BBCマイクロコンピューター（1981）を40,000ドルのセキュアディスクライターに変換

前書き

最も有名なフロッピーディスク保護の話の1つは、ダンジョンマスターからのものです。 1987年12月にリリースされたこのゲームは、洗練された物理ディスク形式（ファジービット）と、ゲームプレイ自体に組み込まれた秘密のセキュリティチェックを組み合わせたものです。フロッピーディスクの優れた概要を提供するこの記事を読んだ後、AtariSTのダンジョンマスターファジービット保護の非常に詳細な概要を読む



ことをお勧めします。ダンジョンマスターの防衛を取り巻く物語についてさらに詳しく説明するこの素晴らしい記事もあります。ダンジョンマスターの作者の1人からの引用が含まれています。

« , , 40 . , ».

この高価格の理由は、ファジービットを確実に作成するために必要なタイミング精度が原因である可能性が最も高いです。世界のほとんどがマイクロ秒単位でパフォーマンスを測定していた時代に、必要な精度はナノ秒単位で測定されていました。



BBCMicroは2MHzで6502プロセッサを搭載し、最も単純な命令を実行するのに2クロックサイクル（1マイクロ秒）かかりました。そのような制限の下でファジービットを書くことが可能になるという希望はありますか？どこまで行けるか見てみましょう。この作品を「オイルドオッタープロジェクト」と呼びます。



ツァイトガイストの感覚を与えるために、これが3.5インチのフロッピーディスクデュプリケーターの写真です。紙の代わりにディスクをレセプタクルに挿入することを除けば、フォトコピー機と非常によく似ています。AdvancedWorldProductsがそのようなマシンを販売したようです。

BBCマイクロカスタムポート

BBC Microは、いわゆる「ユーザーポート」を介するなど、その優れた拡張性で知られていました。このポートは、1MHzで動作する6522Versatile InterfaceAdapterによって制御されます。ポート自体には、8つのデータピンと2つの制御ピンがあります。これらの接点は、非常に高度な制御を提供しました。データピンは入力と出力として個別に構成でき、ロジックピンレベルは高または​​低に設定できます。



ユーザーポートが私たちにとって重要なのはなぜですか？ディスクドライブを直接制御しようとします。フロッピーディスクコントローラーを方程式から削除することで、フロッピーディスクコントローラーを取り除き、ディスクドライブと転送されるデータストリームをより直接的に制御できるようになる可能性があります。





ユーザーポートからディスクドライブ上



の画像は、ユーザーポートをディスクドライブに接続しているケーブルを示しています。コネクタは標準であり、それらを接続するワイヤは単なるジャンパです。 「当時」に作れるものづくりに真摯に取り組んでいるので、追加の電子機器は一切使用していません。



ケーブルは次のように配置されています。





この図からの主なポイントは、ディスクドライブのインターフェイスがおそらく想像以上に単純であるということです。ディスクドライブを制御し、わずか8ピンでその重要なステータスを照会できます。すべてがとてもシンプルです。ドライブを回転させる必要があるとしましょう。そうすれば、PB0とPB1に低信号を与えるのに十分です。ディスクがトラックの先頭まで回転するのを待ちたい場合は、信号レベルが高から低に変化するのを確認するまで、PB6のロジックレベルを照会する必要があります。ステップバイステップの移動では、論理レベル「ステップイン」を「ステップアウト」の反対に設定してから、接点の「ステップ」で低信号の脈動を実行するだけで十分です。



これまでのところ、ドライブの基本的な制御はできていますが、まだ何も記録していません。

電気的な問題

私がそれらに遭遇したので、電気的な問題についての短い逸脱は不可欠です。コンポーネントのランダムなペアを接続すると、それらを機能させることができますが、微調整が必​​要になる場合があります。ドライブのW / DATAピンで最初に観測された電圧範囲は次のとおりです。





FM周波数が250kHzのドライブにパルスを書き込もうとしています。



ロジック1の電圧は約3.4V、ロジック0の電圧は約1.5Vです。これは深刻な問題です。許容可能なTTL電圧レベルは明確に定義されています。

「TTL入力信号は、グランドピンに対して0 V〜0.8 Vの電圧の場合は「ロー」と見なされ、2 V〜VCC（5 V）の場合は「ハイ」と見なされます。0.8 V〜2.0 Vの範囲の電圧信号がTTLエレメントの入力に印加された場合、エレメントは特定の応答を与えないため、信号は「未定義」と見なされます。

