وحدة تحكم القرص المرن

وحدة تحكم القرص المرن ( FDC ) هي مكون مادي يُوجّه ويتحكم في عمليات القراءة والكتابة من وإلى محرك الأقراص المرنة (FDD) في الحاسوب. وقد تطورت من مجموعة منفصلة من المكونات على لوحة دوائر واحدة أو أكثر إلى دائرة متكاملة (IC أو "شريحة") ذات غرض خاص، أو أحد مكوناتها. تتولى وحدة تحكم القرص المرن مسؤولية قراءة البيانات الواردة من الحاسوب المضيف وتحويلها إلى تنسيق القرص باستخدام إحدى طرق التشفير، مثل تشفير FM (كثافة أحادية) أو تشفير MFM (كثافة مزدوجة)، ثم قراءة هذه التنسيقات وإعادتها إلى قيمها الثنائية الأصلية.

بحسب المنصة، كان نقل البيانات بين وحدة التحكم والحاسوب المضيف يتم بواسطة المعالج الدقيق الخاص بالحاسوب ، أو معالج دقيق مخصص منخفض التكلفة مثل MOS 6507 أو Zilog Z80 . تطلبت وحدات التحكم الأولى دوائر إضافية لأداء مهام محددة، مثل توفير إشارات الساعة وضبط خيارات متنوعة. أما التصاميم اللاحقة، فقد تضمنت المزيد من هذه الوظائف في وحدة التحكم نفسها، مما قلل من تعقيد الدوائر الخارجية؛ وأصبحت حلول الشريحة الواحدة شائعة بحلول أواخر ثمانينيات القرن العشرين.

بحلول تسعينيات القرن العشرين، بدأت الأقراص المرنة تفسح المجال تدريجيًا للأقراص الصلبة ، التي تتطلب وحدات تحكم مماثلة. في هذه الأنظمة، غالبًا ما كانت وحدة التحكم تتضمن متحكمًا دقيقًا لإدارة نقل البيانات عبر موصلات قياسية مثل SCSI و IDE ، والتي يمكن استخدامها مع أي جهاز كمبيوتر. أما في الأنظمة الحديثة، فإن وحدة التحكم في القرص المرن (FDC)، إن وُجدت، تُعد عادةً جزءًا من الوظائف العديدة التي توفرها شريحة إدخال/إخراج فائقة واحدة .

تم شحن أول وحدة تحكم لمحرك الأقراص المرنة (FDC)، على غرار أول محرك أقراص مرنة (IBM 23FD)، في عام 1971 كمكون في وحدة التحكم بالتخزين IBM 2385 لمحرك الأقراص ذي الرأس الثابت IBM 2305 ، ^{[ 1 ]} وفي طرازي System 370 155 و 165 . وتستخدم وحدة التحكم بالتخزين IBM 3830، وهي وحدة تحكم معاصرة ومماثلة إلى حد كبير، معالجها الداخلي للتحكم في محرك 23FD. ^{[ 2 ]} وتُعد وحدة التحكم FDC الناتجة تطبيقًا بسيطًا في دوائر MST الهجينة من IBM على عدد قليل من لوحات الدوائر المطبوعة. ^{[ 2 ]} وكان محرك الأقراص ووحدة التحكم FDC والوسائط ملكية خاصة لشركة IBM، وعلى الرغم من أن الشركات المصنعة الأخرى قدمت محركات أقراص مرنة مبكرة قبل عام 1973، إلا أنه لم تكن هناك معايير لوحدات التحكم FDC أو محركات الأقراص أو الوسائط.

