软盘控制器编程秘典：掌握SWF文件处理

软盘控制器 编程方法
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软盘控制器 的编程方法
赵炯 oldlinux.org (gohigh@sh163.net)

1.1 软盘驱动器的设备号
在 Linux 中 , 软驱的主设备号是 2, 次设备号 = TYPE*4 + DRIVE, 其中 DRIVE 为 0-3, 分
别对应软驱 A,B,C 或 D;TYPE 是软驱的类型 ,2 表示 1.2M 软驱 ,7 表示 1.44M 软驱 , 也即 flop
py.c 中 85 行定义的软盘类型 (floppy_type[]) 数组的索引值 :

表 6.1 软盘驱动器类型
类型 说明
0 不用 .
1 360KB PC 软驱 .
2 1.2MB AT 软驱 .
3 360kB 在 720kB 驱动器中使用 .
4 3.5" 720kB 软盘 .
5 360kB 在 1.2MB 驱动器中使用 .
6 720kB 在 1.2MB 驱动器中使用 .
7 1.44MB 软驱 .
例如 , 因为 7*4 + 0 = 28, 所以 /dev/PS0 (2,28) 指的是 1.44M A 驱动器 , 其设备号是 0
x021c.
同理 /dev/at0 (2,8) 指的是 1.2M A 驱动器 , 其设备号是 0x0208.
1.2 软盘控制器
对 软盘控制器 的编程比较烦琐 . 在编程时需要访问 4 个端口 , 分别对应一个或多个寄存
器 . 对于 1.2M 的 软盘控制器 有以下一些端口 .

表 6.2 软盘控制器 端口
I/O 端口 读写性 寄存器名称
0x3f2 只写 数字输出寄存器 (DOR)( 数字控制寄存器 )
0x3f4 只读 FDC 主状态寄存器 (STATUS)
0x3f5 读 / 写 FDC 数据寄存器 (DATA)
只读 数字输入寄存器 (DIR) 0x3f7
只写 磁盘控制寄存器 (DCR)( 传输率控制 )

数字输出端口 DOR( 数字控制端口 ) 是一个 8 位寄存器 , 它控制驱动器马达开启 , 驱动器
选择 , 启动 / 复位 FDC 以及允许 / 禁止 DMA 及中断请求 .

表 6.3 数字输出寄存器定义
位 名称 说明
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7 MOT_EN3 启动软驱 D 马达 :1- 启动 ;0- 关闭 .
6 MOT_EN2 启动软驱 C 马达 :1- 启动 ;0- 关闭 .
5 MOT_EN1 启动软驱 B 马达 :1- 启动 ;0- 关闭 .
4 MOT_EN0 启动软驱 A 马达 :1- 启动 ;0- 关闭 .
3 DMA_INT 允许 DMA 和中断请求 ;0- 禁止 DMA 和中断请求 .
2 RESET 允许 软盘控制器 FDC 工作 .0- 复位 FDC.
1 DRV_SEL1
0 DRV_SEL0
00-11 用于选择软盘驱动器 A-D.

FDC 的主状态寄存器也是一个 8 位寄存器 , 用于反映 软盘控制器 FDC 和软盘驱动器 FDD 的基
本状态 . 通常 , 在 CPU 向 FDC 发送命令之前或从 FDC 获取操作结果之前 , 都要读取主状态寄存
器的状态位 , 以判别当前 FDC 数据寄存器是否就绪 , 以及确定数据传送的方向 .

表 6.4 FDC 主状态控制器 MSR 定义
位 名称 说明
7 RQM 数据口就绪 : 控制器 FDC 数据寄存器已准备就绪 .
6 DIO 传输方向 :1- FDC CPU;0- CPU FDC
5 NDM 非 DMA 方式 :1- 非 DMA 方式 ;0- DMA 方式
4 CB 控制器忙 :FDC 正处于命令执行忙碌状态
3 DDB 软驱 D 忙
2 DCB 软驱 C 忙
1 DBB 软驱 B 忙
0 DAB 软驱 A 忙

FDC 的数据端口对应多个寄存器 ( 只写型命令寄存器和参数寄存器 , 只读型结果寄存器 ),
但任一时刻只能有一个寄存器出现在数据端口 0x3f5. 在访问只写型寄存器时 , 主状态控制
的 DIO 方向位必须为 0(CPU FDC), 访问只读型寄存器时则反之 . 在读取结果时只有在 FD
C 不忙之后才算读完结果 , 通常结果数据最多有 7 个字节 .

