群符号化記録

計算機科学において、群符号化記録(英: group coded recording)または群符号記録(英: group code recording, GCR)とは、磁気メディア上のデータを表現するための、別個ではあるが関連するいくつかの符号化方法を指す。1つ目は、1973年以来6250 bpiの磁気テープで使用されている、ランレングス制限 (RLL) 符号化方式と組み合わせられた誤り訂正符号であり、変調符号（英語版）のグループに属する[1]。もう1つは、1980年代後半まで一部のマイクロコンピュータで使用されていた、メインフレームのハードディスクとフロッピーディスクの異なるエンコード方式である。GCRはNRZI符号の修正形式であるが、必然的に遷移密度は高くなる[1]。

磁気テープ

群符号化記録は、9トラック（英語版）オープンリールテープの磁気テープ・データストレージで初めて使用された[1]。この用語は、両方とも1973年に導入された[2][3]IBM 3420（英語版） モデル4/6/8 磁気テープ・ユニット[2]および対応する3803（英語版） モデル2 テープ・コントロールユニット[4][2]の開発中に造られた。IBMは、誤り訂正符号自体を「群符号化記録」と呼んでいる。しかし、GCRは6250bpi (250ビット/mm[1]) の記録形式テープの全体を指すようになり、後に誤り訂正符号のない同様のRLL符号を使用する形式を指すようになった。

磁気テープに確実に読み取りおよび書き込みを行うには、書き込まれる信号に関するいくつかの制約に従う必要がある。1つ目は、2つの隣接する磁束反転（英語版）が媒体上で媒体自体の磁気特性によって定義される一定の距離だけ離れていなければならないということ。2つ目は、読み取りクロックと書き込まれた信号の位相を保つために十分な頻度で反転が必要であるということである。つまり、信号はセルフクロッキング（英語版）である必要があり、最も重要なことは、再生出力は磁束遷移の密度に比例するため再生出力を十分に高く保つことである。6250bpiテープが使用される前は、1600bpiテープは位相エンコード (PE) と呼ばれる技術を使用してこれらの制約を満たしていたが、その効率はわずか50%であった。6250bpi GCRテープの場合、(0, 2) RLL符号、またはより具体的には時々GCR (4B-5B) エンコーディングとも呼ばれる[5]、4/5 (0, 2) ブロック符号[1]が使用される。この符号では、4ビットのデータごとに5ビットを書き込む必要がある[1]。符号はデータが何であったとしても、符号内または符号間で、0ビット (磁束反転の欠如によって表される) が2つを超えて連続して発生できないように構造化されている[1]。このRLL符号は9つのトラックのそれぞれに送信されるデータに独立して適用される。

32の5ビット・パターンのうち、8つは連続する2つの0ビットで始まり、他の6つは連続する2ビットで終わり、さらに1つ (10001) には3つの連続する0ビットが含まれる。残りからオール1パターン (11111) を除去すると、16個の適切な符号ワードが残る。

6250bpi GCR RLL 符号一覧[6][7][8][5]:

4ビット値 GCR符号[6][7]
16進 2進 2進 16進
0x0 0000 1.1001 0x19
0x1 0001 1.1011 0x1B
0x2 0010 1.0010 0x12
0x3 0011 1.0011 0x13
0x4 0100 1.1101 0x1D
0x5 0101 1.0101 0x15
0x6 0110 1.0110 0x16
0x7 0111 1.0111 0x17
4ビット値 GCR符号[6][7]
16進 2進 2進 16進
0x8 1000 1.1010 0x1A
0x9 1001 0.1001 0x09
0xA 1010 0.1010 0x0A
0xB 1011 0.1011 0x0B
0xC 1100 1.1110 0x1E
0xD 1101 0.1101 0x0D
0xE 1110 0.1110 0x0E
0xF 1111 0.1111 0x0F