1.5 Vの論理0電圧は「未定義」と見なされ、アクションは発生しません。確かに、私のドライブはこの信号で何も記録していませんでした。



この問題は、フロッピードライブケーブルEOLをドライブから取り外すことで解決されました。これは、赤で囲まれたEOLアセンブリを備えた私のドライブの写真です。





これは電圧レベルの問題をうまく解決し、その後すべてが機能します。ディスクポート以外のBBCMicroのポートの多くには、EOLケーブルを駆動するのに十分な電力がないようです。しかし、待ってください-おそらくこの抵抗を取り付ける理由があったのでしょうか？はい。それを削除するには2つのトリックがあります。

• ケーブルの長さに注意してください。EOL抵抗がないと、長いケーブルは信号が歪む傾向があります。
• 接続されていないワイヤの電圧レベルに注意してください。S / SELアクチュエータピン（サイドセレクト）に1.32Vの電圧が観測されました。この値もTTL不確実性の範囲にあるため、これは正常ではありません。ドライブはどこにデータを書き込みますか？多分上面、多分下。または、それらのどれもまったくないかもしれません！この問題は、重要な各ケーブルを接続し、それらに高信号または低信号を適用することで解決されました。

帯域幅を増やす必要がある

これまで回避してきた問題：W / DATAピンに信号を送信する方法は？これは「ハード」な連絡先です。高い帯域幅と正確なタイミング要件があります。ナノ秒の精度のファジービットを1秒間夢見るのをやめて、単純なFMパルスをドライブに書き込んでみましょう。



BBC Microのほとんどのディスクは、250 kHzでエンコードされたFM（別名DFM、別名単一密度）です。 FMトラックの録音は実際には非常に簡単です。ドライブが回転しているかどうか、レコードフラップが開いているかどうかを確認する必要があります。その後、4マイクロ秒ごとに、W / DATAリップルをローに実行してからハイ信号に戻す（ビット1）か、実行しない（ビット0）かのいずれかです。ほとんどの場合、1秒おきのビットは1である必要があります（タイミングと同期を維持するための同期ビット）。



プロセッサを介してW / DATAを制御することは絶望的な作業です。4マイクロ秒は8プロセッサクロックサイクルです。これは、バイトをロードしてシフトし、0を書き込んでから、ユーザーポートの論理レベルに1を書き込むには間違いなく十分ではありません。単純なサイクルには12マイクロ秒以上かかる可能性がありますが、これは長すぎます。したがって、W / DATAを十分に速く書き込むには、6522VIAチップの機能を使用する必要があります。

シフトレジスタ6522VIA

私たちのタスクの最も明白な候補はシフトレジスタです。シフトレジスタは8ビットレジスタです。対応するモードでは、シフトレジスタをロードすると、チップはユーザーポートピンの1つで8ビットを順番に送信します。これは素晴らしいことです。ビットはメインプロセッサと並行して処理されるため、プロセッサはシフトを開始するための新しいビットセットの作成に安全に時間を費やすことができます。



残念ながら、この回路を機能させることができませんでした。適度に速く実行される可能性がある唯一のシフトモードは、「システムクロックシフト」です。ウェスタンデザインセンター6522の仕様は、素敵なアウトラインがあります。





VIAシステムクロックは1MHzであるため、オフセットクロックは500 kHz、出力ビット分解能は250kHzになります。これで十分です。しかし、シフトクロックを継続的かつスムーズに動作させる方法がわかりませんでした。シフトレジスタをリロードするために正確なタイミングを試した後でも、シフトクロックのピン間隔は常に次のようになりました。





私たちの実験に十分な速さのシングルシフトモードでは、シフトレジスタをリロードすると、シフトを続行する前に遅延が発生することがわかりました。それは私たちには合いません。

6522VIAパルス出力モード

6522のほとんど知られていない機能は、その「パルス出力モード」です。すべての6522バリエーションの仕様には記載されていませんが、 MOSテクノロジ仕様の小さなエントリを次に示します。





