Odczyt Winchestera

Winchester w zewnętrznej obudowie

Jednym z nośników danych zapisanych na MERZE-400, które przetrwały do dziś jest dysk Winchester zamontowany w minikomputerze znajdującym się w Muzeum Techniki w Warszawie. Minikomputer ten wypożyczony został Muzeum przez Politechnikę Gdańską, gdzie działał w Instytucie Okrętowym jako maszyna, na której m.in. zespół rozwijający CROOK-a pracował nad swoim systemem. Sam fakt, że dysk zawiera dane zapisane na MERZE-400 czyni go interesującym, a źródło jego pochodzenia jego wartość tylko podnosi, dając nadzieję na pozyskanie niezwykle cennych danych.

Nośnik danych

NEC D5126

Nośnik danych to dysk z interfejsem ST-506, NEC D5126. Jego podstawowe parametry:

• 5.25"
• pojemność: 20 MB
• 2 talerze
• 4 głowice w zespole poruszanym za pomocą silnika krokowego
• 615 cylindrów
• 17 sektorów/ścieżkę
• brak autoparkowania, ścieżka parkingowa: 664
• transfer: 5Mbit/s

Dysk znajduje się w zewnętrznej 19" obudowie, która oprócz niego zawiera również napęd dysków elastycznych 5,25". Elementy te podłączone są osobnymi kablami sygnałowymi do odpowiednich kontrolerów procesora peryferyjnego PLIX. Poza nimi, w obudowie zamontowany jest jedynie zasilacz +5/+12V oraz duży wentylator z tyłu obudowy.

Kontroler dysku zbudowany przez Amepol opiera się na układzie Intel C82062 zaprojektowanym dla komputerów z procesorami 80186. Realizuje on zapis i odczyt danych w standardzie MFM, który jako pierwszy używany był dla dysków z interfejsem ST-506.

Pierwsze próby odczytu

Kontroler MFM WD1006V-MM1

Amepol używał w swoich konstrukcjach standardowych komponentów, używanych również w początkach ery komputerów PC. Pierwszym nasuwającym się sposobem odczytu zawartości dysku było więc użycie odpowiedniego kontrolera dla PC/XT lub AT. Takie komponenty są wciąż dostępne, wymagają jedynie komputera wyposażonego w szynę ISA (8 lub 16-bit, w zależności od typu kontrolera). Złącza ISA obecne są jeszcze w stosunkowo nowych płytach głównych, co pozwala na użycie w miarę współczesnego komputera PC. Zarówno kontrolery MFM jak i dyski tego typu są wciąż obsługiwane przez system operacyjny GNU/Linux, tak więc zbudowanie kompletnego środowiska uruchomieniowego było jak najbardziej możliwe.

Próba odczytu dysku przy użyciu takiego właśnie zestawu z kontrolerem MFM Western Digital WD1006V-MM1 zakończyła się niepowodzeniem. Dysk okazał się być sprawny mechanicznie i elektrycznie, ale kontroler raportował jedynie błędy odczytu.

Początkowo nie był znany układ, którego użył Amepol do konstrukcji interfejsu dla Winchestera, istniało więc prawdopodobieństwo, że układ ten realizował zapis w standardzie RLL. Przeprowadzone zostały więc próby odczytu z dwoma różnymi kontrolerami RLL: Western Digital WD1002A-27X oraz WD1003-RA2, zakończone również niepowodzeniem.

Uniwersalny czytnik dysków Winchester

Ponieważ próby odczytu za pomocą kontrolera MFM WD1006V-MM1 nie przyniosły pozytywnego rezultatu, należało założyć, że format zapisu danych jest inny od standardu MFM dla dysków ST-506 obsługiwanych przez użyty kontroler. Jest to prawdopodobne, ponieważ na początku ery tego interfejsu kontrolery różnych producentów nie zawsze były ze sobą w pełni kompatybilne. Poszukiwanie odpowiedniego, kompatybilnego kontrolera mogłoby okazać się zadaniem trwającym wieczność, potrzebne więc było alternatywne rozwiązanie, które idealnie pozwoliłoby odczytać dane niezależnie od:

• użytej metody zapisu,
• formatu ścieżki i sektora,
• stanu danych (ewentualne uszkodzenia sektorów).

Takie rozwiązanie istnieje dzięki temu, że interfejs ST-506 pozwala na dostęp do danych zapisanych na powierzchni nośnika na bardzo niskim poziomie. Sygnał danych wyprowadzony tym interfejsem jest niemalże wprost sygnałem pochodzącym z głowic dysku, bez żadnej obróbki logicznej. Można więc przeprowadzić procedurę, która polegałaby na:

1. Zarejestrowaniu na nośniku zewnętrznym sygnału z głowic dysku, kolejno dla każdej ścieżki i głowicy.
2. Analizie zapisu i odczytaniu z niego właściwych danych bajtowych.

