Floppy Disk Controller

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Der Floppy Disk Controller (FDC) ist ein Chip, der ein bis vier Disketten-Laufwerke ansteuern kann.

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften und Besonderheiten

  • Der FDC sendet IRQ 6, wenn z.B. eine Lese- oder Schreiboperation beendet ist
  • Der FDC kann über DMA Daten direkt aus dem Speicher auf Diskette schreiben und anders herum. Dafür wird DMA Channel 2 verwendet
  • Der FDC ist recht schlecht standardisiert, da verschiedene Hersteller unterschiedliche Funktionalitäten hinzugefügt haben.
  • Bei allen Operationen, für die der Schreib-/Lesekopf bewegt werden muss, sollte eine Wartezeit eingehalten werden, bis die nächste Operation folgt, da insbesondere Disketten sehr hohe Zugriffszeiten besitzen. Bei Fehlen dieser Wartezeiten funktioniert der Treiber oft nur in Emulatoren, versagt aber auf echter Hardware!
  • Der FDC kann nur Sektorangaben in CHS verarbeiten
  • Der FDC kann theoretisch bis zu vier Diskettenlaufwerke ansteuern, allerdings findet man heute wohl kein System mehr, welches mehr als zwei besitzt.
  • Diskettenlaufwerke sind sehr fehleranfällig! Deshalb muss ein Befehl oftmals mehrmals gesendet werden, bevor er funktioniert. Großzügige Timeouts sind Pflicht in jedem Treiber für Diskettenlaufwerke.

Verhalten in Emulatoren und echter Hardware

  • Bochs unterstützt nur die Übertragung der Daten via DMA. Allerdings ist dies auch die sinnvollste Variante.
  • Microsoft Virtual PC hat Probleme mit DMA, wenn das Auto Bit gesetzt ist. Damit der Code funktioniert, muss der DMA Transfer jedes Mal durch die CPU reinitialisiert werden.

Register

Übersicht

Name Port Beschreibung lesen/schreiben
SRA 0x3F0 Status Register A lesen
SRB 0x3F1 Status Register B lesen
DOR 0x3F2 Digital Output Register schreiben
TDR 0x3F3 Tape Drive Register lesen/schreiben
MSR 0x3F4 Main Status Register lesen
DRSR 0x3F4 Data Rate Select Register schreiben
DR 0x3F5 Data Register lesen/schreiben
DIR 0x3F7 Digital Input Register lesen
CCR 0x3F7 Configuration Control Register schreiben

Aufbau

Wenn nichts dasteht, gilt das Flag bei gesetztem Bit.

MSR

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Name MRQ DIO NDMA BUSY ACTD ACTC ACTB ACTA
MRQ
Status
0: DR nicht bereit
1: DR bereit
DIO
Daten I/O
0: CPU -> FDC (Daten schreiben)
1: FDC -> CPU (Daten lesen)
NDMA
DMA-Modus
0: DMA-Modus aktiviert
1: DMA-Modus deaktiviert
BUSY
BUSY (Befehl wird ausgeführt)
0: nicht busy
1: busy
ACTD-ACTA
Laufwerk D-A ist im Positionierungsmodus

DOR

Bit 7 6 5 4 3 2 1 – 0
Name MOTD MOTC MOTB MOTA DMA RESET DRIVE
MOTD-A
Motorsteuerung
0: Motor ausschalten
1: Motor anschalten
DMA
DMA und IRQ
0: deaktiviert
1: aktiviert
RESET
Controller Reset
0: Reset ausführen (!!!)
1: Controller aktiviert (Reset ausgeführt)
DRIVE
Laufwerk auswählen
00: Drive 0
01: Drive 1
10: Drive 2
11: Drive 3

DR

In das Data-Register werden die Befehle geschrieben, die jeweils aus mehreren Bytes bestehen. Nach manchen Befehlen werden die Status-Register im DR zurückgegeben.

