修正周波数変調

修正周波数変調（MFM）は、ほとんどのフロッピーディスクと一部のハードディスクドライブでデータをエンコードするために使用されるランレングス制限（RLL）ラインコード^{[1]です。1970年に}IBM 3330でハードディスクに初めて導入され、その後1976年に IBM 53FDからフロッピーディスクドライブに導入されました。

MFM は、磁気ストレージで使用するために、オリジナルの周波数変調エンコーディング(FM) コードを修正したものです。MFM により、デバイスは、エンコードされたデータビットごとに極性の変化が 1 つだけ保証されるため、メディアにデータを書き込む速度を 2 倍にすることができます。このため、MFM ディスクは一般に「倍密度」と呼ばれ、以前の FM は「単密度」と呼ばれていました。

MFMは、業界標準の5で250～ 500kbit/s（エンコード時は500～1000kbit/s）のデータレートで使用されます。+1 ⁄ 4インチと3+1 ⁄ 2インチの通常および高密度フロッピーディスケット。MFM は、より効率的なタイプの RLL コードが登場する前の初期のハードディスク設計でも使用されていました。ニッチなアプリケーション以外では、MFM エンコーディングは磁気記録では時代遅れになっています。

磁気ストレージ

ハードドライブや磁気テープなどの磁気ストレージデバイスは、データを絶対値としてではなく、極性の変化として保存します。これは、変化する磁場が近くのワイヤに電流を誘導し、その逆も起こるためです。メディアが読み取り/書き込みヘッドを通過するときに、一連の変化する電流を読み取り/書き込みヘッドに送ることで、データが「1」であった場所で変化する磁気極性のパターンがメディア上に生じます。メディアの正確な性質によって、特定の表面積内でこれらの変化が何回発生するかが決まり、これが公称移動速度と組み合わされると、そのシステムの最大データレートが生成されます。

ディスクドライブは、さまざまな機械的および材料的影響を受け、データの元のパターンが時間的に「ジッター」する原因となります。ランレングス制限コードである MFM は、記録された遷移間の距離を制限するため、ジッターによって遷移が時間的にずれてデータエラーが発生することはありません。メディアによって定義されるその他の制限により、データの記録方法にさらなる制約が課せられます。この目的のために、一般にラインコードと呼ばれるさまざまな適切なエンコードが開発されています。これらの適合性は、使用されているメディアまたは伝送メカニズムによって異なります。

周波数変調

周波数変調符号化（FM）は、ディスクドライブでこの操作を実行するために最初に広く使用されたシステムです。ドライブコントローラには、ディスクメディアの選択されたデータレートの半分で動作する正確なクロックが含まれています。データがディスクに書き込まれると、クロック信号がデータとインターリーブされます。読み取り時には、クロック信号がデータビットを表す後続信号の有無を計時するための短期トリガーとして使用されます。^[2]

FM 方式の利点は、書き込み回路の実装が非常に簡単で、読み取り時のクロック回復も比較的簡単なことです。欠点は、クロック信号にディスク表面の半分が使用されるため、ディスクに保存できるデータの総量が半分になることです。これにより、より効率的な新しい形式のエンコードが開発されました。

MFMコーディング

FM (上) と MFM (下) を使用してエンコードされたバイト。青い破線はクロックパルス (信号レベルの変化は無視されます) を示し、赤い破線はデータパルス (信号レベルの変化は 1 をエンコードし、変化がない場合は 0 をエンコードします) を示します。

修正周波数変調は、クロック信号とデータを単一の「クロックウィンドウ」にエンコードします。FMとは異なり、クロックビットは、現在のデータビットと前のデータビットの両方が設定されていないときに同期を達成するために必要な場合にのみ書き込まれます。平均して、MFMはFMの2倍の情報密度を実現します。^[3]

MFM の基本的なエンコード規則は、(x, y, z, ...) が (x, x NOR y, y, y NOR z, z, z NOR...) にエンコードされるというものです。入力ストリームで 0 ビットが先行する場合は 0 ビットは10としてエンコードされ、 1 が先行する場合は00としてエンコードされます。1 ビットは常に01としてエンコードされます。エンコードされたデータの 1 ビットあたりの磁気遷移の数は、平均 0.75 ～ 1 です。^[4]

周囲のクロックビットは既知の場合もありますが、隣接するデータビットの知識が必要になる場合もあります。^{[引用が必要]}より長い例:

データ:           0 0 0 1 1 0 1 1 ...
FM エンコード: 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 ...
MFM クロック: ? 1 1 0 0 0 0 0 0...
MFM エンコード: ? 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0...

(太字のビットはデータビット、その他はクロックビットです。)

FM 符号化では、連続する 1 ビットの間に現れる 0 ビットの数は 0 または 1 です。MFM 符号化では、隣接する 1 ビットの間には最低 1 つの 0 ビットがあり (隣接する 2 つの 1 ビットが存在することはありません)、連続する 0 の最大数は 3 です。^{[引用が必要]}したがって、FM は (0,1) RLL コードであり、MFM は (1,3) コードです。

データセパレータ

MFMシステムではクロック信号のより正確なタイミングが求められるため、1970年代後半の技術では必要なアナログおよびデジタルコンポーネントを単一の集積回路上に構築することは経済的に不可能でした。代わりに、MFMドライバでは、ドライブベンダーが独自のクロックリカバリ回路、つまりデータセパレータと呼ばれるシステムを設計する必要がありました。データセパレータの設計は独自の芸術でした。^[5]