数据输入寄存器 (DIR) 只有位 7(D7) 对软盘有效 , 用来表示盘片更换状态 . 其余七位
用于硬盘控制器接口 .

磁盘控制寄存器 (DCR) 用于选择盘片在不同类型驱动器上使用的数据传输率 . 仅使用低 2
位 (D1D0),
00 - 500kbps,01 - 300kbps,10 - 250kbps.
Linux 0.11 内核中 , 驱动程序与软驱中磁盘之间的数据传输是通过 DMA 控制器实现的 .
在进行读写操作之前 , 需要首先初始化 DMA 控制器 , 并对软驱控制器进行编程 . 对于 386 兼容
PC, 软驱控制器使用硬件中断 IR6( 对应中断描述符 0x26), 并采用 DMA 控制器的通道 2. 有关
DMA 控制处理的内容见后面小节 .
1.3 软盘控制器 命令
软盘控制器 共可以接受 15 条命令 . 每个命令均经历三个阶段 : 命令阶段 , 执行阶段和结
果阶段 .
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命令阶段是 CPU 向 FDC 发送命令字节和参数字节 . 每条命令的第一个字节总是命令字节
( 命令码 ). 其后跟着 0--8 字节的参数 .
执行阶段是 FDC 执行命令规定的操作 . 在执行阶段 CPU 是不加干预的 , 一般是通过 FDC 发
出中断请求获知命令执行的结束 . 如果 CPU 发出的 FDC 命令是传送数据 , 则 FDC 可以以中断方
式或 DMA 方式进行 . 中断方式每次传送 1 字节 .DMA 方式是在 DMA 控制器管理下 ,FDC 与内存进
行数据的传输直至全部数据传送完 . 此时 DMA 控制器会将传输字节计数终止信号通知 FDC, 最
后由 FDC 发出中断请求信号告知 CPU 执行阶段结束 .
结果阶段是由 CPU 读取 FDC 数据寄存器返回值 , 从而获得 FDC 命令执行的结果 . 返回结果
数据的长度为 0--7 字节 . 对于没有返回结果数据的命令 , 则应向 FDC 发送检测中断状态命令
获得操作的状态 .

由于 Linux 0.11 的软盘驱动程序中只使用其中 6 条命令 , 因此这里仅对这些用到的命令进行
描述 .

1. 重新校正命令 (FD_RECALIBRATE)
该命令用来让磁头退回到 0 磁道 . 通常用于在软盘操作出错时对磁头重新校正定位 . 其
命令码是 0x07, 参数是指定的驱动器号 (0—3).
该命令无结果阶段 , 程序需要通过执行 " 检测中断状态 " 来获取该命令的执行结果 .

表 6.5 重新校正命令 (FD_RECALIBRATE)
阶段 序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 说明
0 0 0 0 0 0 1 1 1 重新校正命令码 :0x07
命令
1 0 0 0 0 0 0 US1 US2 驱动器号
执行 磁头移动到 0 磁道
结果 无 . 需使用命令获取执行结果 .

2. 磁头寻道命令 (FD_SEEK)
该命令让选中驱动器的磁头移动到指定磁道上 . 第 1 个参数指定驱动器号和磁头号 , 位
0-1 是驱动器号 , 位 2 是磁头号 , 其它比特位无用 . 第 2 个参数指定磁道号 .
该命令也无结果阶段 , 程序需要通过执行 " 检测中断状态 " 来获取该命令的执行结果 .

表 6.6 磁头寻道命令 (FD_SEEK)
阶段 序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 说明
0 0 0 0 0 1 1 1 1 磁头寻道命令码 :0x0F
1 0 0 0 0 0 HD US1 US2 磁头号 , 驱动器号 . 命令
2 C 磁道号 .
执行 磁头移动到指定磁道上 .
结果 无 . 需使用命令获取执行结果 .