ニブルのうち11個 (xx00と0001を除く) は、最上位ビットの補数を先頭に追加することによって形成された符号を持つ、つまりabcdはaabcdとしてエンコードされる。他の5つの値には、11で始まる符号が割り当てられる。ab00形式のニブルには符号11baa、つまりab11の符号のビット反転が含まれる。符号0001には残りの値11011が割り当てられる。

当時の6250bpiテープは非常に高密度であったため、RLL符号では信頼性の高いデータストレージを確保するには十分ではなかった。RLL符号の上に、Optimal Rectangular Code（英語版） (ORC) と呼ばれる誤り訂正符号が適用される[9]。この符号は、パリティトラックとCRCに似た多項式符号の組み合わせだが、誤り検出ではなく誤り訂正用に構造化されている。テープに7バイトが書き込まれるごとに (RLLエンコード前)、8番目のチェックバイトが計算されてテープに書き込まれる。読み取り時には、パリティが各バイトで計算され、パリティトラックの内容と排他的論理和が計算され、多項式チェック符号が計算され、受信したチェック符号と排他的論理和が計算され、2つの8ビット・シンドローム(※原文ママ)・ワードが生成される。これらが両方とも0の場合、データには誤りがない。それ以外の場合は、テープコントローラの誤り訂正ロジックがデータをホストに転送する前に訂正する。誤り訂正符号は、任意の1つのトラック、または誤りのあるトラックが他の手段で識別できる場合は2つのトラック内の任意の数の誤りを訂正できる。

24000bpiで記録する新しいIBMハーフインチ 18トラック テープドライブでは、4/5 (0, 2) GCR が、8ビットを9ビットにマッピングする、より効率的な8/9 (0, 3) 変調符号に置き換えられた[1]。

ハードディスク

1970年代半ば、(スペリー・UNIVACの)ISS部門は、群符号を使用してメインフレームビジネス向けの大型ハードドライブの開発に取り組んでいた[10]。

フロッピーディスク

磁気テープドライブと同様、フロッピーディスクドライブには磁束反転 (遷移とも呼ばれ、1ビットで表される) の間隔に物理的な制限がある。

マイクロポリス

GCR互換のディスケットドライブとフロッピー ディスクコントローラ（英語版） (100163-51-8や100163-52-6[11]など) を提供し、Micropolisは 5¼インチ 100tpi 77トラック ディスケットでの群符号化記録[12]によるデータエンコーディングを承認した。1977~78年以来ドライブはトラックあたり12個の512バイトセクタを保存するようになった[13][14][15][16]。

マイクロ・ペリフェラルズ

Micro Peripherals, Inc.（英語版） (MPI) は、1978年初頭から倍密度5¼インチ ディスクドライブ (片面B51ドライブや両面B52ドライブなど) とGCRを実装したコントローラソリューションを販売した[17][18]。

デュランゴ

デュランゴ・システムズ F-85（英語版） (1978年9月発表[19][20]) は、独自の高密度4/5群符号化エンコーディングを利用して480KBを提供する片面5¼インチ 100tpi ディスケットドライブを使用した。このマシンは、元スペリーISSエンジニアによって設計されたWestern Digital FD1781（英語版）フロッピーディスクコントローラを使用しており[16]、77トラックのマイクロポリスドライブが搭載されていた[21]。デュランゴ800[22]シリーズなどの後のモデルでは、これはディスケットあたり960KB (フォーマット済み946KB[22][nb 1]) の両面オプションに拡張された[20][23][21][13]。

アップル

Apple IIフロッピー ドライブについては、スティーブ・ウォズニアックが (Disk II（英語版）ドライブ自体とともに) 2つの制約を課すフロッピーコントローラを発明した:

  • 任意の2つの1ビットの間に、最大1つの0ビットが存在する可能性がある。
  • 8ビットの各バイトは1ビットで始まる必要がある。

これらの制限への準拠を保証する最も簡単な方式は、差動マンチェスタ符号化（英語版）または (デジタル) FM (周波数変調) に従って、各データビットの前に追加の「クロック」遷移を記録することである。4-and-4エンコーディングとして知られるこのAppleの実装では、トラックあたり256バイトのセクタを10個だけ単密度の5¼インチ フロッピーに記録することができた。各バイトに2バイトを使用する。

