Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия

9.1. Интерфейс НГМД

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) подключаются к контроллеру через специальный стандартный интерфейс. Основные функции по управлению НГМД, а также кодирование-декодирование данных выполняет контроллер, расположенный на большинстве современных системных плат. Раньше контроллер часто выносили на специальную карту расширения («в компании» с интерфейсом НЖМД). На плате электроники, установленной на корпусе НГМД, расположены только схемы приводов двигателей, усилители-формирователи сигналов записи и считывания и формирователи сигналов от датчиков.

9.1.1. Аппаратный интерфейс

Все сигналы интерфейса НГМД являются логическими с уровнями ТТЛ, активный уровень — низкий. Формирователи выходных сигналов накопителя имеют выход типа «открытый коллектор». Интерфейс подразумевает наличие терминаторов — нагрузочных резисторов — для каждой сигнальной линии устройства. Теоретически их предполагалось включать только на последнем дисководе в шлейфе, практически же их никогда и не отключают. Современные трехдюймовые накопители используют «распределенный терминатор» — резисторы с относительно высоким сопротивлением (1–1,5 кОм), постоянно соединяющие входные линии интерфейса с шиной +5 В. Низкие частоты интерфейсных сигналов позволяют не задумываться о точности согласования импеданса шлейфа и сопротивления терминатора. Однако если на шлейфе стоят только старые 5"-накопители со снятыми терминаторами, они могут отказаться надежно работать (выходные линии с открытым коллектором останутся без нагрузки).

Логически интерфейс довольно прост. Для того чтобы заставить накопитель работать, его нужно выбрать сигналом Drive Sel и запустить мотор шпинделя сигналом Motor On. Для выборки накопитель имеет четыре сигнала DS0…DS3, но отзывается только на один из них, определенный установкой джамперов. Выбранный накопитель воспринимает управляющие сигналы от контроллера и передает контроллеру свои выходные сигналы. О том, что накопитель выбран, свидетельствует светодиодный индикатор на его лицевой панели.

Для перемещения головок на один шаг контроллер должен подать импульс Step; направление перемещения определяется уровнем сигнала Direction: при низком уровне (сигнал активен) перемещение происходит в сторону центра диска (номер трека увеличивается). Нулевой трек контроллер находит, перемещая головки от центра до появления сигнала Track 00. Выбор номера головки производится сигналом Side 1. Начало трека накопитель отмечает импульсом Index, который вырабатывается при прохождении индексного отверстия вращающейся дискеты мимо датчика. Считываемые данные в закодированном (MFM) виде (но усиленные и сформированные в ТТЛ-сигнал) поступают от накопителя по линии Read Data. Для включения режима записи служит сигнал Write Gate, закодированные данные в цифровом виде поступают от контроллера по линии Write Data. Если установлена дискета, защищенная от записи, накопитель сообщит об этом сигналом Write Protect. Для снижения тока записи, которое требуется при работе накопителей HD с дискетами DD и QD, предназначен сигнал Reduce Write, его иное название — Low Current или FDHDIN. Для переключения головок на «вертикальную запись» (для дискет 2,88 Мбайт) служит сигнал FDEDIN. Оба эти сигнала вырабатываются контроллером, но для самого дисковода они дублируются сигналами от датчиков типа дискеты (сигнал FDEDIN необязателен, дисковод сам переключится по сигналу от датчика). Некоторые модели дисководов позволяют изменить описанный способ работы датчиков типа дискеты, принятый для PC-совместимых ПК, — они могут быть отключены или выполнять информирование контроллера. Однако практически все контроллеры сами управляют линиями интерфейса, соответствующими сигналам от этих датчиков. В этом управлении учитывается тип дисковода, описанный в CMOS Setup, и заказанный формат дискеты. Сигнал Reduce Write (низкий уровень) формируется контроллером при любом обращении к дисководу, описанному в CMOS как HD (High Density — высокая плотность, емкость 1,2 или 1,44 Мбайт), для работы с дискетами DD или QD (360 или 720 Кбайт). В некоторых контроллерах этот сигнал формировался, только когда контроллер настроен на скорость 300 Кбит/с (дискета 360/720 Кбайт в дисководе на 1,2 Мбайт). Такой контроллер может надежно форматировать и записывать дискеты 720 Кбайт в приводе на 1,44 Мбайт только при наличии правильно сконфигурированного датчика HD, иначе он все 3,5" дискеты будет записывать с высоким током записи, недопустимым для дискет QD.

Накопители HD при смене дискеты устанавливают сигнал Disk Changed, который сбрасывается после обращения к этому накопителю. Этот сигнал заслуживает особого внимания. Он имеется только у дисководов HD и ED (Extra High Density, малораспространенные дисководы на 2,88 Мбайт), причем способ использования этого контакта может определяться джамперами дисковода. В PC соответствующий джампер устанавливается в положение DC (Disk Change). Альтернативное использование этой линии — сигнализация готовности устройства, что может обозначаться как RY, RDY или SR, — для PC непригодно.

Заметим, что в интерфейсе нет никаких сигналов, прямо информирующих контроллер о готовности — наличии установленной дискеты. Контроллер может определить готовность, лишь выбрав накопитель и запустив мотор. Тогда отсутствие импульсов Index будет означать неготовность — нет дискеты или она не зафиксирована на шпинделе, или же не подключен дисковод (интерфейс или питание). Наличие дисковода контроллер может определить с помощью команды рекалибровки (см. ниже) — при ее выполнении дисковод должен подать сигнал Track00.