3. 读扇区数据命令 (FD_READ)
该命令用于从磁盘上读取指定位置开始的扇区 , 经 DMA 控制传输到系统内存中 . 每当一
个扇区读完 , 参数 4(R) 就自动加 1, 以继续读取下一个扇区 , 直到 DMA 控制器把传输计数终
止信号发送给 软盘控制器 . 该命令通常是在磁头寻道命令执行后磁头已经位于指定磁道后开
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始 .
返回结果中 , 磁道号 C 和扇区号 R 是当前磁头所处位置 . 因为在读完一个扇区后起始扇区
号 R 自动增 1, 因此结果中的 R 值是下一个未读扇区号 . 若正好读完一个磁道上最后一个扇区
( 即 EOT), 则磁道号也会增 1, 并且 R 值复位成 1.

表 6.7 读扇区数据命令 (FD_READ)
阶段 序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 说明
0 MT MF SK 0 0 1 1 0 读命令码 :0xE6(MT=MF=SK=1)
1 0 0 0 0 0 0 US1 US2 驱动器号 .
2 C 磁道号
3 H 磁头号
4 R 起始扇区号
5 N 扇区字节数
6 EOT 磁道上最大扇区号
7 GPL 扇区之间间隔长度 (3)
命令
8 DTL N=0 时 , 指定扇区字节数
执行 数据从磁盘传送到系统
1 ST0 状态字节 0
2 ST1 状态字节 1
3 ST2 状态字节 2
4 C 磁道号
5 H 磁头号
6 R 扇区号
结果
7 N 扇区字节数

其中 MT,MF 和 SK 的含义分别为 :
MT 表示多磁道操作 .MT=1 表示允许在同一磁道上两个磁头连续操作 .
MF 表示记录方式 .MF=1 表示选用 MFM 记录方式 , 否则是 FM 记录方式 .
SK 表示是否跳过有删除标志的扇区 .SK=1 表示跳过 .
返回的个状态字节 ST0,ST1 和 ST2 的含义见下面所示 .

表 6.8 状态字节 0 (ST0)
位 名称 说明
7
6
ST0_INTR
中断原因 .00 – 命令正常结束 ;01 – 命令异常结束 ;
10 – 命令无效 ;11 – 软盘驱动器状态改变 .
5 ST0_SE 寻道操作或重新校正操作结束 .(Seek End)
4 ST0_ECE 设备检查出错 ( 零磁道校正出错 ).(Equip. Check Error)
3 ST0_NR 软驱未就绪 .(Not Ready)
2 ST0_HA 磁头地址 . 中断时磁头号 .(Head Address)
1
0
ST0_DS
驱动器选择号 ( 发生中断时驱动器号 ).(Drive Select)
00 – 11 分别对应驱动器 0—3.

表 6.9 状态字节 1 (ST1)
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位 名称 说明
7 ST1_EOC 访问超过磁道上最大扇区号 EOT.(End of Cylinder)
6 未使用 (0).
5 ST1_CRC CRC 校验出错 .
4 ST1_OR 数据传输超时 ,DMA 控制器故障 .(Over Run)
3 未使用 (0).
2 ST1_ND 未找到指定的扇区 .(No Data - unreadable)
1 ST1_WP 写保护 .(Write Protect)
0 ST1_MAM 未找到扇区地址标志 ID AM.(Missing Address Mask)

表 6.10 状态字节 2 (ST2)
位 名称 说明
7 未使用 (0).
6 ST2_CM SK=0 时 , 读数据遇到删除标志 .(Control Mark = deleted)
5 ST2_CRC 扇区数据场 CRC 校验出错 .
4 ST2_WC 扇区 ID 信息的磁道号 C 不符 .(Wrong Cylinder)
3 ST2_SEH 检索 ( 扫描 ) 条件满足要求 .(Scan Equal Hit)
2 ST2_SNS 检索条件不满足要求 .(Scan Not Satisfied)
1 ST2_BC 扇区 ID 信息的磁道号 C=0xFF, 磁道坏 .(Bad Cylinder)
0 ST2_MAM 未找到扇区数据标志 DATA AM.(Missing Address Mask)


4. 写扇区数据命令 (FD_WRITE)
该命令用于将内存中的数据写到磁盘上 . 在 DMA 传输方式下 , 软驱控制器把内存中的数
据串行地写到磁盘指定扇区中 . 每写完一个扇区 , 起始扇区号自动增 1, 并继续写下一个扇
区 , 直到软驱控制器收到 DMA 控制器的计数终止信号 . 见下表所示 , 其中缩写名称的含义与
读命令中的相同 .

