Floppy Disk Controller

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

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. <c>

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;

} </c>

Daten lesen

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

<c> 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;

} </c>

Motor starten/anhalten

<c> 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);
 }

} </c>

Laufwerk kallibrieren

<c> void calibrate_drive(uint8_t drive) { ...TODO </c>

Schreib-/Lesekopf postionieren

<c> bool seek_head(uint8_t cyl, uint8_t head, uint8_t sector) { ...TODO </c>

Reset

<c> 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 */

} </c>

Sektoren lesen/schreiben

Die folgende Funktion nutzt Code aus dem DMA Artikel: <c>

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;

} </c>

Siehe auch

Interrupt 13h - Disketten- und Festplattenzugriff

Weblinks

Floppy Disk Controller

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften und Besonderheiten

Verhalten in Emulatoren und echter Hardware

Register

Übersicht

Aufbau

MSR

DOR

DR

ST0

ST1

ST2

ST3

CCR

Befehle

Senden von Befehlen

Allgemeine Parameter

Technische Laufwerksdaten einstellen (3h)

Laufwerk kalibrieren (7h)

Laufwerksstatus überprüfen (4h)

Interrupt Status überprüfen (8h)

Schreib- /Lesekopf positionieren (fh)

Sektor schreiben (5h)

Sektor lesen (6h)

Kompletten Track lesen (2h)

Andere

Beispielcode

Erkennen von Diskettenlaufwerken

Daten/Befehle schreiben

Daten lesen

Motor starten/anhalten

Laufwerk kallibrieren

Schreib-/Lesekopf postionieren

Reset

Sektoren lesen/schreiben

Siehe auch

Weblinks

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