明した。

ディスクの構造

物理レイアウト

一般的な3-1/2インチフロッピーディスクの物理レイアウトです。ここではヘッド1(前面)を見ていますが、セクタは512バイトを表します。トラックはセクタの集合体です。

注：1セクタは512バイトで、フロッピーディスクには1トラックあたり18セクタがあることを覚えておいてください。

上の絵を見て、思い出してください。

• 各トラックは通常512バイトのセクタに分割されています。フロッピーディスクでは、1トラックあたり18のセクタがあります。
• シリンダーとは、同じ半径のトラックの集まりのことです（上の写真の赤いトラックは1つのシリンダーです）。
• フロッピーディスクには2つのヘッドがあります。
• 合計2880個のセクタがあります。

シリンダー/ヘッド/セクター(CHS)

セクタ

ヘッド

トラック

シリンダーは、1枚のディスクのトラック番号を表します。フロッピーディスクの場合、読み出すトラックを表します。

1トラックあたり18セクタあります。片面80トラック。

CHSを理解する

リニアブロックアドレッシング(LBA)

フロッピーディスクのインターフェイス

詳細82072Aフロッピーマイクロコントローラ

これらのピンのほとんどは、コントローラのプログラミングにはあまり役立ちません。しかし、他のピンは、理解することがより重要です。それでは、見ていきましょう。FDCは、プログラマブル割り込みコントローラ（PIC）、システムバス、およびダイレクトメモリアクセスコントローラと間接的に通信していることがわかります。

• RESET Pin- FDCをアイドル状態にします。すべての出力ラインをLowにします。Vccピンは、+5V電源入力です。
• GND Pin- グラウンドピンです。
• CLK Pin - 標準的な単相8MHz方形波クロック信号です。
• RD Pin - 現在の動作がリード動作であることをFDCに伝えます。
• WR Pin：書き込み動作であることを示します。
• ソフトウェアによるI/Oのリード/ライト動作で、コントロールバスによって設定されます。
• CS Pin - チップセレクト
• DB0 - DB7 Pin- 双方向の8ビットデータバスです。システムのプライマリ・データ・バスに間接的に接続されます。
• A0 Pin -データ/ステータス・レジスタ・セレクト Pinです。ハイ（1）の場合、FDCにそのデータ・レジスタの内容をデータ・バスに配置するよう指示します。Low (0) の場合、ステータス レジスタの内容をデータ バスにコピーします。これは、出力データ・バス・ピンDB0～DB7を通じて行われ、さらに、ソフトウェアで読み出すことができるシステム・データ・バスを介して行われます。
• DRQ Pin-データ直接メモリアクセス（DMA）要求ピン。このラインがハイ（1）の場合、FDCはDMAリクエストを行っています。
• DACK Pin -DMAアクノレッジ Pin。コントローラがDMA転送を実行している場合、このラインはLow (0) になります。
• TC Pin - DMA転送が完了すると、FDCはTerminal Count Pin、TCをHigh (1) に設定します。
• IDX Pin - FDCがディスクトラックの先頭にいるとき、Highになります。
• INT Pin - FDCが割り込み要求（IR）を送信すると、High（1）になります。このラインは、プログラマブル割り込みコントローラ (PIC) のIR6に間接的に接続されています。
• RW/Seek Pin- リード/ライトモードのシークモードを設定します。1: シークモード，0: リード/ライトモード。
• LCT/DIR Pin -低電流/方向指定 Pinです。
• FR/STP Pin -フォルトリセット/ステップ Pin。
• HDL Pin -Head Load Pin。FDDのRead/Writeヘッドをディスケットに接触させるコマンドです。
• RDY Pin -レディ Pin。FDDがデータ送受信可能な状態にあることを示す。
• WP/TS Pin -ライトプロテクト/ツーサイド Pin。リード/ライトモードでは、メディアがライトプロテクトされている場合、Highに設定します。 シークモードでは、メディアが2面ある場合、Highに設定します。
• FLT/TRK0 Pin -フォルト/トラック0ピン。Read/Write モードの場合、FDDフォルトが検出されるとHighに設定されます。
• PS0 - PS2 Pin-Precompensation (Pre-shift)ピン。MFMモード時、プリコンペンセーションの状態を書き込みます。
• WR DATA Pin - ライトデータ Pin
• RD DATA Pin - 読み出しデータ Pin
• DS0 - DS1 Pin - ドライブセレクト Pin
• HDSEL Pin -ヘッドセレクト Pin。High(1)でFDDがヘッド1にアクセスするように設定されます。Lowの時、ヘッド0になります。
• MFM Pin - Highのとき、FDCはMFMモードになります。Lowの時(0)、FMモードで動作します。
• WE Pin -ライトイネーブル Pinです。
• VCO Pin -VCO シンク Pin。0 のとき、PLL のVCOを禁止する。1のとき、VCOを有効にします。
• DW Pin - データウィンドウ Pin。PLLで生成され、FDDからのサンプルデータに使用されます。
• WR CLK Pin - 書き込みクロック

これは重要です!FDCのピンをすべて把握する必要はありません。むしろ、FDCが3つの主要なコントローラと通信していることだけを覚えておいてください。1つは、4つのフロッピーディスクドライブ（FDD）内部コントローラのうちの1つ、プログラマブル割り込みコントローラ（PIC）、ダイレクトメモリアクセス（DMA）コントローラです。 ソフトウェアは、プロセッサの標準IN/OUTポートi/o命令によってFDCと通信をします。