表 6.11 写扇区数据命令 (FD_WRITE)
阶段 序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 说明
0 MT MF 0 0 0 1 0 1 写数据命令码 :0xC5(MT=MF=1)
1 0 0 0 0 0 0 US1 US2 驱动器号 .
2 C 磁道号
3 H 磁头号
4 R 起始扇区号
5 N 扇区字节数
6 EOT 磁道上最大扇区号
7 GPL 扇区之间间隔长度 (3)
命令
8 DTL N=0 时 , 指定扇区字节数
执行 数据从系统传送到磁盘
1 ST0 状态字节 0
2 ST1 状态字节 1
结果
3 ST2 状态字节 2
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4 C 磁道号
5 H 磁头号
6 R 扇区号
7 N 扇区字节数

5. 检测中断状态命令 (FD_SENSEI)
发送该命令后软驱控制器会立刻返回常规结果 1 和 2( 即状态 ST0 和磁头所处磁道号 PCN).
它们是控制器执行上一条命令后的状态 . 通常在一个命令执行结束后会向 CPU 发出中断信号 .
对于读写扇区 , 读写磁道 , 读写删除标志 , 读标识场 , 格式化和扫描等命令以及非 DMA 传输
方式下的命令引起的中断 , 可以直接根据主状态寄存器的标志知道中断原因 . 而对于驱动器
就绪信号发生变化 , 寻道和重新校正 ( 磁头回零道 ) 而引起的中断 , 由于没有返回结果 , 就
需要利用本命令来读取控制器执行命令后的状态信息 .

表 6.12 检测中断状态命令 (FD_SENSEI)
阶段 序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 说明
命令 0 0 0 0 0 1 0 0 0 检测中断状态命令码 :0x08
执行
1 ST0 状态字节 0
结果
2 C 磁头所在磁道号

6. 设定驱动器参数命令 (FD_SPECIFY)
该命令用于设定 软盘控制器 内部的三个定时器初始值和选择传输方式 , 即把驱动器马达
步进速率 (STR), 磁头加载 / 卸载 (HLT/HUT) 时间和是否采用 DMA 方式来传输数据的信息送
入软驱控制器 .

表 6.13 设定驱动器参数命令 (FD_SPECIFY)
阶段 序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 说明
0 0 0 0 0 0 0 1 1 设定参数命令码 :0x03
1 SRT( 单位 2ms) HUT( 单位 32ms) 马达步进速率 , 磁头卸载时间 命令
2 HLT( 单位 4ms) ND 磁头加载时间 , 非 DMA 方式
执行 设置控制器 , 不发生中断
结果 无 无

1.4 软盘控制器 编程方法
在 PC 机中 , 软盘控制器 一般采用与 NEC PD765 或 Intel 8287A 兼容的芯片 , 例如 Intel 的
82078. 由于软盘的驱动程序比较复杂 , 因此下面对这类芯片构成的 软盘控制器 的编程方法
进行较为详细的介绍 .
典型的磁盘操作不仅仅包括发送命令和等待控制器返回结果 , 的软盘驱动器的控制是一
种低级操作 , 它需要程序在不同阶段对其执行状况进行干涉 .

命令与结果阶段的交互
在上述磁盘操作命令或参数发送到 软盘控制器 之前 , 必须首先查询控制器的主状态寄存
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器 (MSR), 以获知驱动器的就绪状态和数据传输方向 . 软盘驱动程序中使用了一个 output_
byte(byte) 函数来专门实现该操作 . 该函数的等效框图如下所示 .
该函数一直循环到主状态寄存器的数据口就绪标志 RQM 为 1, 并且方向标志 DIO 是 0(CPU
FDC), 此时控制器就已准备好接受命令和参数字节 . 循环语句起超时计数功能 , 以应付控
制器没有响应的情况 . 本驱动程序中把循环次数设置成了 10000 次 . 对这个循环次数的选择
需要仔细 , 以避免程序作出不正确的超时判断 . 在 Linux 内核版本 0.1x 至 0.9x 中就经常会碰
到需要调整这个循环次数的问题 , 因为当时人们所使用的 PC 机运行速度差别较大 (16MHz -
- 40MHz), 因此循环所产生的实际延时也有很大的区别 . 这可以参见早期 Linux 的邮件列表
中的许多文章 . 为了彻底解决这个问题 , 最好能使用系统硬件时钟来产生固定频率的延时值 .
对于读取控制器的结果字节串的结果阶段 , 也需要采取与发送命令相同的操作方法 , 只
是此时数据传输方向标志要求是置位状态 (FDC CPU). 本程序中对应的函数是 result().
该函数把读取的结果状态字节存放到了 reply_buffer[] 字节数组中 .


