Стив Джобс и я. Подлинная история Apple - Джина Смит

* * *

В интерфейсе для кассет, который я разрабатывал, уровень сигнала постоянно менялся: от низкого к высокому и наоборот. Сигнал поступал постоянно, пока крутилась пленка. Так что микросхема, отвечающая за обмен данными с магнитофоном, просто не предусматривала поддержку постоянного уровня сигнала.

А на кассете нельзя было записать сигнал, сохраняющий один и тот же уровень достаточно долгое время. Так что микропроцессор менял уровень сигнала исходя из того, какие данные записывались: нули или единицы. Я установил скорость обмена данных с кассетой на уровне 1000–2000 герц. Это обычные для человеческого голоса частоты, для их записи и воспроизведения и предназначались кассеты. Это примерно одна миллисекунда (одна тысячная секунды) на переключение уровня сигнала.

Но при работе с дискетами переключение должно было происходить гораздо быстрее – за четыре-восемь микросекунд (миллионных долей секунды). Мой микропроцессор никак не мог генерировать такие сигналы напрямую из потока данных из нулей и единиц. Он не был рассчитан на такие скорости. Ведь микропроцессор 6502, на котором был основан Apple II, работал со скоростью приблизительно 1 мегагерц. Самые быстрые инструкции исполнялись за две микросекунды, а для генерации сигнала требовалось множество инструкций. Это была проблема.

К счастью, я нашел решение.

Apple II мог читать и записывать данные на карты, присоединенные к восьми слотам расширения, и выполнял эту задачу очень эффективно. Так что я придумал схему, позволяющую выводить 8 бит (1 байт) данных на контроллер флоппи-диска, а тот мог передавать эти биты раз в четыре микросекунды, по одному биту за раз. Восьмибитный код получался из 4 битов реальных компьютерных данных.

Но и этого было едва достаточно, чтобы моя идеальная программа могла угнаться за такой скоростью. Мне пришлось выяснять точное число тактов процессора, в микросекундах, для каждого шага. Таким образом, когда я отправлял на контроллер 8 битов кода каждые 32 микросекунды, скорость передачи совпадала с нужной скоростью записи. И не важно было, по какому пути идет моя программа, сколько в ней инструкций, сколько ответвлений, сколько циклов. Это всегда происходило ровно раз в 32 микросекунды, когда приходила очередь записать следующий пакет данных.

С таким точным расчетом в программировании может справиться только ум, настроенный на работу с аппаратной частью. У обычных программистов вовсе нет необходимости так точно рассчитывать время.

* * *

Программирование оборудования – весьма хитрая штука. Даже крохотные изменения в микропроцессоре могут свести всю проделанную работу на нет. Например, если бы вышла версия процессора 6502, выполняющая конкретные инструкции за три микросекунды, а не за четыре, все мои расчеты и настройки пошли бы к чертям.

Карта дисковода должна была принимать данные по 8 бит и лишь передавать их на флоппи-диск, на магнитную головку записи – примерно так же записывались данные на кассеты. Сохранить данные на дискете было просто. Восьмибитный регистр (регистры содержат данные) мог быть загружен из системной памяти и передать данные за требуемые четыре микросекунды.

А вот движение данных в обратном направлении – чтение с дискеты – было куда более сложной задачей. Я придумал вот что: создать крохотный микропроцессор и внедрить его в качестве так называемой машины состояний.

Я сделал ее из двух чипов, что было замечательным достижением. Один чип представлял собой регистр, а другой – PROM. Вроде бы я использовал 6-битный регистр. Некоторые его биты представляли собой нули и единицы, описывающие определенное состояние, в котором находилась машина. Они функционировали как адреса для памяти PROM.

Память PROM должна была принимать в качестве адресов для ввода биты из регистра, сообщающие о текущем состоянии, а также биты данных с дискеты. Каждую микросекунду чип PROM выдавал информацию о следующем состоянии (возможно, таком же, как и предыдущее) и еще пару битов для контроля 8-битного регистра сдвига. Таким образом, нули и единицы передавались бы в нужное время – когда наступает момент принятия решения. Очередной код состояния загружался в регистр, сохраняющий эти коды.

В сущности, эта маленькая машина анализировала все, что приходит с дискеты каждую микросекунду, и сохраняла это в главный 8-битный регистр на чипе. (Не путайте этот регистр с регистром, в котором хранятся номера состояний машины.)

Мне нужно было наполнить чип PROM состояний нулями и единицами, которые вызывали бы необходимую реакцию моей машины. Это было куда сложнее, чем написать программу на микропроцессоре, потому что на этом чипе каждый нуль и каждая единица имели специфическое и большое значение.

Я закончил работу над машиной состояний и был уверен в ее работоспособности. Она была элегантной – по большому счету, вся разработка была элегантной, и я гордился ею.

Итак, все эти данные (нули и единицы) поступали с дискеты, но мне нужна была возможность установить тот или иной нуль или ту или иную единицу в начало байта. (Помните, что байт состоит из восьми бит?) И затем, когда эти данные приходили с флоппи-диска на контроллер с интервалом в четыре и восемь микросекунд, надо было понять, с какого нуля или какой единицы начинается байт.

Неделю или около того я боялся, что не смогу решить эту проблему, даже когда закончу свой контроллер. В итоге придумал некоторые специфические последовательности, которые можно было записывать на флоппи-диск, но которые при этом не читались как данные.

Я записывал подряд примерно по шестнадцать таких последовательностей данных, и они, проходя через машину состояний, автоматически переключали ее, пока она не начинала работать в унисон с передачей байтов. Затем моя программа – на компьютере – постоянно искала пару стартовых байтов, «отметок», которые я вставлял, чтобы обозначить начало небольшого участка данных, называемого «сектором». Вместе с данными для каждого сектора дискеты я записывал его номер, так что компьютерная программа могла убедиться, что записывает в нужный сектор. (А если оказывалось, что данные некорректны, программа совершала новую попытку.)

* * *

Я спроектировал аппаратную часть флоппи-дисковода и запрограммировал машину состояний. Я также написал жестко привязанную к тактам чипа программу, чтобы считывать данные с дискет и записывать их на дискеты. Это был мой конек.

Рэнди Уиггингтон написал алгоритм более высокого уровня, предназначенный скорее для разработчиков приложений и программистов операционных систем.

Научившись считывать и записывать данные, я написал алгоритмы для перемещения головки дисковода по тридцати шести дорожкам флоппи-диска. Сначала она медленно передвигалась и устанавливалась над дорожкой 0, самой близкой к центру диска. Потом я отправлял последовательность импульсов на шаговый двигатель, чтобы переместить головку на дорожку 1, потом на дорожку 2 и так далее, пока она не окажется в том месте, где находятся нужные данные. И между перемещениями приходилось ждать определенное время, заданное спецификациями Shugart.