FDCのいくつかのレジスタは、プロセッサのi/oアドレス空間にマッピングされています。標準的なI/Oポート読み取りと同様に、入出力操作の間、プロセッサはコントロールバスのREADまたはWRITEラインと、アドレスバスのポートアドレスを設定します。これは、システムバスまたはISA（Industry Standard Architecture）バスで行われます。

新しいハードウェアでは、FDCはISAバスに直接接続されておらず、スーパーI/O ICとして統合されており、スーパーI/Oのローピンカウントバスを通じてプロセッサと通信する。

なるほど!ソフトウェアがどのようにFDCと通信できるかはわかった。PICとDMAはどこで登場するのでしょうか？

上のピンリストを見てみると、FDCはINTというピンを持っていることがわかります。このラインは、プログラマブル割り込みコントローラIR 6ラインに間接的に接続されています。FDCは、1バイトのデータが読み書きできるようになると、このラインをハイ（1）に引き上げます。これはPICのIR 6ラインもHighに引きます。ここからはPICが制御を行う。他のラインをマスクして、サービス可能かどうかを判断します。プロセッサの割り込みアクノレッジ(INTA)ピンをアクティブにすることで、プロセッサに割り込みを通知します。プロセッサは、割り込みを処理しても安全であることを確認した後、INTAラインをリセットして、PICに処理を許可します。PICは、このIRQが使用するようにマッピングされた割り込みベクタを配置します（PICの初期化中に設定されます）。プロセッサはIRQを受け取り、idtrからそのアドレスを取得し、ほら - 割り込みが呼ばれた。

FDCは、DMAモードで動作するようにプログラムすることもできます。DMAはまだ見ていないコントローラなので、あまり深く立ち入らないようにします。しかし、次の章では、完全を期すために、このことについて触れるかもしれません。FDCはDMAのチャンネル2に接続されています。

FDCのハードウェアはこれで全部です。FDCは1つのシステム内に複数個あり、1つのFDCは最大4台のフロッピーディスクドライブ（FDD）を接続することができます。これは重要なことです。FDCと通信する際、どのFDDを要求しているかを選択しなければならないことがよくあります。

フロッピーインターフェイスケーブル

上のケーブルにねじれがあることにお気づきでしょうか。それを少し短く説明します。このケーブルには40本のピンがあります。この40本のピンを通じて、FDCはケーブルに接続された異なるFDDと会話することができます。

FDCと通信するためのいくつかのレジスタで、コントローラとケーブルの入力ピンを検出することができます。このため、ケーブルの40本のラインを少し見るくらいはしておいた方がよさそうだ。

FDCプログラミング

FDCの動作モード

IRQの待ち受け

今回は、FDCをDMAモードで動作させます。つまり、リード、ライト、シーク、キャリブレーションの各コマンドが完了したときと、初期化中にのみ割り込みが入るということです。

しかし、いずれの場合も、コマンドの完了を知るためにIRQが発火するのを待つ必要があることを意味します。これを行うには、IRQが発生したときにグローバルをセットし、 IRQを待つirq_waitのような関数を提供し、それが発生したときにグローバルを リセットするようにすればよい。

では、それをやってみましょう。まずIRQです。

const int FLOPPY_IRQ = 6;
 
//! set when IRQ fires
static volatile uint8_t _FloppyDiskIRQ = 0;
 
void _cdecl i86_flpy_irq () {
 
	_asm add esp, 12
	_asm pushad
	_asm cli
 
	//! irq fired
	_FloppyDiskIRQ = 1;
 
	//! tell hal we are done
	interruptdone( FLOPPY_IRQ );
 
	_asm sti
	_asm popad
	_asm iretd
}

//! wait for irq to fire
inline void flpydsk_wait_irq () {
 
	//! wait for irq to fire
	while ( _FloppyDiskIRQ == 0)
		;
	_FloppyDiskIRQ = 0;
}

DMAですか？

当初、FDCはNon-DMAモードでプログラムしようと思っていました。しかし、この方法は場合によっては有効かもしれませんが、多くのエミュレータや一部のハードウェアではサポートされなくなってきています。そこで、ポータビリティを確保するために、DMA（Direct Memory Access Controller [DMAC]）を使うのがベストだと判断したのです。

しかし、まだDMAを詳しく説明していないため、問題が発生しました。DMAインターフェース全体を説明なしに投げ出すよりも、3つの基本的なDMAルーチンをハックして、後でもっと詳しく書き直せばいいと思います ;)

flpydsk_initialize_dmaは基本的に DMA が使用するバッファを物理アドレス 0x1000 - 0x10000 (64k) に作成します。 ディスクからセクターを読み込むとき、DMA はセクターデータをこの場所に置くので、上書きされるように何もないことを確認してください。他の場所を選択することも可能ですが、いくつかのルールがあります。

• バッファは64kの境界を越えてはいけません。最高のパフォーマンスを得るためには、64kの境界に留まる必要があります。
• 書き込むメモリ領域は ID マップされているか、フレームアドレスがページにマッピン グされている必要があります。DMAは常に物理メモリで動作する

dma_readと dma_writeは、FDCが送信したデータの読み取りまたは書き込みを開始するようDMAに指示するだけです。これは、FDCに読み書きを指示したセクタになります。例えば、FDCにセクタを読むように指示すると、DMAにセクタデータを渡して、設定したバッファ（0x1000の位置）に置くように指示します。クールでしょう?