أدى طرح نظام إدخال البيانات 3740 من شركة IBM عام 1973 إلى وضع معيار الوسائط الأساسي للقرص المرن أحادي الجانب ذي 8 بوصات، وهو قرص IBM المرن من النوع 1 ، والذي تسبب، إلى جانب المتطلبات المتزايدة بسرعة للتخزين المباشر القابل للإزالة وغير المكلف للعديد من التطبيقات الصغيرة، في نمو هائل في شحنات محركات الأقراص ووحدات التحكم. ^{[ 3 ]}

قبل ظهور إصدارات الدوائر المتكاملة ذات الأغراض الخاصة، كانت معظم الدوائر المتكاملة المرنة تتألف من دائرة مطبوعة واحدة على الأقل مُنفذة باستخدام 40 دائرة متكاملة أو أكثر. ^{[ 4 ]} ومن أمثلة هذه الدوائر المتكاملة المرنة ما يلي:

• ١٩٧٣: وحدة التحكم المرنة (FDC) في جهاز IBM 3741 هي نوع من المتحكمات الدقيقة التي تستقبل الأوامر من المعالج الدقيق للنظام (MPU، وفقًا لمصطلحات IBM) وتنفذها على القرص المرن 33FD المرفق بشكل مستقل قدر الإمكان. تستقبل هذه الوحدة وتنفذ الأوامر التالية: تحديد/إيقاف، فحص الكتابة، البحث للأسفل، البحث للأعلى، قراءة البيانات، قراءة المعرف، كتابة البيانات، التحكم في الكتابة، كتابة المعرف، ضبط الجاهزية، إعادة ضبط عداد الوصول، ولا شيء (لا عملية). تم تنفيذها باستخدام دوائر MST الهجينة من IBM على اللوحة الأم بالإضافة إلى لوحة دوائر مطبوعة منفصلة لفصل البيانات (VFO). ^{[ ٥ ]} ساهمت وحدة التحكم المرنة هذه من IBM في ترسيخ قرص IBM من النوع الأول كأول وسيط تخزين مرن قياسي في الصناعة، ولكن لم يتم اعتماد واجهتها مع المعالج الدقيق المضيف ولا واجهتها مع القرص المرن 33FD كمعايير صناعية.
• في عام 1974، احتوى جهاز iCOM FD360 على وحدة تحويل مرنة مبكرة، هي CF 360، والتي كانت تُنتج وسائط تخزين متوافقة مع معايير الصناعة، وتتصل بناقلات مضيفة متوافقة مع معايير الصناعة، وتدعم محركات الأقراص المرنة المتوافقة مع معايير الصناعة. ^{[ 6 ] [ 7 ]} تم تنفيذ وحدة التحويل المرنة هذه على لوحة دوائر مطبوعة (PCB) بحجم 12 × 9 بوصات تقريبًا كآلة حالة باستخدام 30 دائرة متكاملة. ^{[ 8 ]}
• 1976: جهاز FD0300 FDC من شركة Scientific Micro Systems ^{[ 9 ]،} المبني على لوحة دوائر مطبوعة بحجم 8 بوصات × 12 بوصة، يحتوي على معالج دقيق وحوالي 50 دائرة متكاملة، وهو مصمم لتوفير سهولة التوصيل بعدد من ناقلات المضيف. ^{[ 10 ]}
• في عام 1976، طرحت شركة شوغارت أسوشيتس أول محرك أقراص مرنة بحجم 5.25 بوصة، بالإضافة إلى أول وحدة تحكم في الأقراص المرنة (FDC) لهذا الحجم، وهي SA4400. ^{[ 11 ]} تقوم وحدة SA4400 بوظائف التحكم لنقل البيانات بين النظام المضيف وما يصل إلى 3 محركات أقراص باستخدام واجهة مضيف عامة للأغراض العامة ذات 8 بت، والتي تقوم بتهيئة الأقراص وفقًا لمواصفات تنسيق وسائط IBM 3740 المعدلة. يتم التحكم في وحدة التحكم في الأقراص المرنة بواسطة معالج دقيق، وهي مُثبتة على لوحة دوائر مطبوعة (PCB) بأبعاد 5.75 × 9.50 بوصة، وتحتوي على 45 دائرة متكاملة. ^{[ 12 ]} أصبحت واجهة محرك الأقراص وأشكال الوسائط معايير صناعية، ثم تطورت الوسائط بمرور الوقت لدعم عدد من التنسيقات المختلفة .
• ١٩٧٧: تم تصميم جهاز Apple Disc II FDC، المعروف باسم "Woz Machine" ، باستخدام ٨ دوائر متكاملة فقط. ^{[ ٤ ] [ ١٣ ]} وكما هو الحال مع جهاز IBM 3830 FDC الأقدم منه بكثير، فقد حقق هذا الجهاز تقليل عدد المكونات من خلال استخدام المعالج المضيف والبرنامج الثابت. تتميز واجهته مع جهاز Apple المضيف، وكذلك واجهته مع محرك الأقراص المرنة Apple مقاس ٥¼ بوصة، بأنها فريدة من نوعها، ولم يتم اعتمادها كمعيار صناعي.