その動作を正確に説明する仕様がついに見つかりました。このモードは私たちにとって非常に興味深いものです。VIAでの1回の書き込み操作により、2つの別々のアクションが発生することが約束されているためです。つまり、出力ピンに低論理信号が適用され、1クロック（1マイクロ秒）後に高信号に戻ります。これにより、250kHzの出力信号を駆動するために使用できます。プロセッサリソースは非常に限られています。ループは問題を解決しませんが、線形コードブロック6502は次のように対処できます。

        \ &70 points to &FE60, aka. user 6522 VIA ORB register.
        STA (&70),Y        \ 8 cycles, pulse output
        STA (&70),Y        \ 8 cycles, pulse output
        STA (&70),Y        \ 8 cycles, pulse output
        LDA (&70),Y        \ 8 cycles, do not pulse output
        STA (&70),Y        \ 8 cycles, pulse output
        ...

それが動作します。プロセッサはこれにちょうど十分なパワーを持っています。8クロックサイクルは4マイクロ秒であり、これはディスクパルス間の最短時間です。



残念ながら、そのような操作は非常に積極的にメモリを使用します。エンコードされた各FMビットには2バイトの6502ラインコードが必要です。1つおきのビットが同期しているため、各有効データビットは2つのFMビットです。トラックの長さは3125バイトなので、3125 * 8 * 2 * 2 == 100kBのラインコードが必要です。 BBC Microには32KBのRAMがあるため、ここでは運が悪いです。強力な新しいディスク保護メカニズムを含む、単一（小さな）セクターを書き込むことができます。ただし、大きな（1024バイト）セクターまたはフルトラックを書き込むことはできません。多数のディスクを正しく書き込むには、これらの操作の両方が必要です。さらに、タイミングの分解能は1マイクロ秒です。これは、より複雑な保護やディスク表面を記録するには十分ではありません。



このような制限があるため、少なくとも何かが機能するようになったことを嬉しく思いますが、このソリューションは完全には適していません。

有望でない出力ポートからのヘルプ

幸いなことに、私はBitshiftersCollectiveのような賢い人々と話をします。 （最新のデモ、Evil Impactsをチェックしてください！）Slackでの会話で、Tom Seddon（b2エミュレーターの作成者）は... RGBポート出力（？）



ビデオ-ディスクアダプターケーブルを使用することを提案しました... Amazonでは毎日それを目にしません。



最初はこのアイデアを笑いましたが、考えれば考えるほど、そう思われるようになりました。 BBC Microは、タイミングに6845ビデオチップを使用します。 6522のように、それは不機嫌そうなプロセッサですが、少なくともその機能は6845を容赦なく悪用するBitshiftersデモのおかげでよく解読されています。また、私はjsbeebエミュレータを取得するためにリバースエンジニアリングを行いましたHitachi 6845を正しくエミュレートします。このビデオでOiledOtterの作業を見てから、私たちが見たものを教えてください。





6845チップの異常な構成のおかげですべてが機能します。6845は1MHzで動作し、フレームタイミングは「フレーム」あたり32マイクロ秒/ 32バイトで1つのラスターラインを持つように設定されています。各フレーム出力で、6845のビデオメモリレジスタが上書きされ、異なる可能性のある場所から次の32バイトが取得されます。つまり、32マイクロ秒ごとに、出力パターンテーブルから異なる出力パターンが選択されます。 1マイクロ秒あたり8ピクセル、つまり出力パターンあたり256を送信するようにRGBピンを構成しました。これにより、考えられるさまざまな出力パターンが多数得られます。ただし、FMディスクエンコーディングの32マイクロ秒のチャンクを記録しているため、適切なパターンはごくわずかです。 32マイクロ秒で、8FMパルス/ビットに適合できます。 4ビットが同期され、通常はすべて1です。4ビットはデータビットになり、それらの組み合わせは16個のみです。



たとえば、データ0x5のニブルを書き込む場合、32マイクロ秒の出力は次のようになります。





ビデオデータは、00FFFFFFFFFFFFFF00FFFFFF00FFFFFF00FFFFFFFFFFFFFF00FFFFFF00FFFFFFの形式になります。1番目、2番目、4番目、5番目の00は同期ビットです。同期ビットの間には、データビットパターン0101、つまり0x5があります。