//! initialize DMA to use phys addr 1k-64k
void flpydsk_initialize_dma () {
 
	outportb (0x0a,0x06);	//mask dma channel 2
	outportb (0xd8,0xff);	//reset master flip-flop
	outportb (0x04, 0);     //address=0x1000 
	outportb (0x04, 0x10);
	outportb (0xd8, 0xff);  //reset master flip-flop
	outportb (0x05, 0xff);  //count to 0x23ff (number of bytes in a 3.5" floppy disk track)
	outportb (0x05, 0x23);
	outportb (0x80, 0);     //external page register = 0
	outportb (0x0a, 0x02);  //unmask dma channel 2
}
 
//! prepare the DMA for read transfer
void flpydsk_dma_read () {
 
	outportb (0x0a, 0x06); //mask dma channel 2
	outportb (0x0b, 0x56); //single transfer, address increment, autoinit, read, channel 2
	outportb (0x0a, 0x02); //unmask dma channel 2
}
 
//! prepare the DMA for write transfer
void flpydsk_dma_write () {
 
	outportb (0x0a, 0x06); //mask dma channel 2
	outportb (0x0b, 0x5a); //single transfer, address increment, autoinit, write, channel 2
	outportb (0x0a, 0x02); //unmask dma channel 2
}

FDCポートマッピング

システムによっては、FDCに4つ以上の外部レジスタが用意されている場合があります。

2番目のFDCは、通常、I/Oポート0x370～0x377にマッピングされます。

2つの異なるFDCのために2組のポートがあるので、この表は両方のポートセットを含んでいます。

次の章では、このレジスタを少しずつ詳しく見ていくことにします。重要なものについては、この章を更新して、他のレジスタを網羅することになるかもしれません。今のところ、上に示した最初の4つのレジスタにのみ焦点を当てます。

このコードはすべてこの章の最後にあるデモに含まれていることを忘れないでください。

enum FLPYDSK_IO {
 
	FLPYDSK_DOR		=	0x3f2,
	FLPYDSK_MSR		=	0x3f4,
	FLPYDSK_FIFO		=	0x3f5,	//data register
	FLPYDSK_CTRL		=	0x3f7
};

レジスタ

ステータスレジスタA (SRA) (PS2モードのみ)

本レジスタは、コントローラのインターフェースピンの状態を監視するためのリード専用レジスタです。 コントローラがPC-ATモードの場合は、本レジスタにアクセスできません。本レジスタは読み出し専用です。

このレジスタの正確なフォーマットは、コントローラのモデルによって異なる場合があります。

• Bit 0 DIR
• Bit 1 WP
• Bit 2 INDX
• Bit 3 HDSEL
• Bit 4 TRKO
• Bit 5 STEP Flip/Flop
• Bit 6 DRV2
• Bit 7 INTERRUPT line state (interrupt pending)

このレジスタが複雑に見えても心配しないでください。電子工学の経験がなくても大丈夫です。このレジスタは、このシリーズで使用されることはありません。

ステータスレジスタB (SRB) (PS/2モードのみ)

上記のレジスタと同様に、FDCの複数のラインの状態を監視することができます。 FDCがPC-ATモードの時はアクセスできません。このレジスタは読み出し専用である。

• Bit 0 MOT EN0 (Motor Enable 0)
• Bit 1 MOT EN1 (Motor Enable 1)
• Bit 2 WE Flip/Flop
• Bit 3 Read Data (RDDATA) Flip/Flop
• Bit 4 Write Data (WRDATA) Flip/Flop
• Bit 5 Drive Select 0
• Bit 6 Undefined; Always 1
• Bit 7 Undefined; Always 1

このレジスタが複雑に見えても心配しないでください。電子工学の経験がなくても、そう見えるかもしれません。このレジスタは、このシリーズで使用されることはありません。

データレート選択レジスタ(DSR)

このレジスタは書き込み専用で、駆動制御信号のタイミングを変更することができます。I/Oポート0x3f4（FDC0）または0x374（FDC1）に書き込むことで使用します。

これは8ビット・レジスタです。以下のフォーマットで構成されています。

• Bit 0 DRATE SEL0
• Bit 1 DRATE SEL1
• Bit 2 PRE-COMP 0
• Bit 3 PRE-COMP 1
• Bit 4 PRE-COMP 2
• Bit 5 Must be 0
• Bit 6 POWER DOWN: Deactivates internal clocks and shuts off the internal oscillator
• Bit 7 S/W RESET: Reset the internal oscillator

PRE-COMP 0 - PRE-COMP 2は少し複雑です。これらは，フロッピーディスクなどの磁気媒体で発生するビットシフトに対して，WRDATA出力ピンを調整するものです。事前補償の遅延を調整するために、これらのビットを以下のいずれかに設定します。

• 000 Default (250-500 Kbps, 125 ns. 1 Mbps, 41.67 ns)
• 110 250 ns
• 101 208.33 ns
• 100 166.67 ns
• 011 125 ns
• 010 83.34 ns
• 001 41.67 ns
• 111 Disabled

DRATE SEL0～DERATE SEL1でデータレートを設定します。有効な値は以下の通りです。

• 00 500 Kbps
• 10 250 Kbps
• 01 300 Kbps
• 11 1 Mbps

デジタル出力レジスタ(DOR)

FDDのモータ制御、動作モード（DMA、IRQ）、リセット、ドライブなど、FDCの様々な機能を制御できる書き込み専用レジスタです。フォーマットは次のとおりです。

• Bits 0-1 DR1, DR2
• 00 - Drive 0
• 01 - Drive 1
• 10 - Drive 2
• 11 - Drive 3
• Bit 2 REST
• 0 - Reset controller
• 1 - Controller enabled
• Bit 3 Mode
• 0 - IRQ channel
• 1 - DMA mode
• Bits 4 - 7 Motor Control (Drives 0 - 3)
• 0 - Stop Motor for drive
• 1 - Start Motor for drive