أول دائرة متكاملة للأغراض الخاصة تم تنفيذها كدائرة متكاملة خاصة هي Western Digital FD1771 ^{[ 14 ]} التي تم الإعلان عنها في 19 يوليو 1976. ^{[ 15 ]} كان التصميم الأولي يدعم تنسيقًا واحدًا ويتطلب دوائر إضافية، ولكن بمرور الوقت، كعائلة، أصبح التصميم متعدد المصادر وتطور لدعم العديد من التنسيقات وتقليل الدوائر الخارجية.

الأُعلن عن جهاز NEC μPD765 في عام 1978 ^{[ 16 ]} ، وفي عام 1979 قدمت شركة NEC...كانت شريحة μPD72068 متوافقة برمجياً مع شريحة μPD765، وتتضمن مُذبذب PLL رقمي . ^{[ 17 ]} أصبحت شريحة μPD765 معياراً شبه صناعي عند اعتمادها في جهاز IBM PC الأصلي (1981)؛ حيث وُضعت وحدة FDC فعلياً على بطاقة محول خاصة بها مع دوائر الدعم. أنتجت شركات أخرى، مثل إنتل، أجزاءً متوافقة. تطور هذا التصميم بمرور الوقت ليصبح عائلة توفر وحدة FDC شبه كاملة على شريحة واحدة. ^{[ 18 ]}

اعتبارًا من مارس 1986، قامت شركة شارب بتسويق جهاز FDC LH0110. ^{[ 19 ]}

في أوائل عام 1987، قدمت شركة إنتل وحدة التحكم المتكاملة للغاية في الأقراص المرنة 82072 CHMOS لاستخدامها في أجهزة الكمبيوتر الشخصية القياسية في الصناعة. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

يدعم متحكم الأقراص المرنة من سلسلة Intel 82078 متحكم الأقراص المرنة من سلسلة 82077AA/SL، وهو معيار صناعي. وكانت هذه المتحكمات متوفرة بسعر يتراوح بين 4 و6 دولارات أمريكية للوحدة الواحدة بكميات تصل إلى 1000 وحدة، وذلك حسب الإصدار. ^{[ 22 ]}

• يحتوي كل من 82078-1 على حزمة QFP ذات 44 و 64 سلكًا . يدعم هذا معدلات نقل بيانات تصل إلى 2 ميجابايت/ثانية.
• يأتي كل من 82078SL بحزمة QFP ذات 44 و 64 طرفًا. تتميز هذه الحزمة بدعم جهد 3.3 فولت وإدارة طاقة محسّنة تسمح بخفض استهلاك الطاقة إلى أقل من 50 ميكروأمبير.