当時最も広く使われていたコントローラの 1 つが、Western Digital FD1771シリーズでした。オリジナルの FD1771 は FM のみをサポートしていましたが、すぐに FD1781 および FD1791 とペアになり、外部から提供されるクロック信号に基づいて MFM を実行しました。これらのドライバで MFM サポートを実装するには、外部データセパレータが必要でした。1970年代後半から 1980 年代前半にかけてIC 製造が急速に進歩したことにより、1980 年代前半には初の低コストのオールインワン MFM ドライバが登場しました。WD2791 は、内部アナログ位相ロックループを使用して MFM を直接サポートした最初のドライバでしたが、完全なシステムを実装するには、いくつかの簡単な外部コンポーネントが必要でした。WD1770 は、完全な MFM ソリューションを 1 つのチップに実装した最初のドライバでした。

全体的なフォーマット

FM と MFM は、元のデータ内の個々のビットの位置を示すために使用されますが、データ自体には「ファイル」のような高レベルの組織はありません。これがディスクのフォーマットの目的です。ディスクは通常、ファイルにリンクするための追加のヘッダー情報を含む固定サイズのセクターにフォーマットされます。

IBM 形式では、セクターのヘッダー情報の開始とデータ自体の開始は、データ自体には現れない 0 と 1 のパターンである特別な「同期マーク」で示されます。これは、このデータを FM または MFM エンコードでエンコードしないことで実現され、ドライバーが簡単に見つけられるようにしています。MFM エンコードで一般的に使用される同期マークは、データビットが16 進数値 A1 (10100001) の開始を形成するため、「A1 同期」と呼ばれますが、5 番目のクロックビットは A1 バイトの通常のエンコードとは異なります。

データ:       1 0 1 0 0 0 0 1
時計: 0 0 0 1 1 1 0
エンコード:    1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1
同期クロック: 0 0 0 1 0 1 0
同期マーク: 100010010 0 01001
                    ^ クロックビットが欠落しています

MMFM

MMFM（修正周波数変調）はM²FMまたはM2FMとも略され、MFMに似ていますが、追加のクロックビットを抑制し、より長い最大ランレングス（（1,4）RLLコード）を生成します。特に、クロックパルスは、ペアの最初のビットの前にクロックパルスが挿入されていない場合にのみ、隣接する0ビットのペアの間に挿入されます。^[6]以下の例では、MFMに存在するクロックビットは太字で示されています。

データ: 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
時計: 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0
エンコード: 010100010010010010 0 0010010 0 010010010 0 010 0 001

このシステムでは、同期マークは、通常は省略される隣接するゼロビットの間に追加のクロックパルスを挿入することによって作成されます (MFM ルールに従います)。特に、データビットパターン「100001」では、通常は省略される中央にクロックパルスが挿入されています。

データ: 1 0 0 0 0 1
通常: 0 1 0 1 0
同期: 0 1 1 1 0

参照

グループコード化録音(GCR)

参考文献

^ Kees Schouhamer Immink (1990年12 月)。「ランレングス制限シーケンス」。IEEE会議録。78 (11): 1745–1759。doi :10.1109/5.63306。ランレングス制限シーケンスの制限特性について詳細に説明しています。
^ Hecht, M.; Guida, A. (1969 年 7 月). 「遅延変調」. Proceedings of the IEEE . 57 (7). IEEE: 1314–1316. doi :10.1109/PROC.1969.7249.
^ アンソニー・サムズ;ブライアン・ジェンキンソン（2007年8月18日）。フォレンジックコンピューティング。シュプリンガーのサイエンス＆ビジネスメディア。 p. 109.ISBN 978-1-84628-732-9。
^ Prosise, Jeff (1990 年 10 月 30 日)。「ハードディスクの選択」。PC Magazine、p. 427。
^ Lutz, Bob; Melloni, Paolo; Wakeman, Larry (1982). DP8473 用フロッピーディスクデータセパレータ設計ガイド (技術レポート). National Semiconductor.
^ Intel Corporation (1977). SBC 202 Double Density Diskette Controller Hardware Reference Manual (PDF) . pp. 4–26. 2017-06-18 にオリジナルからアーカイブ(PDF)されました。

この記事には、連邦規格 1037Cのパブリックドメインマテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。

さらに読む

Savard, John JG (2018) [2006]. 「デジタル磁気テープ録音」. quadibloc . 2018-07-02にオリジナルからアーカイブ。2018-07-16に取得。

外部リンク

Johnson, Herbert R. (2016-07-06). 「M2FM または MMFM ディスケット形式」。2017-06-18 にオリジナルからアーカイブ。2017-06-19に閲覧。
PCガイド周波数変調

[1] Kees Schouhamer Immink (1990年12 月)。「ランレングス制限シーケンス」。IEEE会議録。78 (11): 1745–1759。doi :10.1109/5.63306。ランレングス制限シーケンスの制限特性について詳細に説明しています。

[2] Hecht, M.; Guida, A. (1969 年 7 月). 「遅延変調」. Proceedings of the IEEE . 57 (7). IEEE: 1314–1316. doi :10.1109/PROC.1969.7249.

[3] アンソニー・サムズ;ブライアン・ジェンキンソン（2007年8月18日）。フォレンジックコンピューティング。シュプリンガーのサイエンス＆ビジネスメディア。 p. 109.ISBN 978-1-84628-732-9。

[4] Prosise, Jeff (1990 年 10 月 30 日)。「ハードディスクの選択」。PC Magazine、p. 427。

[5] Lutz, Bob; Melloni, Paolo; Wakeman, Larry (1982). DP8473 用フロッピーディスクデータセパレータ設計ガイド (技術レポート). National Semiconductor.

[Intel_1977_SBC202-6] Intel Corporation (1977). SBC 202 Double Density Diskette Controller Hardware Reference Manual (PDF) . pp. 4–26. 2017-06-18 にオリジナルからアーカイブ(PDF)されました。