以下はその例です。例えば、最初のフロッピードライブ(FDD 0)のモーターを始動させたいとします。FDDに対する読み取りまたは書き込み操作を行う前に、FDDのモーターを始動させる必要があります!これを開始するには、モーターを開始または停止したいドライブに対応するビット (4-7) を設定するだけです。DORはプロセッサのi/oアドレス空間であるポート0x3f2にマッピングされているので、これは非常に簡単です。 まず、レジスタのビットマスクを作成し、読みやすさを向上させます。このコードはすべて、このチュートリアルの最後にあるデモに含まれていることを忘れないでください。

enum FLPYDSK_DOR_MASK {
 
	FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE0			=	0,	//00000000	= here for completeness sake
	FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE1			=	1,	//00000001
	FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE2			=	2,	//00000010
	FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE3			=	3,	//00000011
	FLPYDSK_DOR_MASK_RESET			=	4,	//00000100
	FLPYDSK_DOR_MASK_DMA			=	8,	//00001000
	FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE0_MOTOR		=	16,	//00010000
	FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE1_MOTOR		=	32,	//00100000
	FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE2_MOTOR		=	64,	//01000000
	FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE3_MOTOR		=	128	//10000000
};

outportb (FLPYDSK_DOR, FLPYDSK_DOR_MASK_DRIVE0_MOTOR | FLPYDSK_DOR_MASK_RESET);

この同じモーターをオフにするには、モータービットを設定せずに同じコマンドを送信するだけです。

outportb (FLPYDSK_DOR, FLPYDSK_DOR_MASK_RESET);

警告警告: モーターが起動するまでに少し時間がかかります!内蔵FDDのモーターは機械的なものであり、他の機械装置と同様に、実行中のソフトウェアの速度より遅くなる傾向があることを思い出してください。このため、FDDモーターを起動するときは、必ず少し時間をおいてから読み書きを行ってください。

DORは書き込み専用のレジスタです。これを強制するために、ルーチンを作成します。

void flpydsk_write_dor (uint8_t val ) {
 
	//! write the digital output register
	outportb (FLPYDSK_DOR, val);
}

メインステータスレジスタ(MSR)

• Bit 0 - FDD 0: 1 if FDD is busy in seek mode
• Bit 1 - FDD 1: 1 if FDD is busy in seek mode
• Bit 2 - FDD 2: 1 if FDD is busy in seek mode
• Bit 3 - FDD 3: 1 if FDD is busy in seek mode
• 0: The selected FDD is not busy
• 1: The selected FDD is busy
• Bit 4 - FDC Busy; Read or Write command in progress
• 0: Not busy
• 1: Busy
• Bit 5 - FDC in Non DMA mode
• 0: FDC in DMA mode
• 1: FDC not in DMA mode
• Bit 6 - DIO: direction of data transfer between the FDC IC and the CPU
• 0: FDC expecting data from CPU
• 1: FDC has data for CPU
• Bit 7 - RQM: Data register is ready for data transfer
• 0: Data register not ready
• 1: Data register ready

ここでは、このMSRからビジー状態かどうかを読み取る例を示します。まず、コードで使用されるビットマスクを定義します。上に示した形式に従っていることに注意してください。

enum FLPYDSK_MSR_MASK {
 
	FLPYDSK_MSR_MASK_DRIVE1_POS_MODE	=	1,	//00000001
	FLPYDSK_MSR_MASK_DRIVE2_POS_MODE	=	2,	//00000010
	FLPYDSK_MSR_MASK_DRIVE3_POS_MODE	=	4,	//00000100
	FLPYDSK_MSR_MASK_DRIVE4_POS_MODE	=	8,	//00001000
	FLPYDSK_MSR_MASK_BUSY			=	16,	//00010000
	FLPYDSK_MSR_MASK_DMA			=	32,	//00100000
	FLPYDSK_MSR_MASK_DATAIO			=	64, 	//01000000
	FLPYDSK_MSR_MASK_DATAREG		=	128	//10000000
};

if ( inportb (FLPYDSK_MSR) & FLPYDSK_MSR_MASK_BUSY )
	//! FDC is busy

読みやすくするために、これをルーチンに隠すことにしましたので、ここに紹介します。このルーチンは、FDCのステータスを返すだけです。

uint8_t flpydsk_read_status () {
 
	//! just return main status register
	return inportb (FLPYDSK_MSR);
}

テープドライブレジスタ(TDR)

このレジスタにより、ドライブの初期化中に特定のドライブにテープ・ドライブ・サポートを割り当てることができます。このレジスタはリード／ライト・レジスタで、8ビット・サイズです。 ただし、最初の2ビットだけが定義されています。ドライブ0はフロッピーブートデバイスとして予約されているため、選択することはできません。このため、以下のビットリストには含まれていません。

• 00: None.
• 01: Drive 1
• 10: Drive 2
• 11: Drive 3

データ・レジスタ

注：このレジスタを読み書きする前に、まずマスター・ステータス・レジスタ（MSR）のステータスを読んで、このレジスタが有効であることを常に確認する必要があります。

覚えておいてください。すべてのコマンド・バイトとコマンド・パラメータは、このレジスタを通じてFDCに送信されます。 この例については、以下のコマンドのセクションで説明しますので、まだあまり気にしないでください。