في نهاية المطاف، أصبح مُتحكم الأقراص المرنة (FDC) جزءًا من شريحة الإدخال /الإخراج الفائقة (Super I/O) أو شريحة الجسر الجنوبي (Southbridge ) في معظم أنظمة الحاسوب . ^{[ 18 ] [ 23 ] [ 24 ]} ومع ذلك، في اللوحات الأم اللاحقة، ومع توقف مستخدمي الحواسيب الشخصية عن استخدام الأقراص المرنة، تم الاستغناء عن هذه الواجهة. وقد طوّر بعض المصنّعين وحدات تحكم للأقراص المرنة تعتمد على منفذ USB . ^{[ 25 ]}

لا يخزن القرص المرن البيانات الثنائية كسلسلة من القيم، بل كسلسلة من التغيرات في القيمة. كل تغيير من هذه التغيرات، المسجل بقطبية وسائط التسجيل المغناطيسية، يُحدث جهدًا كهربائيًا في رأس القراءة/الكتابة أثناء دوران سطح القرص أمامه. إن توقيت هذه التغيرات في الاستقطاب والارتفاعات المفاجئة الناتجة في الجهد هي التي تُشفّر الأصفار والآحاد في البيانات الأصلية. من وظائف وحدة التحكم تحويل البيانات الأصلية إلى نمط الاستقطاب الصحيح أثناء الكتابة، ثم إعادة إنشائه أثناء القراءة.

بما أن التخزين يعتمد على التوقيت، وهذا التوقيت يتأثر بسهولة بالاضطرابات الميكانيكية والكهربائية، فإن قراءة البيانات بدقة تتطلب نوعًا من الإشارة المرجعية، وهي إشارة الساعة . ولأن التوقيت على القرص يتغير باستمرار، يجب أن يوفر القرص نفسه إشارة الساعة. وللقيام بذلك، تُعدّل البيانات الأصلية بإضافة انتقالات تسمح بتشفير إشارة الساعة في البيانات، ثم يُستخدم استعادة إشارة الساعة أثناء القراءة لإعادة إنشاء الإشارة الأصلية. تتطلب بعض وحدات التحكم إجراء هذا التشفير خارجيًا، لكن معظم التصاميم توفر تشفيرات قياسية مثل FM و MFM .

يوفر المتحكم أيضًا عددًا من الخدمات الأخرى للتحكم في آلية محرك الأقراص نفسها. وتشمل هذه الخدمات عادةً تحريك رأس محرك الأقراص للتمركز فوق المسارات المنفصلة على القرص، وتتبع موقع الرأس وإعادته إلى الصفر، وأحيانًا تهيئة القرص وظيفيًا بناءً على مدخلات بسيطة مثل عدد المسارات، وعدد القطاعات لكل مسار، وعدد البايتات لكل قطاع.

لإنتاج نظام متكامل، يجب دمج وحدة التحكم مع دوائر أو برامج إضافية تعمل كجسر بين وحدة التحكم والنظام المضيف. في بعض الأنظمة، مثل Apple II و IBM PC ، يتم التحكم في ذلك بواسطة برنامج يعمل على المعالج الدقيق المضيف للحاسوب ، وتُوصل واجهة محرك الأقراص مباشرةً بالمعالج باستخدام بطاقة توسعة . أما في أنظمة أخرى، مثل Commodore 64 وحواسيب Atari ذات 8 بت ، فلا يوجد مسار مباشر من وحدة التحكم إلى وحدة المعالجة المركزية المضيفة، ويُستخدم معالج ثانٍ مثل MOS 6507 أو Zilog Z80 داخل محرك الأقراص لهذا الغرض.

كانت وحدة التحكم الأصلية لجهاز Apple II عبارة عن بطاقة إضافية تُركّب على الحاسوب المضيف. وكانت تدعم محركي أقراص، مما أدى إلى الاستغناء عن معظم الدوائر الإلكترونية الداخلية المعتادة. وقد مكّن هذا شركة Apple من إبرام صفقة مع شركة Shugart Associates لتوفير محرك أقراص مُبسّط يفتقر إلى معظم دوائره الإلكترونية المعتادة. ^{[ 4 ]} وهذا يعني أن التكلفة الإجمالية لمحرك الأقراص وبطاقة التحكم كانت مماثلة تقريبًا للأنظمة الأخرى، ولكن كان بالإمكان توصيل محرك أقراص ثانٍ بتكلفة إضافية أقل.