CPUとメモリの制約はバランスが取れています。最終的に、この回路は、シフトレジスタVIAが機能した場合に試す回路と似ています。小さなコプロセッサ（ビデオチップ）がFMビットセットの送信を処理し、中央プロセッサは自由にロードして次のパターンを提供します。メモリ要件は非常に合理的です。特別な線形アドレス指定モードのおかげで、32マイクロ秒の必要な出力フラグメントのテーブルは1024バイトにうまく適合します。トラック全体の検索インデックスのリストは約12KBであるため、すべてが32KBのBBCマイクロRAMに完全に収まります。

BBCマイクロの特徴/ 6845

最後の文字/列6845



もちろん、これを機能させるには、いくつかの「楽しい」機能に遭遇する必要があります。 1つ目は、6845の機能で、各ビットマップ行の最後の文字に対して黒を出力します。これはデモ開発者の呪いであり、今ではディスク研究者もそうです。これは私がこの問題を示した最近の講演からのスライドです：





左側はデモの効果で、「最後の黒い文字/列」の問題によって引き起こされた垂直の黒いバーによって台無しになっています。複数の6845ラスターラインが1つのラスターパスに収まり、残念ながら黒いストライプが意図せずに表示されます。ディスク制御を使用すると、効果はさらに悪化します。黒いバーが不要なパルスに置き換えられ、ディスクに書き込まれます。



解決策の画像を右に示します。ディスクに送信された波は単純に反転されます。常にゼロが必要なため、最後の列は常に黒（オレンジ色の輪郭で表示）になるのが普通です。厳密に言えば、これは、低W / DATA信号をパルスするための一部のディスクドライブのタイミング要件に違反します。これがその時代のドライブ、三菱M4852 / M4853のタイミング図です。





このスキームによれば、ロジック0は2100nsまで保持する必要があります。反転した波形では、3000ns以上が予想されます。しかし、私が持っているドライブは、データパルスの立ち下がりのみに関係しており、その持続時間には関係していません。これは驚くべきことではありません。6845の癖を回避し、仕様どおりの継続時間を確保するために実行できるトリックがいくつかありましたが、それはオプションであることが判明したため、実行しませんでした。



DRAMの



破損DRAMの破損は悪夢です。これは、DRAMの更新に間に合わなかった場合に発生します。メモリの更新に関するWikipediaの記事からの引用：

「このプロセスは、電子メモリ回路によってバックグラウンドで自動的に実行され、ユーザーには見えません。」

これは最新のシステムには当てはまりますが、BBCマイクロには当てはまりません。 BBC Microでは、DRAMのアップグレードはビデオサブシステムの副作用です。標準の画面モードが短時間ですべてのDRAMラインを繰り返し通過するという特性を利用しています。あなたはおそらくこれがどこに向かっているのかすでに推測しているでしょう-32マイクロ秒でフレームを出力するために使用される私たちの特別なビデオモードは、標準のスクリーンモードではありません。すべてのDRAMラインをバイパスすることを保証するものではないため、DRAMの破損が発生します。 DRAMの破損は冗談ではありません。計画外のDRAMの破損により、さまざまなプログラムとディスクコンテンツが失われていました。笑いながら、ほんの一瞬でDRAMの損傷を引き起こすBASICプログラムを紹介します。





DRAMの破損の悲しい点は、DRAMが破損した場合、データが簡単に失われる可能性があることです。



一方、DRAMの破損が予想される場合は、通常、簡単にバイパスできます。油を塗ったカワウソの場合、6845が異常な状態にあるさまざまな重大なサイクルがあります。これらの各サイクルでDRAMの更新を保存するために、メモリからデータを取得する手動の増分が機能します。

開かれた機会

フロッピーコントローラをバイパスする動作中のディスク書き込みシステムができたので、それを使って何ができるでしょうか。上のビデオでは、ランダムなFMエンコードディスクを書き込む能力をすでに示しています。