無効なコマンドが発行された場合、データ・レジスタから返される値は0x80です。

以下のルーチンは、このレジスタから読み出し、デモで使用しています。データ・レジスタが安全に読み書きできるようになるまで待ち、その後、読み出し（read_data関数）または書き込み（send_command関数）を行うようにしています。

void flpydsk_send_command (uint8_t cmd) {
 
	//! wait until data register is ready. We send commands to the data register
	for (int i = 0; i < 500; i++ )
		if ( flpydsk_read_status () & FLPYDSK_MSR_MASK_DATAREG )
			return outportb (FLPYDSK_FIFO, cmd);
}
 
uint8_t flpydsk_read_data () {
 
	//! same as above function but returns data register for reading
	for (int i = 0; i < 500; i++ )
		if ( flpydsk_read_status () & FLPYDSK_MSR_MASK_DATAREG )
			return inportb (FLPYDSK_FIFO);
}

デジタル入力レジスタ(DIR)

さて、デジタル出力レジスタ(DOR)があったので、このレジスタが来ることは予想できたと思います :)このレジスタは、コントローラのすべての動作モードで読み取り専用です。PC-ATモードでは、ビット7のみが定義され、他のビットは未定義であり、使用しないでください。他の動作モードでは、Bit7は未定義です。

ビット7（DSK CHG）は、FDCのDSK CHGピンをモニタします。本章の冒頭のピン配置を見ると，DSK CHG 端子がないことが分かります。これは、FDCの新モデルとオリジナル・モデルの違いに関係しています。新しいモデルは、DMA GATE、DRATE SEL0/1など、FDCの新しいピンを監視するために、このレジスタの異なるビットを追加および変更しました。このレジスタの値は、FDCの動作モードに固有です。

このレジスタのビットは、モデル間で変更される可能性があることに注意してください。

コンフィギュレーション制御レジスタ(CCR)

• 00 500 Kbps
• 10 250 Kbps
• 01 300 Kbps
• 11 1 Mbps

ビット2は、30型/CCRモードではNOPRECとなり、機能はありません。その他のビットは未定義で、コントローラによって変更される可能性があります。

他のレジスタと同様に、このレジスタに書き込みができるようにルーチンを作りました。

void flpydsk_write_ccr (uint8_t val) {
 
	//! write the configuation control
	outportb (FLPYDSK_CTRL, val);
}

コマンド

概要

警告コマンドまたはパラメータ・バイトを送信する前に、まずメイン・ステータス・レジスタ（MSR）のビット 7 をテストして、データ・レジスタがデータを受信する準備ができていることを確認してください。

コマンドは13種類（コントローラによってはそれ以上）あります。各コマンドは1バイトから9バイトの大きさです。FDCは、最初のコマンド・バイトから、何バイトを期待すればよいかを知っています。つまり、最初のバイトは、FDCに何をして欲しいかを伝える実際のコマンドです。FDCは、このコマンドからさらに何バイトを期待すればよいかを知っています（コマンド・パラメーター）。

コマンドはトラックの片方のヘッドにしか作用しません。もし両方のヘッドで動作させたい場合は、Multiple Track Bitを設定する必要があります。これらのコマンドの多くはビットフォーマットに従います（後述）。ここがややこしいところです。

コマンドバイトの上位ビットは、コマンドのオプション設定用です。私はこれを拡張コマンドビットと呼んでいますが、正式な名称はありません。これらのビットのうち、私たちが使用する多くのコマンドに共通するビットが2つあります。これらのビットは、後でコマンドバイトの中で見ていきます。

さて、まずコマンドリストを見てみましょう。次に、それぞれのコマンドを個別に見ていきます。これらはすべてコマンドバイトの最初の4ビットしか使っていないことに注意してください。

enum FLPYDSK_CMD {
	
	FDC_CMD_READ_TRACK	=	2,
	FDC_CMD_SPECIFY		=	3,
	FDC_CMD_CHECK_STAT	=	4,
	FDC_CMD_WRITE_SECT	=	5,
	FDC_CMD_READ_SECT	=	6,
	FDC_CMD_CALIBRATE	=	7,
	FDC_CMD_CHECK_INT	=	8,
	FDC_CMD_WRITE_DEL_S	=	9,
	FDC_CMD_READ_ID_S	=	0xa,
	FDC_CMD_READ_DEL_S	=	0xc,
	FDC_CMD_FORMAT_TRACK	=	0xd,
	FDC_CMD_SEEK		=	0xf
};

void flpydsk_send_command (uint8_t cmd) {
 
	//! wait until data register is ready. We send commands to the data register
	for (int i = 0; i < 500; i++ )
		if ( flpydsk_read_status () & FLPYDSK_MSR_MASK_DATAREG )
			return outportb (FLPYDSK_FIFO, cmd);
}

拡張コマンドビット

さて、拡張コマンド・ビットの話をしたときに、上のコマンドが4ビットしかないことを思い出してください。上位4ビットは、さまざまな用途に使用することができます。

例えば、Write Sectorコマンドは、M F 0 0 0 1 1 0という形式で、最初の4ビット（0 1 1 0）がコマンドバイト、上位4ビット（M F 0 0）が異なる設定を表します。Mはマルチトラック、Fはコマンドに対してどのような密度モードで動作させるかを選択するために設定されています。

以下、共通ビットの一覧です。

• M - MultiTrack Operation
• 0: Operate on one track of the cylinder
• 1: Operate on both tracks of the cylinder
• F - FM/MFM Mode Setting
• 0: Operate in FM (Single Density) mode
• 1: Operate in MFM (Double Density) mode
• S - Skip Mode Setting
• 0: Do not skip deleted data address marks
• 1: Skip deleted data address marks
• HD - Head Number
• DR0 - DR1 - Drive Number Bits (2 bits for up to 4 drives)

enum FLPYDSK_CMD_EXT {
 
	FDC_CMD_EXT_SKIP	=	0x20,	//00100000
	FDC_CMD_EXT_DENSITY	=	0x40,	//01000000
	FDC_CMD_EXT_MULTITRACK	=	0x80	//10000000
};