ST0
Bit 7 – 6 5 4 3 2 1 – 0
Name IC SE UC NR HD US
IC
Interrupt Code
00: Der Befehl wurde ohne Fehler ausgeführt
01: Der Befehl wurde gestartet, aber nicht richtig beendet
10: invalid Command
11: Controller war nicht bereit (Polling)
SE
seek end
Der Controller hat einen Befehl mit implizitem Seek, Calibrate oder Seek erfolgreich ausgeführt
UC
unit check
Gesetzt bei Fehler
NR
drive not ready
HD
Aktiver Head
0: Head 0
1: Head 1
US
Aktives Laufwerk
00: A
01: B
10: C
11: D
ST1
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Name EN 0 DE TO 0 NDAT NW NID
EN
end of cylinder
Gesetzt, wenn die geforderte Sektoranzahl die Anzahl der Sektoren auf einer Spur überschreitet
DE
data error
Gesetzt bei einem Fehler im ID address field oder im data field
TO
time-out
Gesetzt, wenn der FDC keine Signale von CPU oder DMA empfängt
NDAT
no data
Gesetzt, wenn bei einem read sektor-Befehl der Sektor nicht gefunden wurde oder wenn der FDC nach einem read ID-Befehl die ID nicht lesen konnte
NW
not writeable
Gesetzt, wenn die Floppy schreibgeschützt ist
NID
no address mark
Gesetzt, wenn die ID Address Mark nicht gefunden wurde
ST2
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Name 0 DADM CRCE WCYL SEQ SERR BCYL NDAM
DADM
deleted address mark
Bei einem read Sector-Befehl: Eine gelöschte Data Address Mark wurde gefunden
Bei einem read deleted sector-Befehl: Eine gesetzte Data Address Mark wurde gefunden
CRCE
CRC error in data field
WCYL
wrong cylinder
SEQ
seek equal
SERR
seek error
BCYL
bad cylinder
NDAM
not data address mark DAM
ST3
Bit 7 6 5 4 3 2 1 – 0
Name ESIG WPDR RDY TRKO DSDR HDDR DS
ESIG
error
Gesetzt nach einem Fehler
WPDR
write protection
Gesetzt, wenn die Floppy schreibgeschützt ist
RDY
ready
Gesetzt, wenn das Laufwerk ready ist
TRKO
track 0
Der Head ist über Track 0 (?)
DSDR
double sided drive
Gesetzt, wenn die Floppy doppelseitig ist
HDDR
Head
0: Head 0
1: Head 1
DS
drive select
00: A
01: B
10: C
11: D

CCR

Im CCR sind nur die Funktionen der ersten zwei Bits definiert (Bit 0 und Bit 1):

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

Befehle

Senden von Befehlen

Das Senden von Befehlen erfolgt in drei Phasen:

  • Command-Phase: Der Befehl wird von der CPU an den FDC gesendet. Dafür werden die Daten, wie weiter unten beschrieben, in das Datenregister geschrieben. Vorher sollte getestet werden, ob dieses wirklich leer ist.
  • Execution-Phase: Der Befehl wird vom FDC ausgeführt. Dabei sollte im Treiber eine Wartezeit eingehalten werden, da Diskettenlaufwerke sehr langsam sind. Bei einigen Befehlen wird die Execution-Phase zusätzlich durch das Senden eines IRQs beendet.
  • Result-Phase: Bei einigen Befehlen liefert der FDC Daten zurück, z.B. ob der Befehl erfolgreich ausgeführt wurde. Diese müssen alle gelesen werden, damit erneut Befehle gesendet werden können.

Allgemeine Parameter

Abkürzung Beschreibung Empfohlener Wert für 3,5"
MT Multitrack, Befehl wird auf beiden Seiten der Diskette ausgeführt
DTL Datenlänge 0xFF
N Sektorengröße, wobei 0=128Byte, 1=256Byte, 2=512Byte, ... 2
Gap3 Abstand zwischen Sektoren 27
MFM High Density (HD) Mode 1
SK Skip Mode, als gelöscht markierte Daten werden automatisch übersprungen 1
Drive, Cylinder, Head, Sektor Positionsangabe für einen bestimmten Sektor einer Diskette. Siehe CHS
Trackgröße Anzahl der Sektoren, die auf einem Track („Ring“) liegen 18 (pro Track und Seite)

Technische Laufwerksdaten einstellen (3h)

Command Phase:

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
#1: 0 0 0 0 0 0 1 1
#2: Step Rate Head Unload Time
#3 Head Load Time Kein DMA

Result Phase: keine


Anmerkungen:

  • Die benötigten Daten sollten vom BIOS abgefragt werden (siehe unten).
  • Im DOR kann eingestellt werden, ob DMA/IRQ oder keins von beiden verwendet wird. Hier wird dann noch einmal explizit zwischen DMA (Bit gelöscht) und kein DMA (Bit gesetzt) entschieden.