图 6.1 向 软盘控制器 发送命令或参数字节

软盘控制器 初始化
对 软盘控制器 的初始化操作包括在控制器复位后对驱动器进行适当的参数配置 . 控制器
复位操作是指对数字输出寄存器 DOR 的位 2( 启动 FDC 标志 ) 置 0 然后再置 1. 在机器复位之后 ,
" 指定驱动器参数 " 命令 SPECIFY 所设置的值就不再有效 , 需要重新建立 . 在 floppy.c 程序
中 , 复位操作在函数 reset_floppy() 和中断处理 C 函数 reset_interrupt() 中 . 前一个函数用
于修改 DOR 寄存器的位 2, 让控制器复位 , 后一个函数用于在控制器复位后使用 SPECIFY 命令
重新建立控制器中的驱动器参数 . 在数据传输准备阶段 , 若判断出与实际的磁盘规格不同 ,
还在传输函数 transfer() 开始处对其另行进行重新设置 .
在控制器复位后 , 还应该向数字控制寄存器 DCR 发送指定的传输速率值 , 以重新初始化
数据传输速率 . 如果机器执行了复位操作 ( 例如热启动 ), 则数据传输速率会变成默认值 25
0Kpbs. 但通过数字输出寄存器 DOR 向控制器发出的复位操作并不会影响设置的数据传输速
率 .

驱动器重新校正和磁头寻道
驱动器重新校正 (FD_RECALIBRATE) 和磁头寻道 (FD_SEEK) 是两个磁头定位命令 . 重新
校正命令让磁头移动到零磁道 , 而磁头寻道命令则让磁头移动到指定的磁道上 . 这两个磁头
Y
Y
N
N
初始化延时计数
MSR=10XXXXXXb
读主状态寄存器 MSR
递增计数值
超时出错
计数超出设置
字节写数据寄存器
返回
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定位命令与典型的读 / 写命令不同 , 因为它们没有结果阶段 . 一旦发出这两个命令之一 , 控
制器将立刻会在主状态寄存器 (MSR) 返回就绪状态 , 并以后台形式执行磁头定位操作 . 当
定位操作完成后 , 控制器就会产生中断以请求服务 . 此时就应该发送一个 " 检测中断状态 "
命令 , 以结束中断和读取定位操作后的状态 . 由于驱动器和马达启动信号是直接由数字输出
寄存器 (DOR) 控制的 , 因此 , 如果驱动器或马达还没有启动 , 那么写 DOR 的操作必须在发出
定位命令之前进行 . 流程图见下图所示 .


图 6.2 重新校正和寻道操作

数据读 / 写操作
数据读或写操作需要分几步来完成 . 首先驱动器马达需要开启 , 并把磁头定位到正确的
磁道上 , 然后初始化 DMA 控制器 , 最后发送数据读或写命令 . 另外 , 还需要定出发生错误时
的处理方案 . 典型的操作流程图见下图所示 .

N
Y
通过 DOR 选择驱动器并启
动马达
发送驱动器重新校正或
寻道命令
等待中断
发送检测中断状态命令
读结果 ST0 和磁道号 PCN
状态通过
寻道完成
寻道失败
中断程序部分
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图 6.3 数据读 / 写操作流程图