GAP 3

enum FLPYDSK_GAP3_LENGTH {
 
	FLPYDSK_GAP3_LENGTH_STD = 42,
	FLPYDSK_GAP3_LENGTH_5_14= 32,
	FLPYDSK_GAP3_LENGTH_3_5= 27
};

セクタあたりのバイト数

2^n * 128, where ^ denotes "to the power of"

我々のリストには、最も一般的な

enum FLPYDSK_SECTOR_DTL {
 
	FLPYDSK_SECTOR_DTL_128	=	0,
	FLPYDSK_SECTOR_DTL_256	=	1,
	FLPYDSK_SECTOR_DTL_512	=	2,
	FLPYDSK_SECTOR_DTL_1024	=	4
};

コマンドにパラメータを渡す方法

flpydsk_send_command (FDC_CMD_SPECIFY);
flpydsk_send_command (data);
flpydsk_send_command (data2);

コマンドから戻り値を取得する方法

コマンドがデータを返す場合は、FIFO（データ・レジスタ）に--1つずつ--返されます。 したがって、それらを読むには、FIFOを継続的に読み込んで、返されたデータをすべて取得する必要があります。

注：コマンドがデータを返す場合、割り込みを送信しますので、それを待つ必要があります。これは、コマンドが終了し、FIFOから戻り値を読んでも安全であることを知るための方法です。

戻り値の良い例は、セクタの読み出しコマンドです。このコマンドでは、IRQを待つ必要があるので、完了したことがわかり、7バイトが返されます。そこで、返されたデータ・バイトをすべて読むために、データ・レジスタから一度に1つずつ読み出す必要があります。

for (int j=0; j<7; j++)
	flpydsk_read_data ();

セクタを書き込む

• Format: M F 0 0 0 1 1 0
• Paramaters:
• x x x x x HD DR DR0
• Cylinder
• Head
• Sector Number
• Sector Size
• Track Length
• Length of GAP3
• Data Length
• Return:
• Return byte 0: ST0
• Return byte 1: ST1
• Return byte 2: ST2
• Return byte 3: Current cylinder
• Return byte 4: Current head
• Return byte 5: Sector number
• Return byte 6: Sector size

FDDからセクタを読み出すコマンドです。セクタ内の1バイトごとにFDCは割り込み6を発行し、ディスクから読み出したバイトをデータレジスタに入れ、読み込めるようにします。

セクタの読み出し

• Format: M F S 0 0 1 1 0
• Paramaters:
• x x x x x HD DR1 DR0 = HD=head DR0/DR1=Disk
• Cylinder
• Head
• Sector Number
• Sector Size
• Track Length
• Length of GAP3
• Data Length
• Return:
• Return byte 0: ST0
• Return byte 1: ST1
• Return byte 2: ST2
• Return byte 3: Current cylinder
• Return byte 4: Current head
• Return byte 5: Sector number
• Return byte 6: Sector size

FDDからセクタを読み出すコマンドです。セクタ内の1バイトごとにFDCは割り込み6を発行し、ディスクから読み込んだバイトをデータレジスタに入れ、読み込めるようにします。

以下は、デモで使用したルーチンです。まず、DMAをセットアップして、読み出し動作の準備をします。次に、セクタ読み出しコマンド（FDC_CMD_READ_SECT）を実行し、コマンドのM、F、Sビットを設定します（マルチトラック・リード、倍密度、削除済みアドレス・マークをスキップします。これらの一覧は上記を参照してください)。

その後、コマンドのパラメータを全て渡し、読み出しコマンドを開始します。セクタサイズパラメータはFLPYDSK_SECTOR_DTL_512 (bytes per sector)で、これは思い起こせば値2です(詳細は上記のBytes per sectorの項を参照してください)。 次のパラメータはトラックあたりのセクター(18)。 次のパラメータはGAP3長です。標準的な3-1/2 "フロッピーディスクのGAP 3長(FLPYDSK_GAP3_LENGTH_3_5、27)の値を渡します。

Data Lengthパラメータ・バイトはセクタ・サイズが0の場合のみ有効です。 それ以外の場合は 0xff となります。

このコマンドは完了後にIRQを送信するため、IRQを待つ必要があります。

void flpydsk_read_sector_imp (uint8_t head, uint8_t track, uint8_t sector) {
 
	uint32_t st0, cyl;
 
	//! set the DMA for read transfer
	flpydsk_dma_read ();
 
	//! read in a sector
	flpydsk_send_command (
		FDC_CMD_READ_SECT | FDC_CMD_EXT_MULTITRACK |
		FDC_CMD_EXT_SKIP | FDC_CMD_EXT_DENSITY);
	flpydsk_send_command ( head << 2 | _CurrentDrive );
	flpydsk_send_command ( track);
	flpydsk_send_command ( head);
	flpydsk_send_command ( sector);
	flpydsk_send_command ( FLPYDSK_SECTOR_DTL_512 );
	flpydsk_send_command (
		( ( sector + 1 ) >= FLPY_SECTORS_PER_TRACK )
			? FLPY_SECTORS_PER_TRACK : sector + 1 );
	flpydsk_send_command ( FLPYDSK_GAP3_LENGTH_3_5 );
	flpydsk_send_command ( 0xff );
 
	//! wait for irq
	flpydsk_wait_irq ();
 
	//! read status info
	for (int j=0; j<7; j++)
		flpydsk_read_data ();
 