Praktyczna realizacja zadania polega na:

1. Zbudowaniu urządzenia, które będzie potrafiło:
   • zgodnie ze specyfikacją ST-506 sterować dyskiem (pozycjonować i wybierać głowice, odczytywać stan dysku)
   • próbkować sygnał danych z odpowiednio wysoką częstotliwością
   • komunikować się z komputerem PC (otrzymywać polecenia, raportować stan dysku, przesyłać próbkowane dane)
2. Napisaniu oprogramowania (firmware) takiego urządzenia
3. Napisaniu oprogramowania realizującego proces obrazowania całego dysku
4. Przeanalizowaniu otrzymanego zapisu w poszukiwaniu sposobu i formatu zapisu danych
5. Napisaniu oprogramowania analizującego fizyczny obraz dysku i przygotowującego bajtowy obraz wynikowy

Realizacja

"Czytnik" dysków Winchester

Dyski z interfejsem ST-506 wyposażone są w dwa złącze krawędziowe: jedno służy do przesyłania sygnałów sterujących, drugie do przesyłania danych. Wszystkie sygnały sterujące zrealizowane są w standardzie TTL z logiką ujemną (aktywne 0). Sygnały na liniach danych, zarówno odczytu jak i zapisu, to różnicowonapięciowy RS-422.

Urządzenie zostało zaimplementowane w oparciu o cztery główne elementy:

• AVR/Atmega162 z zewnętrznym oscylatorem 16MHz w roli kontrolera dysku
• Texas Instruments SN75176BP użyty do konwersji sygnału RS-422 do poziomów TTL
• Programowalny analizator stanów logicznych użyty jako sampler sygnału danych pracujący z częstotliwością 100MHz
• FTDI FT232RL jako interfejs USB dla kontrolera, do komunikacji z PC

Schemat blokowy "czytnika" dysków Winchester

Zarówno kontroler jak i sampler podłączone są do komputera PC za pomocą złącz USB. Kontroler widziany jest jako urządzenie za portem szeregowym, sampler używa własnego protokołu transmisji i jest dostępny dzięki bibliotece dostarczonej przez producenta. W całym systemie są trzy elementy programowe:

1. WDC (Winchester Disk Controller, C) - oprogramowanie mikrokontrolera AVR, tłumaczące komendy odbierane z portu szeregowego na sekwencje sygnałów sterujących dyskiem i zapewniające jego obsługę zgodnie z wymaganiami standardu
2. WDS (Winchester Data Sampler, C++) - oprogramowanie automatyzujące proces obrazowania dysku, realizuje dwie funkcje:
   • komunikuje się kontrolerem w celu wybrania dysku, ustalenia pozycji głowic, wybrania głowicy i odczytu stanu napędu
   • komunikuje się z samplerem inicjalizując proces obrazowania ścieżki i zapisuje obrazy kolejnych ścieżek na dysk komputera
3. WDA (Winchester Data Analyzer, Python) - umożliwia przeprowadzenie analizy fizycznego obrazu dysku i zapisuje bajtowy obraz danych

Odczyt dysku

Proces obrazowania dysku odbył się w Muzeum Techniki i tym razem zakończył powodzeniem. Wykonanie pełnego obrazu dysku trwało około 10 minut i dawało w wyniku około 500MB danych z zapisem sygnału na wszystkich ścieżkach dysku. Tak duży rozmiar (w porównaniu do 20 MB pojemności dysku) wynika z trzech faktów:

• 20 MB to powierzchnia dysku po jego sformatowaniu. Rzeczywista ilość danych na ścieżce jest powiększona o nagłówki sektorów i inne struktury organizujące zapis
• Jeden bit danych zapisywany jest za pomocą dwóch bitów zapisu MFM (zegar i dane)
• Sygnał próbkowany był z częstotliwością dziesięciokrotnie wyższą, niż zegar użyty do zapisu MFM

Następnym krokiem było poznanie sposobu zapisu oraz formatu ścieżki i sektora, użytych przez Amepol. Krok ten ułatwia graficzny analizator zapisu, pokazujący spróbkowany sygnał z nałożonymi na niego wynikami działania algorytmów analizujących jego przebieg.

Graficzny interfejs analizatora zapisu MFM

Z jego pomocą możliwe było dobranie optymalnych parametrów pracy algorytmów (dających później poprawne wyniki analizy dla wszystkich ścieżek). Analiza pokazała, że na dysku użyty został zapis MFM zgodny ze standardem używanym w napędach ST-506. Powody, dla których nie udała się pierwsza próba odczytu były dwa, z których pierwszy był pewną przyczyną niepowodzenia:

1. Amepol sformatował dysk używając 16 sektorów na ścieżkę, a nie 17, jak mówi specyfikacja dysku.
2. Układ Intel C82062 użyty przez Amepol korzysta z 16-bit CRC do liczenia zarówno sum kontrolnych nagłówków sektorów, jak i danych w sektorze. Kontroler WD1006V-MM1 używał 16-bit CRC dla nagłówków, ale dane były już zabezpieczane 32-bit CRC.

Po skonfigurowaniu analizatora (WDA), przeprowadzona została kompletna analiza obrazu, której kroki obejmowały:

• odtworzenie zegara, który został użyty przy zapisie,
• odnalezienie znaczników MFM, które sygnalizowały początki nagłówków sektorów i początki danych w sektorze
• pogrupowanie bitów sygnału MFM w pary (zegar, dane), co umożliwiło jego rozkodowanie do bajtów stanowiących treść struktury sektora
• odczytanie nagłówków sektorów, zweryfikowanie sum kontrolnych nagłówków, określenie ich adresów
• odczytanie danych zapisanych w sektorach, zweryfikowanie sum kontrolnych
• złożenie zawartości sektorów w bajtowy obraz ścieżki
• złożenie bajtowych obrazów ścieżek w kompletny obraz dysku