اتبع جهاز IBM PC نهجًا أكثر تقليدية، حيث كانت بطاقة المحول الخاصة به تدعم ما يصل إلى أربعة محركات أقراص؛ وفي هذا الجهاز، كان الوصول المباشر إلى الذاكرة (DMA) لمحركات الأقراص يتم باستخدام قناة DMA 2 و IRQ 6. يوضح الرسم التخطيطي أدناه وحدة تحكم تقليدية للأقراص المرنة تتصل بوحدة المعالجة المركزية عبر ناقل ISA أو ناقل مشابه، وتتصل بمحرك الأقراص المرنة عبر كابل شريطي ذي 34 سنًا. أما الترتيب البديل الأكثر شيوعًا في التصاميم الحديثة، فيتضمن وحدة تحكم الأقراص المرنة في شريحة إدخال/إخراج فائقة تتصل عبر ناقل LPC.

تُنفَّذ معظم وظائف وحدة تحكم القرص المرن (FDC) بواسطة الدائرة المتكاملة ، بينما تُنفَّذ بعضها بواسطة دوائر أجهزة خارجية. فيما يلي قائمة بالوظائف التي تؤديها كل دائرة.

تحتوي وحدة التحكم في التدفق (FDC) على ثلاثة منافذ إدخال/إخراج . وهي:

• منفذ البيانات
• سجل الحالة الرئيسي (MSR)
• منفذ التحكم الرقمي

يوجد المنفذان الأولان داخل شريحة FDC، بينما يوجد منفذ التحكم في الجهاز الخارجي. عناوين هذه المنافذ الثلاثة هي كما يلي.

تتصل وحدة التحكم بمحرك أقراص واحد أو أكثر باستخدام كابل مسطح، يحتوي على 50 سلكًا لمحركات الأقراص مقاس 8 بوصات و34 سلكًا لمحركات الأقراص مقاس 3.5 بوصة و5.25 بوصة. يحتوي "الكابل العالمي" على أربعة موصلات لمحركات الأقراص، اثنان لكل من محركات الأقراص مقاس 3.5 بوصة و5.25 بوصة. ^{[ 26 ]} في عائلة أجهزة الكمبيوتر الشخصية من IBM والأجهزة المتوافقة معها، يُستخدم التواء في الكابل لتمييز محركات الأقراص حسب المقبس الذي تتصل به. يتم تثبيت جميع محركات الأقراص بنفس مجموعة عناوين اختيار محرك الأقراص، ويؤدي التواء الكابل إلى تبديل خطوط اختيار محرك الأقراص عند المقبس. كما يحتوي محرك الأقراص الموجود في الطرف البعيد من الكابل على مقاومة إنهاء مثبتة للحفاظ على جودة الإشارة. ^{[ 27 ]}

توجد أوصاف أكثر تفصيلاً لإشارات الواجهة، بما في ذلك المعاني البديلة، في مواصفات الشركة المصنعة لمحركات الأقراص أو وحدات التحكم المضيفة.

عندما يتم تجميع وحدة التحكم ومحرك الأقراص كجهاز واحد، كما هو الحال مع بعض محركات الأقراص المرنة الخارجية، على سبيل المثال، Commodore 1540 ومحركات الأقراص المرنة USB، ^{[ 28 ]} فإن محرك الأقراص المرنة الداخلي وواجهته لا يتغيران، بينما يقدم الجهاز المجمع واجهة مختلفة مثل IEEE-488 أو المنفذ المتوازي أو USB .

هناك العديد من تنسيقات الأقراص المرنة غير المتوافقة فيما بينها؛ وبصرف النظر عن التنسيق المادي على القرص، فإن أنظمة الملفات غير المتوافقة ممكنة أيضًا.