Laufwerk kalibrieren (7h)

Command Phase:

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
#1: 0 0 0 0 0 1 1 1
#2: 0 0 0 0 0 Head Drive

Result Phase: keine


Anmerkungen:

  • Nach der Kalibrierung wird ein IRQ6 gesendet
  • Es kann passieren, dass der Befehl nicht funktioniert. Deshalb sollte mit "Interrupt Status überprüfen" (8h) überprüft werden, ob Bit 4 in St0 gelöscht ist.
  • Bei Disketten mit mehr als 80 Tracks muss dieser Befehl in jedem Fall mehrmals gesendet werden.

Laufwerksstatus überprüfen (4h)

Command Phase:

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
#1: 0 0 0 0 0 1 0 0
#2: 0 0 0 0 0 Head Drive

Result Phase:

ST3


Interrupt Status überprüfen (8h)

Command Phase:

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
#1: 0 0 0 0 1 0 0 0

Result Phase:

#1: ST0
#2: Aktueller Zylinder

Anmerkungen:

  • Dieser Befehl sollte immer gesendet werden, wenn der FDC einen IRQ 6 gesendet hat.
  • Er muss außerdem viermal (!) nach einem Reset des FDCs gesendet werden.
  • Die Zylindernummer ist oftmals falsch und sollte ignoriert werden.


Schreib- /Lesekopf positionieren (fh)

Command Phase:

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
#1: 0 0 0 0 1 1 1 1
#2: 0 0 0 0 0 Head Drive
#3: Cylinder

Result Phase: Keine


Anmerkungen:

  • Es kann passieren, dass der Befehl nicht funktioniert. Deshalb muss mit "Interrupt Status überprüfen" (8h) überprüft werden, ob Bit 5 in St0 gesetzt ist.
  • Nach Beendigung wird ein IRQ 6 gesendet.

Sektor schreiben (5h)

Command Phase:

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
#1: MT MFM SK 0 0 1 0 1
#2: 0 0 0 0 0 Head Drive
#3: Cylinder
#4: Head
#5: Sektor
#6: Sektorgröße N
#7: Letzter zu schreibender Sektor (im aktuellen Cylinder)
#8: GAP3
#9: DTL

Result Phase:

#1: ST0
#2: ST1
#3: ST2
#4: Cylinder
#5: Head
#6: Sektor
#7: Sektorgröße N

Anmerkungen:

  • Nach dem Schreibvorgang wird ein IRQ 6 gesendet.

Sektor lesen (6h)

Command Phase:

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
#1: MT MFM SK 0 0 1 1 0
#2: 0 0 0 0 0 Head Drive
#3: Cylinder
#4: Head
#5: Sektor
#6: Sektorgröße N
#7: Letzter zu lesender Sektor (im aktuellen Cylinder)
#8: GAP3
#9: DTL

Result Phase:

#1: ST0
#2: ST1
#3: ST2
#4: Cylinder
#5: Head
#6: Sektor
#7: Sektorgröße N

Anmerkungen:

  • Nach dem Lesevorgang wird ein IRQ 6 gesendet.

Kompletten Track lesen (2h)

Command Phase:

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
#1: 0 MFM SK 0 0 0 1 0
#2: 0 0 0 0 0 Head Drive
#3: Cylinder
#4: Head
#5: 0
#6: Sektorgröße N
#7: Track-Größe
#8: GAP3
#9: DTL

Result Phase:

#1: ST0
#2: ST1
#3: ST2
#4: Cylinder
#5: Head
#6: Sektor
#7: Sektorgröße N

Anmerkungen:

  • Dieser Befehl ließt alle Sektoren eines Tracks hintereinander ein
  • Der Befehl funktioniert nur für eine Seite der Diskette, für beide Seiten muss der Befehl mehrmals gesendet werden
  • Es ist immer schneller einen gesamten Track zu lesen anstatt einzeln jeden Sektor des Tracks.

Andere

Der FDC kennt noch weitere Befehle, auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Diese sind:

  • Gelöschten Sektor lesen / schreiben
  • Track formatieren
  • Sektor ID einlesen

Darüber hinaus gibt es noch erweiterte Befehle. Man kann sich aber nicht darauf verlassen, dass der eingebaute FDC diese unterstützt:

  • Register Zusammenfassung
  • Controller Version lesen
  • Bestätigen
  • Relatives Positionieren des Schreib-/Lesekopfes

Beispielcode

Erkennen von Diskettenlaufwerken

Zum Erkennen von den an den Computer angeschlossenen Diskettenlaufwerken gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Im Real Mode das BIOS fragen (in 0x13, ah=8), siehe dazu Interrupt 13h
  • Im CMOS nachschauen (Offset 0x10), hier sind allerdings keine technischen Daten abfragbar, sondern nur der Typ des Laufwerks

Daten/Befehle schreiben

Bevor man Daten bzw. Befehle ins Datenregister schreiben darf, muss man im MSR testen, ob das DIO-Bit gelöscht und das MRQ-Bit gesetzt ist. Erst dann ist das Datenregister leer und bereit Daten zu empfangen.