Все НГМД, применяемые в PC, независимо от типа и размера имеют одинаковый интерфейс и унифицированные 34-контактные разъемы двух типов: с печатными двусторонними ламелями у устройств 5" и двухрядными штырьковыми контактами у устройств 3,5". Используемый в PC кабель-шлейф имеет перевернутый фрагмент из 7 проводов с номерами 10–16 (рис. 9.1). Этот поворот позволяет подключать к контроллеру одним шлейфом до двух НГМД, причем адрес накопителя определяется его положением на шлейфе: для привода А: фрагмент перевернут, для В: — нет. Универсальный шлейф с пятью разъемами, изображенный на рисунке, позволяет подключать пару любых дисководов, которые должны располагаться в разных зонах шлейфа. Некоторые разъемы могут и отсутствовать, что сковывает свободу конфигурирования дисководов. В табл. 9.1 описан интерфейсный кабель с сигналами, приходящими на разные накопители. Направление сигналов (I/O — ввод-вывод) указано относительно контроллера.

Рис. 9.1. Кабель интерфейса НГМД

Таблица 9.1. Кабель интерфейса НГМД

Контроллер	Дисковод В:	Дисковод A:
Контакт¹	Сигнал	I/O	Контакт¹	Сигнал	Контакт¹	Сигнал
2	FDHDIN (Reduce Write)	О	2	Low Current	2	Low Current
4	Резерв	–	4	Резерв	4	Резерв
6	FDEDEIN	–	6	FDEDIN (DS3)	6	FDEDIN (DS3)
8	Index	I	8	Index	8	Index
10	Motor On A	O	10	DS0	16	Motor²
12	Drive Sel 1	O	12	DS11	14	DS2
14	Drive Sel 0	О	14	DS2	12	DS11
16	Motor On В	О	16	Motor²	10	DS0
18	Direction	О	18	Direction	18	Direction
20	Step	О	20	Step	20	Step
22	Write Data	О	22	WData	22	Wdata
24	Write Gate	О	24	WGate	24	Wgate
26	Track 00	I	26	TR 00	26	TR 00
28	Write Protect	I	28	WProt	28	WProt
30	Read Data	I	30	RData	30	Rdata
32	Side 1	O	32	Side 1	32	Side 1
34³	Disk Changed	I	34³	DC	34³	DC

¹ Нечетные контакты 1-33 — земля. Для дисководов 5" ключ между контактами 4–5 и 6–7.

² Пара сигналов, обеспечивающая выборку FDD (Motor On А и Drive Sel 0 для дисковода А: и Motor On В и Drive Sel 1 для дисковода В:).

³ Контакт 34 в XT не используется.

Контроллер НГМД и интерфейсный кабель, принятый в PC, позволяют адресоваться к одному из двух накопителей и включать мотор сигналами Drive Sel 0 и Motor On А для накопителя А: и Drive Sel 1 и Motor On В для накопителя В:. При этом на обоих накопителях джамперы устанавливаются так, что они отзываются на сигнал DS 1 (контакт 12 разъема). Обычно джамперы на дисководе обозначаются DS0/DS1/DS2/DS3, и следует установить джампер DS1. Если джамперы обозначаются как DS1/DS2/DS3/DS4, что встречается нечасто, то следует установить DS2. Принятая система выборки позволяет все дисководы конфигурировать однотипно, а адрес задавать положением на шлейфе. В некоторых специфических клонах PC применяют иную систему выборки накопителей и «прямой» кабель-шлейф. При этом используется выборка устройства сигналом DS0, ко переключение выборки на эту линию некоторыми накопителями не поддерживается, в результате замена накопителей в этих «фирменных» машинах может стать хлопотным делом, особенно при отсутствии технической документации.

9.1.2. Контроллер НГМД

Программное взаимодействие с НГМД производится через контроллер накопителей на гибких дисках FDC (Floppy Drive Controller), как правило, при участии контроллера DMA и прерываний. Программирование контроллера НГМД для выполнения операций с дискетами — довольно хлопотное занятие (см. [4, 8, 9]). Все функции, необходимые для использования НГМД в качестве устройств хранения данных, реализованы сервисами BIOS Int 13h (см. 12.8.1) и ОС. Игнорирование сервисов BIOS и даже ОС оправданно в основном лишь для нетривиальных задач типа работы с ключевыми дискетами и т. п.

Все контроллеры, применяемые в IBM PC, обеспечивают совместимость с «исторической» микросхемой контроллера NEC PD765, которая является аналогом i8272. Контроллер FDC АТ поддерживает два накопителя; он позволяет работать со скоростями передачи данных 250 Кбит/с (для работы с дискетами SD, DD и QD в старых дисководах 5"), 500 Кбит/с для плотности HD (1,2 и 1,44 Мбайт), а также 300 Кбит/с для работы с дискетами SD, DD и QD в приводах HD 5". Современные контроллеры, поддерживающие накопители ED (2,88 Мбайт), должны обеспечивать и скорость 1000 Кбит/с. Режимы контроллеров, соответствующие скоростям 250/300, 500 и 1000 Кбит/с, обозначаются соответственно 1М, 2М и 4М. В режиме 1М на одном треке умещается 9 секторов (по 512 байт); для этого при частоте вращения 300 об/мин требуется скорость 250 Кбит/с, а при 360 об/мин — 300 Кбит/с. В режиме 2М при частоте вращения 300 об/мин (у дисководов HD 3,5") на одном треке умещается 18 секторов, а при частоте вращения 360 об/мин (у дисководов HD 5") — 15 секторов. Режим 4М, похоже, так и останется невостребованным. Выбор скорости задает частоту синхронизации при записи и форматировании, а также настраивает цепи ФАПЧ сепаратора данных контроллера. Сепаратор данных способен устойчиво выделять данные и синхросигнал из сигнала, принятого с головки, лишь при небольших (порядка ±10%) отклонениях скорости от номинала, поэтому скорость должна быть правильно выбрана для всех операций обмена данными с диском.