1978年春のディスクドライブの出荷の1か月近く前[25]に、ウォズニアックは、より複雑なエンコード方式により、ディスク上の8ビットの各バイトに4ビットではなく5ビットの有用なデータを保持できることに気付いた。これは先頭ビットが設定されたバイトが34バイトあり、連続する2つの0ビットがないためである。このエンコーディングスキームは5-and-3エンコーディングとして知られるようになり、トラックあたり13セクタが許可された。これはApple DOS（英語版） 3.1、3.2、および3.2.1、およびApple CP/M（英語版）の初期バージョン:[26]で使用された。

予約済みGCRコード: 0xAAおよび0xD5[26]。

ウォズニアックはこのシステムを「アップルでの私の最も素晴らしい経験であり、私が行った最高の仕事」と呼んだ[25]。

その後フロッピードライブ コントローラの設計が変更され、ディスク上の1バイトに最大1組の0ビットを連続して含めることができるようになった。これにより各8ビットバイトに6ビットの有用なデータを保持できるようになり、トラックあたり16セクタが可能になった。このスキームは6-and-2エンコーディング[26]として知られており、Apple Pascal（英語版）、Apple DOS 3.3[26]、およびApple ProDOS（英語版）[28]で使用され、その後Apple LisaのApple FileWare（英語版）ドライブとMacintoshおよびApple IIの400Kおよび800K 3½インチディスクでも使用された[29][30]。Appleは当初このスキームを「GCR」と呼んでいなかったが、後にMFMエンコーディングスキームを使用するIBM PCフロッピーと区別するためにこの用語が適用された[30]。

予約済み GCR コード: 0xAA および 0xD5[26][28]。

コモドール

独立して、Commodore Business Machines (CBM) は、Commodore 2040（英語版）フロッピーディスクドライブ (1979年春発売) 用の群符号化記録スキームを作成した。2040ドライブに関連する制約は、連続して発生する0ビットが2つまでであるということであった; ドライブはバイトの最初のビットに特別な制約を課さなかった。これにより6250bpiテープドライブで使用されているものと同様のスキームを使用できるようになった。次の表に従ってデータの4ビットごとがディスク上で5ビットに変換される:

4ビット値 GCR符号[31]
16進 2進 2進 16進
0x0 0000 0.1010 0x0A
0x1 0001 0.1011 0x0B
0x2 0010 1.0010 0x12
0x3 0011 1.0011 0x13
0x4 0100 0.1110 0x0E
0x5 0101 0.1111 0x0F
0x6 0110 1.0110 0x16
0x7 0111 1.0111 0x17
4ビット値 GCR符号[31]
16進 2進 2進 16進
0x8 1000 0.1001 0x09
0x9 1001 1.1001 0x19
0xA 1010 1.1010 0x1A
0xB 1011 1.1011 0x1B
0xC 1100 0.1101 0x0D
0xD 1101 1.1101 0x1D
0xE 1110 1.1110 0x1E
0xF 1111 1.0101 0x15

各コードは最大1つの0ビットで開始および終了するため、コードが連結された場合でも、エンコードされたデータに連続して2つを超える0ビットが含まれることはない。このエンコードでは、最大8つの1ビットを連続して使用できる。したがって、コモドールは10個以上の1ビットが連続するシーケンスを同期マークとして使用した。

このより効率的なGCRスキームでは、クロックレートを段階的に増加させることによる一定のビット密度記録でのアプローチ（ゾーン一定角速度（英語版）、ZCAV）と、内側のトラックよりも外側のトラックに多くの物理セクタを保存する（ゾーンビットレコーディング（英語版）、ZBR）を組み合わせることにより、コモドールは標準の片面単密度5.25インチ フロッピーに170KBを収めることができた(Appleは140KB（6-and-2エンコードの場合）または114KB（5-and-3エンコードの場合）もしくは(標準)FMエンコードフロッピーの容量は88KBのみであった)。