	//! let FDC know we handled interrupt
	flpydsk_check_int (&st0,&cyl);
}

待てよ...。データはどこにあるのでしょうか？上のコマンドを見ると、FDCにデータをどこに置くか教えていません。 これは、面白い問題を提起していると思いませんか？

FDCの動作モードにもよりますが、Non-DMAモードでは、1バイトごとにIRQ 6が発火します。ディスクから読み込んだデータのバイトはFIFOにあります。DMAモードでは、DMAにデータを渡し、DMAはそのデータをバッファ（DMAに指示した場所）に入れる。

つまり、この場合、DMAバッファを0x1000に設定したことを覚えていますか？上記のルーチンを呼び出した後、セクタデータは0x1000になります!クールでしょう？DMAに別のアドレスを与えることで、その位置を変更することができます。

ドライブデータの修正／指定

• Format: 0 0 0 0 0 0 1 1
• Paramaters:
• S S S S H H H H - S=Step Rate H=Head Unload Time
• H H H H H H H NDM - H=Head Load Time NDM=0 (DMA Mode) or 1 (DMA Mode)
• Return: None

このコマンドは、FDC に接続されているメカニカル・ドライブの制御情報を FDC に渡すために使用されます。このコマンドでの作業を容易にするために、このコマンドのためのルーチンを書きましょう。

void flpydsk_drive_data (uint32_t stepr, uint32_t loadt, uint32_t unloadt, bool dma ) {
 
	uint32_t data = 0;
 
	flpydsk_send_command (FDC_CMD_SPECIFY);
 
	data = ( (stepr & 0xf) << 4) | (unloadt & 0xf);
	flpydsk_send_command (data);
 
	data = (loadt) << 1 | (dma==true) ? 1 : 0;
	flpydsk_send_command (data);
}

ステータス確認

• Format: 0 0 0 0 0 1 0 0
• Paramaters:
• x x x x x HD DR1 DR0
• Return:
• Byte 0: Status Register 3 (ST3)

このコマンドは、ドライブのステータスを返します。

ドライブのキャリブレート

• Format: 0 0 0 0 0 1 1 1
• Paramaters:
• x x x x x 0 DR1 DR0
• Return: None

このコマンドはリード／ライト・ヘッドをシリンダー0に配置するために使用されます。80トラック以上のディスクの場合、このコマンドを数回発行する必要があります。このコマンドを発行した後は、必ず正しいトラックであることを確認すること（Check Interrupt Statusコマンド）。

コマンドを発行した後、まだシリンダー0に到達していない場合は、再度コマンドを発行する。シリンダ0を見つけたら、モータを停止させ、successを返す。10回やってダメならやめる。

このコマンドの実行中は、モーターが動いていることを確認する必要があることに注意してください。また、SENSE_INTERRUPTコマンド（flpydsk_check_int()コール）を使って、現在のシリンダを取得している点にも注目。

int flpydsk_calibrate (uint32_t drive) {
 
	uint32_t st0, cyl;
 
	if (drive >= 4)
		return -2;
 
	//! turn on the motor
	flpydsk_control_motor (true);
 
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
 
		//! send command
		flpydsk_send_command ( FDC_CMD_CALIBRATE );
		flpydsk_send_command ( drive );
		flpydsk_wait_irq ();
		flpydsk_check_int ( &st0, &cyl);
 
		//! did we fine cylinder 0? if so, we are done
		if (!cyl) {
 
			flpydsk_control_motor (false);
			return 0;
		}
	}
 
	flpydsk_control_motor (false);
	return -1;
}

インタラプトステータス確認

• Format: 0 0 0 0 1 0 0 0
• Paramaters: None
• Return:
• Byte 0: Status Register 0 (ST0)
• Byte 1: Current Cylinder

このコマンドは、割り込みが復帰したときの FDC の状態に関する情報を確認するために使用します。

void flpydsk_check_int (uint32_t* st0, uint32_t* cyl) {
 
	flpydsk_send_command (FDC_CMD_CHECK_INT);
 
	*st0 = flpydsk_read_data ();
	*cyl = flpydsk_read_data ();
}

シーク／パークヘッド

• Format: 0 0 0 0 1 1 1 1
• Paramaters:
• x x x x x HD DR1 DR0 - HD=Head DR1/DR0 = drive
• Cylinder
• Return: None

このコマンドは、リード/ライト・ヘッドを特定のシリンダーに移動させるために使用されます。calibrateコマンドと同様に、このコマンドを複数回送信する必要がある場合があります。check_int()を呼び出すことで、毎回現在のシリンダーを取得していることに注意。そして、現在のシリンダーが探しているシリンダーであるかどうかをテストします。そうでない場合は、もう一度試行する。もしそうであれば、成功を返します。

int flpydsk_seek ( uint32_t cyl, uint32_t head ) {
 
	uint32_t st0, cyl0;
 
	if (_CurrentDrive >= 4)
		return -1;
 
	for (int i = 0; i < 10; i++ ) {
 
		//! send the command
		flpydsk_send_command (FDC_CMD_SEEK);
		flpydsk_send_command ( (head) << 2 | _CurrentDrive);
		flpydsk_send_command (cyl);
 
		//! wait for the results phase IRQ
		flpydsk_wait_irq ();
		flpydsk_check_int (&st0,&cyl0);
 
		//! found the cylinder?
		if ( cyl0 == cyl)
			return 0;
	}
 
	return -1;
}

無効なコマンド

FDCをリセットする

コントローラの無効化

void flpydsk_disable_controller () {
 
	flpydsk_write_dor (0);
}

コントローラの有効化

void flpydsk_enable_controller () {
 
	flpydsk_write_dor ( FLPYDSK_DOR_MASK_RESET | FLPYDSK_DOR_MASK_DMA);
}

FDCの初期化

その後、コントローラを再設定する時間があります。CCR（構成制御レジスタ）はデータ・レートのために2ビットしかないことを思い出してください。両方を0に設定することで、データレートを500Kbpsに設定します。これは素晴らしいデフォルト値です。