在对磁盘进行数据传输之前 , 磁盘驱动器的马达必须首先达到正常的运转速度 . 对于大
多数 3 英寸软驱来讲 , 这段启动时间大约需要 300ms, 而 5 英寸的软驱则需要大约 500ms. 在
floppy.c 程序中将这个启动延迟时间设置成了 500ms.
在马达启动后 , 就需要使用数字控制寄存器 DCR 设置与当前磁盘介质匹配的数据传输率 .
如果隐式寻道方式没有开启 , 接下来就需要发送寻道命令 FD_SEEK, 把磁头定位到正确
的磁道上 . 在寻道操作结束后 , 磁头还需要花费一段到位 ( 加载 ) 时间 . 对于大多数驱动器 ,
这段延迟时间起码需要 15ms. 当使用了隐式寻道方式 , 那么就可以使用 " 指定驱动器参数 "
命令指定的磁头加载时间 (HLT) 来确定最小磁头到位时间 . 例如在数据传输速率为 500Kbp
s 的情况下 , 若 HLT=8, 则有效磁头到位时间是 16ms. 当然 , 如果磁头已经在正确的磁道上到
位了 , 也就无须确保这个到位时间了 .
然后对 DMA 控制器进行初始化操作 , 读写命令也随即执行 . 通常 , 在数据传输完成后 ,
DMA 控制器会发出终止计数 (TC) 信号 , 此时 软盘控制器 就会完成当前数据传输并发出中断
请求信号 , 表明操作已到达结果阶段 . 如果在操作过程中出现错误或者最后一个扇区号等于
磁道最后一个扇区 (EOT), 那么 软盘控制器 也会马上进入结果阶段 .
根据上面流程图 , 如果在读取结果状态字节后发现错误 , 则会通过重新初始化 DMA 控制
器 , 再尝试重新开始执行数据读或写操作命令 . 持续的错误通常表明寻道操作并没有让磁头
到达指定的磁道 , 此时应该多次重复对磁头执行重新校准 , 并再次执行寻道操作 . 若此后还
是出错 , 则最终控制器就会向驱动程序报告读写操作失败 .

Y
N
N
N
N
N
N
Y
Y Y
Y
Y
通过 DOR 启动驱动器和马达
通过 DCR 设置数据传输速率
重新校正
马达启动时间 >0.5s
初始化 DMA 控制器
发送读或写命令
初始化超时计数器
计数器超时
检测到控制器中断
计数器超时
读结果状态字节
读 / 写操作完成
读 / 写次数 >3 次
寻道重试 >3 次
重新校正
读 / 写操作失败
控制器超时出错
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磁盘格式化操作
Linux 0.11 内核中虽然没有实现对软盘的格式化操作 , 但作为参考 , 这里还是对磁盘格
式化操作进行简单说明 . 磁盘格式化操作过程包括把磁头定位到每个磁道上 , 并创建一个用
于组成数据字段 ( 场 1) 的固定格式字段 .
在马达已启动并且设置了正确的数据传输率之后 , 磁头会返回零磁道 . 此时磁盘需要在
500ms 延迟时间内到达正常和稳定的运转速度 .
在格式化操作期间磁盘上建立的标识字段 (ID 字段 ) 是在执行阶段由 DMA 控制器提供 .
DMA 控制器被初始化成为每个扇区标识场提供磁道 (C), 磁头 (H), 扇区号 (R) 和扇区字节
数的值 . 例如 , 对于每个磁道具有 9 个扇区的磁盘 , 每个扇区大小是 2(512 字节 ), 若是用磁
头 1 格式化磁道 7, 那么 DMA 控制器应该被编程为传输 36 个字节的数据 (9 扇区 x 每扇区 4 个字
节 ), 数据字段应该是 :7,1,1,2,7,1,2,2,7,1,3,2,...,7,1,9.2. 因为在格式化命令执
行期间 , 软盘控制器 提供的数据会被直接作为标识字段记录在磁盘上 , 数据的内容可以是任
意的 . 因此有些人就利用这个功能来防止保护磁盘复制 .
在一个磁道上的每个磁头都已经执行了格式化操作以后 , 就需要执行寻道操作让磁头前
移到下一磁道上 , 并重复执行格式化操作 . 因为 " 格式化磁道 " 命令不含有隐式的寻道操作 ,
所以必须使用寻道命令 SEEK. 同样 , 前面所讨论的磁头到位时间也需要在每次寻道后设置 .



1 关于磁盘格式的说明资料 , 以前均把 filed 翻译成场 . 其实对于程序员来讲 , 翻译成字段或域或许更顺耳
一些 .