^{[ 39 ]}

الجوانب:

• SS (أو 1S) - أحادي الجانب
• DS (أو 2S) – ذو وجهين

كثافة:

• SD (أو 1D) – الكثافة الفردية ( FM )
• DD (أو 2D) – الكثافة المزدوجة (غالباً MFM )
• QD (أو 4D) - الكثافة الرباعية
• HD – كثافة عالية
• ED – كثافة عالية للغاية
• TD – الكثافة الثلاثية

تتوفر في اليابان بشكل أساسي محركات أقراص مرنة عالية الكثافة بحجم 3.5 بوصة تدعم ثلاثة أنماط من تنسيقات الأقراص بدلاً من النمطين المعتادين: 1440  كيلوبايت (2  ميجابايت غير مهيأة)، و1.2  ميجابايت (1.6  ميجابايت غير مهيأة)، و720  كيلوبايت (1  ميجابايت غير مهيأة). في الأصل، كانت أنماط الكثافة العالية لمحركات الأقراص المرنة بحجم 3.5 بوصة في اليابان تدعم سعة 1.2  ميجابايت فقط، بدلاً من  سعة 1440 كيلوبايت المستخدمة في أماكن أخرى. ^{[ 40 ]} بينما كان تنسيق 1440 كيلوبايت الأكثر شيوعًا  يدور بسرعة 300  دورة في الدقيقة، كانت تنسيقات 1.2  ميجابايت تدور بسرعة 360  دورة في الدقيقة، مما جعلها تُشابه إلى حد كبير هندسة كلٍ من  تنسيق 1.2 ميجابايت ذي 80 مسارًا، و15 قطاعًا لكل مسار، و512 بايت لكل قطاع، والذي كان موجودًا سابقًا على أقراص مرنة عالية الكثافة بحجم 5.25 بوصة، أو  تنسيق 1.2 ميجابايت ذي 77 مسارًا، و8 قطاعات لكل مسار، و1024 بايت لكل قطاع، والذي كان موجودًا سابقًا على أقراص مرنة مزدوجة الكثافة بحجم 8 بوصات. وقد دعمت محركات الأقراص المرنة اليابانية اللاحقة كلا التنسيقين عاليي الكثافة (بالإضافة إلى التنسيق مزدوج الكثافة)، ومن هنا جاء اسم "الوضع الثلاثي". تحتوي بعض أنظمة BIOS على إعداد تكوين لتمكين هذا الوضع لمحركات الأقراص المرنة التي تدعمه. ^{[ 41 ]}

• ويسترن ديجيتال FD1771
• آلة ووز المتكاملة (IWM)
• باولا (وحدة تحكم أميغا)
• واجهة محرك الأقراص المرنة
• قائمة تنسيقات الأقراص المرنة

• دي بوين بولارد، جوناثان (2003). "لا يوجد شيء اسمه قرص مرن بحجم 3.5 بوصة" . إجابات شائعة .
• ISO/IEC 8860-1:1987 الكثافة المزدوجة (DD)
• ISO/IEC 9529-1:1989 الكثافة العالية (HD)
• ISO 10994-1:1992 الكثافة العالية جدًا (ED)
• ECMA-147
• مواصفات وحدة تحكم القرص المرن NEC μPD72070، الإصدار 2.0 (ملف PDF) . الإصدار 2.0 أولي. شركة NEC . أكتوبر 1991. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 20 مارس 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 مارس 2017 .
• شاه، كاتين أ. (1996) [سبتمبر 1992، أبريل 1992]. معالج Intel 82077SL للأقراص المرنة فائقة الكثافة (ملف PDF) (ملاحظة تطبيقية) (  الطبعة الثانية). شركة Intel ، قسم التسويق IMD. AP-358، 292093-002. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 19 يونيو 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يونيو 2017 .
• جونسون، هيرب (2009). "أول وحدة تحكم للأقراص المرنة لنظامي CP/M وS-100؟" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 سبتمبر 2022 .

• viralpatel.net دليل تعليمي حول برمجة وحدة تحكم القرص المرن
• isdaman.com برمجة وحدات تحكم الأقراص المرنة