シリウス/ヴィクター

同様に、1981~82年にチャック・ペドルによって設計されたVictor 9000 (別名 Sirius 1) の 5.25インチ フロッピードライブは、10ビットGCRと、9つのゾーンに分割された外側のトラックのドライブの回転速度を徐々に下げることによる一定のビット密度記録 (w:ゾーン等線速度 (ZCLV) の一種)維持と同時にトラックあたりのセクタ数を増加させて (ゾーンビットレコーディング (ZBR) の一種)の組み合わせを使い、96tpiメディアで606kB (片面) / 1188kB (両面) のフォーマット済み容量を達成した[32][33][34][35]。

ブラザー

1985年頃から、ブラザーは3.5インチ38トラック[nb 2]ディスケットドライブを内蔵した専用ワードプロセッサ タイプライターシリーズを発売した。WPおよびLWシリーズ（ドイツ語版）の初期モデルは、12個の256バイト セクタを備えたブラザー独自の群符号化記録スキームを使用して、片面(倍密度)で最大120KB[nb 3]、両面倍密度 (DD) ディスケットで最大240KB[nb 3]を保存した[16][36][37][38]。伝えられるところによると、プロトタイプはすでにベルリン国際コンシューマ・エレクトロニクス展1979 (IFA) で披露されていた。

シャープ

1986年シャープはGCR (4/5) 記録を備えた片面あたり62464バイト(公称64kB×2、16トラック、8セクタ/トラック、512バイト/セクタ、48tpi、250kbit/s、270rpm)のフォーマット済み容量を持つポケットコンピュータシリーズ用に回転可能な2.5インチポケットディスクドライブソリューション(ドライブ: CE-1600F（英語版）、CE-140F; 内部的にはFDU-250シャーシに基づく。メディア: CE-1650F（英語版）)を発表した[39][40]。

その他の用途

GCRは、バーコード・エンコード方式 (パッキング効率、タイミング許容値、タイミング情報のストレージ・バイト量、およびDC出力レベル) での使用の可能性についても評価された[41]。

関連項目

ノート

  1. ^ The product flyer for the Durango 800 series documents a formatted "on-line capacity" of 1.892 MB for the diskette drives. The system, however, was equipped with two 5¼-inch Micropolis 100 tpi 77-track floppy drives by default, and 1.892 MB is about twice as large as the physical drive capacity documented in various other sources (480 KB per side), therefore, by "on-line capacity" they must have meant the available storage capacity available to users for the combination of two drives.
  2. ^ The sources give slightly contradicting parameters regarding the Brother diskette formats. 12 sectors á 256 bytes would give 120 KB per side on a 40-track drive, but one source claims the drives were 38-track only.
  3. ^ a b The following Brother models are known to support a 120 KB diskette format (incomplete list): WP-1 (1985/1987), WP-5 (1987/1989), WP-6 (1989), WP-55 (1987/1989), WP-500 (1987/1989). The following models are known to support a 240 KB format (incomplete list): WP-70, WP-75 (1989), WP-80 (1985/1989), WP-3400, WP-3410, WP-3550, WP-3650D, WP-760D, WP-760D+, LW-1 (1989), LW-20, LW-30, LW-100, LW-400.