しかし、この研究では、私たちは非常に幸運でした。 VIAシフトレジスタの欠点のため、ビデオ出力ピンを使用した解決策を探す必要があり、W / DATAピンのタイミングのより細かい解像度にアクセスできました。 8MHzピクセルクロックを使用するBBCマイクロコンピューターのMODE4を使用しています。これは、125 nsの解像度で書き込みパルスを切り替えることにより、125nsごとに黒または白のピクセルを出力できることを意味します。..。より大きなテーブルにもう少し余分なメモリ（私たちが持っている）を使いたい場合は、62.5nsの解像度を提供する16MHzピクセルクロックを使用するMODE0を使用できます。テストしたすべてのディスク保護に125nsで十分であることを確認しましたが、まだ多少の揺れの余地があるのは素晴らしいことです。



ロングトラックプロテクション



私のお気に入りのディスクプロテクションはロングトラックプロテクションです。彼女はアミガの間に人気がありました..。 BBCマイクロで使用されたことはないと思います。ロングトラック保護は非常に基本的なものであるため、気に入っています。フロッピーディスクコントローラーは、さまざまな書き込み速度に対して多くの許容範囲を持っていますが（ディスクドライブはさまざまな速度で回転するため）、1つの正しい速度でしか書き込みを行いません。



長いトラックでのより複雑な保護は、1つのトラックに2つのセクターを書き込むことです。この場合、セクターの1つがより高速に書き込まれます。コピー保護チェックは、これら2つのセクターの読み取りにかかった時間です。より高速で書き込まれたセクターは、はるかに高速に読み取る必要があります。



Oiled Otterはそのようなトラックを録音できますか？はい、そしてかなり簡単です。125 nsの出力解像度を考えると、通常の出力テーブルエントリのように見える複数の出力テーブルエントリを簡単に作成できますが、1マイクロ秒ごとに125ナノ秒が切り取られます。これは、ロングトラック保護を作成し、ディスク読み取りをチェックするビデオです。







ファジービットによる保護



おそらく、私たちが始めたところ、つまりファジービットによる保護に戻る時が来たのでしょう。Oiled Otterは1981年のハードウェアでファジービットを作成できますか？やってみよう。これは、OiledOtterシステムのFUZZコマンドによって書き込まれた後の1組のセクター読み取りの結果の画像です。





FUZZ命令は0x8ニブルを書き込み、データビットは125nsの増分で徐々に取っておかれます。これは、ダンジョンマスターのファジービットがどのように記録されたかの説明に似ています。スクリーンショットからわかるように、0x88データバイトはすぐに不正確で非決定的な方法で読み取られ始めます。しかし、分散は弱いビットのように100％ランダムではありません-分散は、0x8ビットが見落とされる可能性があるほど遅く書き込まれるかどうかです。省略しても、この狂気にはパターンと論理があることがわかります。



上記の結果は、FMエンコードされたデータへのファジービット原理の適用です。 FMエンコーディングでは、各データビットは同期ビットとインターリーブされます。これにより、クロックビットがデータストリームに侵入することがあります（最初の実行でバイト0xFFを参照してください。ほとんどの場合、クロックビットです）。ダンジョンマスターの防御は、MFMと組み合わせてファジービットを使用します。これにより、ファジービットがデータビットの2つの有効なエンコーディング間を移動し、同期ビットに触れないという単純な状況になります。もちろん、Oiled Otterは、MFM、GCR、およびその他の考えられるあらゆるエンコーディングを書き込むことができます。これらはすべて、1つの基本的なプリミティブの異なるプロトコルです。つまり、いつでも優れた解像度でドライブにパルスを送信する機能です。



それを正しく評価するために、オシロスコープからディスク上のファジービットを表示します。最大値はかなり不均一であり、2つのパルスが互いに非常に近い場合（1マイクロ秒程度、標準のエンコーディングでは近すぎる場合）、ドライブによって認識される磁化反転力は弱まり始めます。





ミッション達成



125nsの分解能でディスクパルスを記録する機能が得られました。これは、長いトラック、弱いビット、ファジービットなどの複雑なディスク保護を作成するのに完全に十分です。1マイクロ秒という最速のコマンド実行速度を備えた1981年のハードウェアにとっては悪くありません！

参照：

• 「BBCマイクロ-ZXスペクトラムを打ち負かしたコンピューター」
• 「どんぐり電子-BBCマイクロの失敗した後継者」
• 「70年代から90年代初頭までの最初のコンピューターのプロセッサーの感動的な歴史」