SSD технологии древних: DiskOnChip
В середине 1990-х, FLASH-накопители были очень дорогими, поэтому появление твердотельных накопителей сильно задерживалось. Стоимость 1 МБ FLASH-памяти была несоизмеримо дорога в сравнении со стоимостью 1 МБ памяти на физическом жёстком диске, с блинами.
Но, несмотря на это, в 1995 году — израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель. Это был настоящий жёсткий «диск», который выглядел как обычная 32-х контактная DIP-микросхема. Более того, он устанавливался вместо микросхемы расширения BIOS, при этом имел на борту ёмкость в десятки, а то и сотни мегабайт. В те годы — это было просто космические технологии, и в последствии они встречались и использовались достаточно часто, но уже в промышленном секторе.
Это система DiskOnChip — фактически полноценный жёсткий диск на одной маленькой микросхеме, с минимальной обвязкой, которая для своей работы потребует всего два чипа логики.
Ну что же, попробуем собрать свою необычную систему с этим жёстким «диском», проверю, может ли она работать с обычной ROM-памятью, запущу наконец свой BIOS на 386 машине с ISA-картой, чего не удалось в прошлый раз.
❯ Что же такое DiskOnChip®?
DiskOnChip (далее — DOC) — это фактически продолжение идеи расширения BIOS, о котором я достаточно подробно писал в статье «Пишем свой ROM BIOS».
DOC представляет собой обычную DIP-микросхему и вставляется в ту же панельку, что EEPROM, как на сетевой карте, живёт по тем же адресам и даже в начале содержит код BIOS инициализации. И микросхема pin-to-pin совместима с некоторыми микросхемами ПЗУ! Однако далее, в старших адресах этой микросхемы, содержатся регистры управления, которые переключают FLASH-памяти.
Для сравнения можно посмотреть расположение выводов DiskOnChip 2000 и микросхемы EEPROM SST 29EE512 (64К x 8). Отличие только в количестве адресных линий, потому что DOC работает через окно в 8К х 8 (как восьмикилобайтная EEPROM).
Сравнение распиновки EEPROM и DOC
Фактически электрический интерфейс работы с DiskOnChip ничем не отличается от интерфейса работы с обычной EEPROM. Сигнальные линии называются также, и она совместима с ними по ногам.
Структурная схема DOC
DiskOnChip занимает 8 КБ памяти. При этом — во время старта, она выглядит как обычная ROM BIOS, и инициализирует код для работы в реальном режиме, добавляя в прерывание BIOS 13h ПО для работы по этому интерфейсу.
При работе в реальном режиме, когда передаётся код управления BIOS в его внутреннюю EEPROM, он подменяет прерывание 13h по работе с диском. Таким образом, он начинает мапить в старшие адреса по очереди страницы флэш-памяти, с помощью регистров управления.
Карта памяти DiskOnChip 2000
Если рассмотреть карту памяти, которая доступна системе в пространстве 8 КБ, то мы увидим что оно состоит из четырёх разделов по 2 КБ.
- Секция 0: Загрузочный блок. Этот раздел содержит данные, которые выполняются при загрузке BIOS.
- Секция 1: Загрузочный блок 2. Содержит вторую часть загрузочной области.
- Секция 2: Регистры управления. Используется для управления поведением DiskOnChip 2000 и флэш-носителя.
- Секция 3: Окно доступа к FLASH-накопителю. Окно, чрез которую видно область FLASH для записи или чтения данных.
Как можно понять, вся доступная память, в моём случае 8 МБ, доступна через маленькое окно в 2 КБ и переключается с помощью регистров управления.
В более сложных системах, которые работают уже в защищённом режиме, таких как Windows CE, Windows 2000, QNX, Linux и т. д., где недоступен код инициализации и прерывание 13h, для работы требуются специализированные драйвера файловой системы DOC, называемой TrueFFS.
Подводя итог, можно сказать, что DiskOnChip — это примитивный SSD того времени, который успешно применялся во многих встраиваемых системах. Чаще всего его можно было встретить в одноплатных компьютерах, в кассах, тонких клиентах и другом аналогичном оборудовании. Вот, например, недавно через мои руки прошёл моноблок для ресторанов Micros WS4. Как я понял, он использовался официантами для приёма заказа.
Внешний вид моноблока
И после вскрытия внутри можно обнаружить микросхему DiskOnChip, несмотря на то, что он работает под управлением операционной системы Windows CE.
Микросхема DiskOnChip
Самое приятное, что из-за простоты устройства DOC для его подключения к компьютеру не требуется использовать каких-либо контроллеров жёстких дисков, от них можно вообще отказаться! Схема подключения содержит всего две микросхемы логики.
Кстати, если вас пугают импортные микросхемы 74-й серии, то, во-первых, их можно взять с другими буквенными индексами, а во-вторых, вполне можно заменить на отечественные аналоги, например:
А ещё их можно заменить на микросхемы серии к155, к555, кр1564 и всё будет прекрасно работать.