リファレンス

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  26. ^ a b c d e f g h i j k Beneath Apple DOS (4th printing ed.). Reseda, CA, USA: Quality Software. (May 1982). https://archive.org/stream/Beneath_Apple_DOS_OCR#page/n24/mode/1up 2017年3月21日閲覧。  [3] [4] [5] Archived 9 March 2016 at the Wayback Machine.
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  28. ^ a b c d e f Beneath Apple ProDOS - For Users of Apple II Plus, Apple IIe and Apple IIc Computers (2nd printing ed.). Chatsworth, CA, USA: Quality Software. (March 1985). ISBN 0-912985-05-4. LCCN 84--61383. オリジナルの2017-03-21時点におけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/20170321014045/http://www.apple-iigs.info/doc/fichiers/beneathprodos.pdf 2017年3月21日閲覧。  [6]
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  33. ^ “Supplemental Technical Reference Material”. Scotts Valley, CA, USA: Victor Publications (1983年3月23日). Template:Cite webの呼び出しエラー：引数 accessdate は必須です。 “[…] Single-sided floppy drive offers 80 tracks at 96 TPI […] Double-sided floppy drive offers 160 tracks at 96 TPI […] Floppy drives have 512 byte sectors; utilising a GCR, 10-bit recording technique. […] Although the Victor 9000 uses 5 1/4-inch minifloppies of a similar type to those used in other computers, the floppy disks themselves are not readable on other machines, nor can the Victor 9000 read a disk from another manufacturers machine. The Victor 9000 uses a unique recording method to allow the data to be packed as densely as 600 kbytes on a single-sided single-density minifloppy; this recording method involves the regulation of the speed at which the floppy rotates, explaining the fact that the noise from the drive sometimes changes frequency.”
  34. ^ “Chapter 7. Disk Drive Assembly”. Victor 9000 Technical Reference Manual. Victor Business Products, Inc.. (June 1982). pp. 7–1..7–9. 710620. オリジナルの2017-03-23時点におけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/20170323232847/https://www.mirrorservice.org/sites/www.bitsavers.org/pdf/victor/victor9000/Victor9000TechRef_Jun82.pdf 2017年3月23日閲覧. "[…] Track density is 96 tracks per inch, and recording density is maintained at approximately 8000 bits per inch on all tracks. […] The VICTOR 9000 uses an encoding technique called group code recording (GCR) to convert the data from internal representation to an acceptable form. GCR converts each (4-bit) nibble into a 5-bit code that guarantees a recording pattern that never has more than two zeros together. Then data is recorded on the disk by causing a flux reversal for each "one" bit and no flux reversal for each "zero" bit. […]" 
  35. ^ (ドイツ語) Assemblersprache und Hardware des IBM PC/XT/AT (1 ed.). Addison-Wesley Verlag (Deutschland) GmbH / Addison-Wesley Publishing Company. (1988). ISBN 3-89319-110-0. . VVA-Nr. 563-00110-4 
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  37. ^ “Brother WP-6” (2002年9月13日). 2017年11月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年6月14日閲覧。 “[…] The 3.5" 240Kb disk drive is a single head Brother part no.13194989 and is connected with a 15 pin ribbon. […] it initializes (formats) the disk to a capacity of 236.5Kb. […]”
  38. ^ “archaic floppy disc format” (2009年2月26日). 2017年6月14日閲覧。 “[…] There were several 3.5" Brother disks that are completely nonstandard. […] One had 1296 byte sectors and another had 12 x 256 byte GCR sectors […]”
  39. ^ “Model CE-1600F”. Sharp PC-1600 Service Manual. Yamatokoriyama, Japan: Sharp Corporation, Information Systems Group, Quality & Reliability Control Center. (July 1986). pp. 98–104. オリジナルの2017-05-07時点におけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/20170507223047/http://sharppocketcomputers.com/4HK7JnFJDuVm/Service/ce1600f_service_manual.pdf 2017年3月23日閲覧. "GCR is an abbreviation of Group Coded Recording. A single byte, 8 bits, data are divided into two 4-bit data which is also converted onto a 5-bit data. Thus, a single byte (8 bits) is recorded on the media as a 10-bit data." 
  40. ^ Sharp Service Manual Model CE-140F Pocket Disk Drive. Sharp Corporation. 00ZCE140F/SME. オリジナルの2017-03-11時点におけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/20170311145818/http://pockemul.free.fr/Documents/ce-140f_Service_manual.pdf 2017年3月11日閲覧。 
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参考文献

外部リンク
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