 
#define NO_ERROR       0
#define ERROR_TIMEOUT  1
 
uint8_t error = NO_ERROR;
 
void send_cmd(uint8_t cmd)
{
  send_data(cmd);
}
 
void send_data(uint8_t data)
{
  for (uint8_t timeout = 0; timeout < 200; timeout++)
  {
    if ( (inb(MSR) & (MSR_MASK_DATAREG | MSR_MASK_DIO2CPU)) == MSR_MASK_DATAREG)
    {
      outb(CMD, cmd);
      error = NO_ERROR;
      return;
    }
    sleep(5);  //5ms warten vor dem nächsten Versuch
  }
  error = ERROR_TIMEOUT;
  return;
}
 

Daten lesen

Ähnlich wie beim Senden von Daten müssen beim Lesen das MRQ-Bit und DIO-Bit gesetzt sein.

 
uint8_t read_data()
{
  for(uint8_t timeout = 0; timeout < 200; timeout++)
  {
    if( (inb(MSR) & (MSR_MASK_DATAREG | MSR_MASK_DIO2CPU)) == (MSR_MASK_DATAREG | MSR_MASK_DIO2CPU))
    {
      error = NO_ERROR;
      return inb(DATA);
    }
    sleep(5);
  }
  error = ERROR_TIMEOUT;
  return 0;
}
 

Motor starten/anhalten

 
void start_motor(uint8_t n)
{
  if (!drive_states[n].motor_on)
  {
    outb(DOR, n | (0x01<<(n+4)) | DOR_MASK_NRESET | DOR_MASK_DMA);
  }
}
 
void stop_motor(uint8_t n)
{
  if (drive_states[n].motor_on)
  {
    outb(DOR, n | DOR_MASK_NRESET | DOR_MASK_DMA);
  }
}
 

Laufwerk kallibrieren

 
void calibrate_drive(uint8_t drive)
{
...TODO
 

Schreib-/Lesekopf postionieren

 
bool seek_head(uint8_t cyl, uint8_t head, uint8_t sector)
{
...TODO
 

Reset

 
void reset()
{
  outb(DOR, 0);
  sleep(10);
  outb(DOR, DOR_MASK_NRESET | DOR_MASK_DMA);
  wait_irq();
  for(int i = 0; i < 4; i++)
  {
    check_interrupt_status();
  }
  outb(CCR, 0);
 
  /* TODO: zusätzlich sollten jetzt noch die Laufwerke kallibriert werden */
}
 

Sektoren lesen/schreiben

Die folgende Funktion nutzt Code aus dem DMA Artikel:

 
#define CMD_WRITE_SECTOR	(0x05 | 0x40)
#define CMD_READ_SECTOR		(0x06 | 0x40)
 
bool transfer_sector(uint8_t drive, uint8_t cylinder, uint8_t head, uint8_t sector, bool write, void* buffer)
{
  select_drive(drive);   //TODO
  start_motor(drive);    //TODO
  seek_head(drive);      //TODO
 
  dma_begin_transfer(buffer, write);
  for (int i = 0; i<5; i++)
  {
    send_command(wrie ? CMD_WRIE_SECTOR : CMD_READ_SECTOR);
    send_data(drive | head<<2);
    send_data(cylinder);
    send_data(head);
    send_data(sector);
    send_data(2);
    send_data(sector); // Letzter zu transferierender Sektor
    send_data(27);
    send_data(0xFF);
    wait_irq();
    read_data();  //st0
    read_data();  //st1
    read_data();  //st2
    read_data();  //cylinder
    read_data();  //head
    read_data();  //sector
    read_data();  //Sektorgröße
    if ( inb(MSR) & 0xC0)
    {
      check_interrupt_status();
      return true;
    }
  }
  /* fünf Fehlversuche */
  return false;
}
 

Siehe auch

Interrupt 13h - Disketten- und Festplattenzugriff

Weblinks

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