Схема простая, значит можно попробовать запустить его на любом старом железе!
❯ Ваяю плату расширения
Много лет хочу сделать плату расширения для шины ISA. Ещё со студенческой скамьи вынашивал идеи, прикидывал дешифраторы адреса для создания своей платы расширения. Даже как-то пытался паять параллельный порт на микросхеме КР580ВВ55. Но всё это было не торт, и толком не работало.
Здесь другое дело, схема простая, всего три микросхемы, как работает — понятно. Осталось дело за малым — это всё реализовать. Мне было лениво заниматься разводкой печатной платы, поэтому решил делать всё на макетке. В качестве основы платы взял проект IBM PC XT8-bit ISA Prototype PCB Card XL.
В Китае заказал изготовления платы, микросхему DOC на 8 МБ и уже здесь нашёл подходящие микросхемы логики: 74HC138AP и 74HC139AP (обратите внимание, что буквенные индексы иные). Самое тяжёлое — это было томительное ожидание, когда изготовят платы и их отправят. Спустя несколько месяцев у меня всё было на руках.
Всё готово к сборке
После того как я всё получил, распечатал схему и даташиты на микросхемы с распиновкой. Для удобства сразу нарисовал, что и куда должно идти. Что удобно, на макетке подписаны все сигналы, и ошибиться просто невозможно.
Набросок схемы
Далее предстоит кружок кройки и шитья, и покуда я собирал всё это хозяйство, десять раз пожалел, что не развёл плату сразу. Потому что убил просто громадное количество времени на все эти проводочки.
Кружок кройки и шитья
Спустя неделю вечеров пайки получил-таки готовый результат.
Вид спереди
Вид сзади
Далее предстоит самое интересное — тестирование!
❯ Проверка работоспособности DiskOnChip
Проверку проводил на материнских платах с процессорами 386SX и Pentium 1. Как обычно бывает, где-то был неконтакт или непропай. После исправления мелких недочётов система сразу подхватила BIOS из DOC, и я увидел при загрузке ключевое сообщение, о том, что TrueFFS-BIOS запустился.
Если загрузиться вместе с жёстким диском, то можно увидеть второй диск D:, который можно отформатировать в системный раздел и перенести на него файлы, что я и сделал. Забегая вперёд, скажу, что форматировать стандартным format d: /s нельзя! То есть если очень хочется, то можно, но результат непредсказуем.
Намного более правильно работать с этим «диском» с помощью его родных утилит, которые корректно работают с TrueFFS. После того как я отформатировал диск родными утилитами, можно было перенести систему, отсоединить плату контроллера дисков и оставить только видеокарту и мою самодельную платку.
Удивительно, но это работает!
Ничего лишнего: только материнская плата, видеокарта и DOC
Самое забавное, что при загрузке BIOS не видит никаких подключённых носителей: ни флоппи, ни жёстких дисков. Но несмотря на это, всё равно идёт загрузка DOS. Лучше всего посмотреть на видео.
❯ Не всё так гладко с этим DOC…
На самом деле, не всё так гладко. То ли мне не повезло с микросхемой, то ли какая-то другая проблема, но DOC глючил. Он не всегда успешно загружался на моей плате, так и на железе, которое умеет работать с DOC из коробки (имеет аппаратную и программную поддержку в системном BIOS). То есть выглядело так, BIOS TrueFFS стартует, но диска при загрузке не видит. После перезагрузки стартует нормально, потом снова не видит. С чем связано — непонятно.
В какой-то момент при загрузке начались артефакты с запуском программ, а при переходе в папку увидел такое:
Так выглядит смерть жёсткого диска
И после этого загружаться он отказался. Спасло только форматирование его штатными утилитами. Что это было — я не знаю. Сетую на то, что у меня одна из первых версий микросхем, возможно, она немного сырая.
❯ Замена DiskOnChip на EEPROM
Hо перед нами прогресс открывал все пути,
И, бросив старых друзей ради новых ХТ,
Мы выжимали, что можно, из DOS и из архитектуры,Меняли коды команд, трассировали INT’ы
Дизассемблировали BIOS и писали в порты
То, что я б не позволил печатать на месте цензуры.
Мне всё же хотелось продемонстрировать, что вместо DOC можно поставить обычную ROM микросхему, и это решение будет работать. В результате это вылилось в столь громадный квест, что потянет на ещё одну статью, а то и не одну. Там пришлось дизассемблировать основной BIOS, была попытка запустить его в qemu и много других забавных экспериментов. Но всё же, оставлю это всё самое интересное за кадром, и расскажу суть.