次にflpydsk_drive_dataを呼び出し、Fix Drive Data / Specifyコマンドをコントローラに送信して、次のようなドライブの機械的情報を設定します。ステップ速度、ヘッドのロードとアンロードの時間、DMAモードをサポートしているかどうかなどです。

その後、ドライブを再キャリブレーションし、シリンダー0に配置します。

void flpydsk_reset () {
 
	uint32_t st0, cyl;
 
	//! reset the controller
	flpydsk_disable_controller ();
	flpydsk_enable_controller ();
	flpydsk_wait_irq ();
 
	//! send CHECK_INT/SENSE INTERRUPT command to all drives
	for (int i=0; i<4; i++)
		flpydsk_check_int (&st0,&cyl);
 
	//! transfer speed 500kb/s
	flpydsk_write_ccr (0);
 
	//! pass mechanical drive info. steprate=3ms, unload time=240ms, load time=16ms
	flpydsk_drive_data (3,16,240,true);
 
	//! calibrate the disk
	flpydsk_calibrate ( _CurrentDrive );
}

更新と変更

文字列からint型への変換 - stdio.h/stdio.cpp

フロッピーディスクドライバのインストール - flpydsk.cpp

void flpydsk_install (int irq) {
 
	//! install irq handler
	setvect (irq, i86_flpy_irq);
 
	//! initialize the DMA for FDC
	flpydsk_initialize_dma ();
 
	//! reset the fdc
	flpydsk_reset ();
 
	//! set drive information
	flpydsk_drive_data (13, 1, 0xf, true);
}

任意のセクタを読み込む - LBAとCHS - flpydsk.cpp

LBAをCHSに変換する公式を覚えていますか？ここでそれを応用してみましょう。

void flpydsk_lba_to_chs (int lba,int *head,int *track,int *sector) {
 
   *head = ( lba % ( FLPY_SECTORS_PER_TRACK * 2 ) ) / ( FLPY_SECTORS_PER_TRACK );
   *track = lba / ( FLPY_SECTORS_PER_TRACK * 2 );
   *sector = lba % FLPY_SECTORS_PER_TRACK + 1;
}

ディスクから任意のセクタを読み込めるようにしたいので、そのためのルーチンを提供します。 また、コントローラに読み込みコマンドを送信するコードを含むflpydsk_read_sector_impが既にあるので、このルーチンは非常にシンプルになります。

uint8_t* flpydsk_read_sector (int sectorLBA) {
 
	if (_CurrentDrive >= 4)
		return 0;
 
	//! convert LBA sector to CHS
	int head=0, track=0, sector=1;
	flpydsk_lba_to_chs (sectorLBA, &head, &track, �or);
 
	//! turn motor on and seek to track
	flpydsk_control_motor (true);
	if (flpydsk_seek (track, head) != 0)
		return 0;
 
	//! read sector and turn motor off
	flpydsk_read_sector_imp (head, track, sector);
	flpydsk_control_motor (false);
 
	//! warning: this is a bit hackish
	return (uint8_t*) DMA_BUFFER;
}

flpydsk_read_sector_imp の呼び出しの後、セクタのデータは DMA バッファにあるはずです。 このバッファへのポインタを返すと、バッファには今読み込んだセクタのデータが入っています。クールでしょう？

これはすべてを結びつける魔法のルーチンです。）

新しい読み込みコマンド - main.cpp

CLI のコマンドのリストに、ディスクから任意のセクタを読み込むことができるreadという新しいコマンドを追加しました。このコマンドは、このチュートリアルで作成したフロッピーディスクドライバを使用しています。

このコマンドは関数の中にあり、デモではreadとタイプすることで実行されます。これは512バイトを読みやすいように128バイトの4つのブロックに分割してダンプします。各ブロックの後、次のチャンクに進むためにキーを押すように促されます。これは新しいatoi関数を使って、入力されたセクタ番号（LBAセクタ番号）をintに変換し、それを読み込んでいます。親愛なる読者の皆さん、これが魔法を起こす関数なのです。

void cmd_read_sect () {
 
	uint32_t sectornum = 0;
	char sectornumbuf [4];
	uint8_t* sector = 0;
 
	DebugPrintf ("\n\rPlease type in the sector number [0 is default] >");
	get_cmd (sectornumbuf, 3);
	sectornum = atoi (sectornumbuf);
 
	DebugPrintf ("\n\rSector %i contents:\n\n\r", sectornum);
 
	//! read sector from disk
	sector = flpydsk_read_sector ( sectornum );
 
	//! display sector
	if (sector!=0) {
 
		int i = 0;
		for ( int c = 0; c < 4; c++ ) {
 
			for (int j = 0; j < 128; j++)
				DebugPrintf ("0x%x ", sector[ i + j ]);
			i += 128;
 
			DebugPrintf("\n\rPress any key to continue\n\r");
			getch ();
		}
	}
	else
		DebugPrintf ("\n\r*** Error reading sector from disk");
 
	DebugPrintf ("\n\rDone.");
}

まとめ

次回のチュートリアルでは、DMAについて説明します。DMAをプログラミングするためのインターフェイスを作成し、FDCドライバでよりよく使用できるようにします。この後...またファイルシステムの話になると思います(笑)。心配しないでください - そのあとはマルチタスクです!