В качестве микросхемы ПЗУ взял EEPROM SST 29EE512 просто потому, что она у меня была под рукой, и была pin-to-pin совместима с DOC. Внимательный читатель заметит (хотя уверен, что таких нет), что это та же самая микросхема, которую я использовал в статье «Пишем свой ROM BIOS». Для корректной работы 64КБ ROM в области памяти 8 КБ, нужно посадить неиспользуемые старшие адреса на землю. То есть, фактически мы превращаем микросхему в 8 килобайтную EEPROM.
В процессе экспериментом выяснилось, что БИОС на материнской плате пытается писать в EEPROM, и, таким образом, портит её содержимое. Для того чтобы этого не происходило, доработал переходник, удалив контакт с сигналом разрешения записи WE.
Больше переходников, богу переходников!
Изначально планировал попробовать точно также запустить BASIC-ROM, но как я не бился, так и не смог его стартануть. То есть, видно, что происходит успешная инициализация, системный BIOS «зависает» без ошибок, значи переход на код ПЗУ состоялся, о чём также свидетельствовали POST-коды. Но ничего больше не происходило. В отчаянной попытке я начал искать JTAG-отладчики для 386 архитектуры, пытался запустить BIOS материнской платы в qemu, но всё тщетно. Идей, как отлаживать подобные BIOS у меня пока нет. Хотя задача, крайне интересная, как же заниматься отладкой различных расширений BIOS.
Обращаю внимание, что в qemu c SeaBIOS и на другой материнской плате, с EPROM на PCI-карте всё прекрасно работало.
Установленная микросхема ПЗУ, вместо DOC
В конце концов, я не нашёл выхода из этой ситуации, поэтому решил идти по более простому пути и запустить ROM HELLO. К слову сказать, в том коде я тоже обнаружил ошибку.
Как оказалось, после того как я посчитал контрольную сумму, оставшиеся байты надо было сделать равными нулю. Чтобы в результате общая сумма давала нуль. И мне сильно повезло, что на PCI тогда этот код завёлся. Вообще, то что на PCI плате это работало — чудо, потому что потом я внимательно прочитал стандарты, он не должен был работать никак. Исправление этой ошибки запуску BASIC не поспособствовали.
В результате всех мытарств, которые по времени заняли больший и наиболее сложный промежуток, чем эксперименты с DOC, мне удалось на этой же плате стартануть мой самописный BIOS.
Успешный запуск на материнской плате Pentium
Всё это, конечно, интересное колхозничество, но как насчёт промышленных железок, будет ли всё это работать и там?
❯ Тест на железе с панелькой под DOC
Всё это забавно и хорошо, хочется попробовать запустить реальное железо, которое имеет поддержку DiskOnChip прямо из коробки. Специально для этого прикупил себе старинный тонкий клиент Light System LG8101, внутри которого есть панелька для DOC.
Внешний вид тонкого клиента
Если вскрыть эту штуку, то внутри можно обнаружить CF, с которой идёт загрузка, и панельку под DiskOnChip. В неё можно и проинсталлировать нашу замечательную микросхему.
Недра
Эта железка имеет поддержку DOC на уровне BIOS, так что запуск TrueFFS-BIOS не требуется. Обратная сторона этой поддержки в том, что сюда не получится вставить свою ROM-память, эта панелька предназначена только для микросхемы DiskOnChip (да, я попробовал вставить туда свою ROM, но ничего не произошло).
Выбираем в BIOS загрузку с DOC
После всех манипуляций система будет успешно загружена с этой микросхемы, будто бы там установлен обычный жёсткий диск.
Успешная загрузка тонкого клиента с установленной микросхемы DiskOnChip
❯ Заключение
Удивительно, но многие из вас не знают, что первые SSD-накопители появились аж в 1995 году, и даже вполне себе успешно применялись и использовались. Их высокая стоимость и малая ёмкость привели к тому, что рядовые пользователи не могли встретить их в своих ПК. Однако нашли широкое применение во встраиваемых системах, либо там, где не требуется частая запись на диск, как, например, тонкий клиент. Их могли использовать также в игровых автоматах или станках.
Условный игровой автомат на DiskOnChip
Тем не менее широкого распространения они так и не получили. Впоследствии дешевизна и расширение рынка CompactFlash свели на нет эту перспективную разработку. К её недостаткам также следует отнести, что она довольно медленная, так как работа идёт через маленькое окно в 2 КБ.
❯ Полезные ссылки:
- Документация на DiskOnChip.
- Отличная статья на русском по DOC: «Все про DiskOnChip® 2000» от Андрея Кузнецова.
- Прекрасная статья о работе и програамированию DiskOnChip (англ.)
- ПО под ДОС для работы с DOC.
- Проект макетной платы ISA.
❯ Благодарности:
Выражаю большую благодарность MaFrance351 в поддержке с этим проектом. Он раньше меня разобрался с DOC, и помогал потом мне советами и ссылками. Как минимум половину ссылок в этой статье получил от него.
P.S. Поскольку в рамках одной статьи невозможно рассказать обо всех тонкостях, то некоторые заметки на полях буду публиковать у себя в телеграмме.
