I floppy disk

Le origini ed il “memory disk”

La storia del floppy disk inizia nel 1967 quando l’IBM studia un nuovo supporto per dati che deve essere utilizzato su dispositivi per i mainframe System/370 per caricare il microcodice. Il nuovo supporto deve essere affidabile, veloce (almeno in confronto al nastro magnetico utilizzato precedentemente a tale scopo) ed anche economico, in modo di ridurre i costi per gli aggiornamenti ai clienti. Altri obiettivi del progetto sono la facilità di spedizione, la possibilità di sostituire il supporto in 15 secondi senza l’uso di attrezzi, e una capacità di almeno 65 kB. Il responsabile dei prodotti di memorizzazione, Alan Shugart, assegna la progettazione a David L. Noble, oggi accreditato dell’invenzione del floppy disk.

Dopo diversi esperimenti con cassette a nastro audio, dischi rigidi ed altri supporti magnetici, si arriva alla decisione di utilizzare un disco flessibile.

I primi prototipi consistono di un disco senza contenitore che viene appoggiato su un supporto rotante, proprio come in un giradischi. L’involucro verrà introdotto successivamente per consentire una manipolazione ed un trasporto più sicuri e risolvere i problemi legati alla polvere. Un rivestimento in tessuto nella parte interna dell’involucro evita l’abrasione e tiene pulito il supporto.

Il disco realizzato da Noble ha un diametro di circa 8” ed una capacità formattata di 81.664 byte. Utilizza 32 tracce e per l’identificazione dei settori usa 8 fori posti nella parte esterna del disco. La registrazione dei dati avviene con la tecnica della modulazione di frequenza (FM), già utilizzata da IBM sugli hard disk; la velocità di rotazione è di 90 rpm.

earlyfloppy_patent
Immagine del floppy dal brevetto IBM del 1969.
Si notino la posizione dei fori indice (19).

Anche se il disco era scritto su un solo lato entrambe le superfici erano rivestite di materiale magnetico per ottenere uniformità di scorrimento.
IBM inizia la commercializzazione del drive per floppy disk da 8” nel 1971, conosciuto con il nome in codice “Minnow” ed il nome commerciale 23FD.

23fd_patent
Immagine del drive 23FD dal brevetto IBM del 1972.

Il drive era incorporato nei sistemi di controllo disco 3830 e 2835 utilizzati sui System/370 e sul modello 145 del System/370. La funzione svolta era, come da progetto iniziale, il caricamento del microcodice. I dischi, denominati “memory disk”, erano scritti da IBM ed il drive 23FD era una unità di sola lettura.

I primi veri “floppy”

Sarà la Memorex, dove nel frattempo era andato a lavorare Alan Shugart, a presentare il primo drive con capacità di scrittura, il modello 650, nel 1972. Aveva una capacità di 175 kB ed utilizzava (come il 23FD) la tecnica “hard sectoring” per identificare l’inizio dei settori.

memorex_floppy
Immagine del floppy dal manuale del Memorex 650.
Presenta, come l’IBM 23FD, 8 fori indice sull’esterno.

Non sempre essere i primi ad arrivare sul mercato con un nuovo prodotto paga, il disco della Memorex ne è un esempio. Il successivo disco di IBM divenne uno standard di mercato, e il prodotto proprietario Memorex ebbe una vita breve.

Nel 1973 IBM inserisce il suo primo drive con capacità di scrittura nei dispositivi di data-entry della serie 3740. Il nuovo drive è il modello 33FD (nome in codice“Igar”).

ibm3741
Foto terminale IBM 3741 da depliant dell’epoca,
i floppy sono posizionati verticalmente davanti alla tastiera

Sia il formato fisico che il modo in cui sono scritti i dati sono diversi dal modello 23FD. Gli 8 fori di indice vengono sostituiti da un unico foro ed il riconoscimento dei settori viene affidato ad una nuova tecnica, chiamata “soft-sectoring”, che identifica i settori con dei marcatori scritti sul disco. Anche il senso di rotazione è diverso. La velocità di rotazione è quadruplicata, si passa da 90 a 360 rpm. Il numero delle tracce è aumentato a 77, grazie all’aumento della loro densità (da 32 a 48 tpi) e all’aumento dell’area di scrittura derivante dall’eliminazione dell’hard sectoring e il posizionamento del foro di indice per il “soft sectoring” nella parte interna del disco.

IBM forniva i dischi già formattati, anche perché molti dispositivi che li utilizzavano non erano in grado di inizializzarli. Il formato originale utilizza per la memorizzazione dei dati solo 73 tracce, divise in 26 settori, ognuno dei quali memorizza 128 byte, per una capacità totale formattata di 242.944 byte. Successivamente IBM introdusse nuovi formati di registrazione a 256 e 512 byte/settore che permisero di raggiungere capacità formattate rispettivamente di 284.160 e 303.104 byte.
I costruttori di drive indicheranno per questo tipo di supporto, che verrà comunemente denominato SSSD (Single Side - Single Density), una capacità non formattata di 400 kB.

Sono innumerevoli le nuove tecniche sviluppate appositamente per questo drive. Il modo in cui avviene la movimentazione delle testine, il sistema di decodifica dei dati memorizzati, la tecnologia costruttiva delle testine, i sistemi di finitura delle superfici dei dischi, sono solo alcuni esempi.

Con il successo del 3740 il floppy si afferma come principale supporto per la memorizzazione e lo scambio di dati, andando a sostituire le schede perforate, in uso fin dal 1890. I vantaggi rispetto alle schede sono infatti innumerevoli: la quantità di dati memorizzati , la velocità di accesso, la possibilità di modificare i dati memorizzati e di riutilizzare il supporto quando i dati contenuti non sono più necessari. Bisogna inoltre ricordare la facilità di spedizione e stoccaggio, un singolo floppy consentiva di memorizzare il contenuto di circa 3000 schede perforate.

IBM denominò il nuovo supporto “diskette”, diminutivo del termine “disk” che ricorda quello delle cartucce a nastro “cassette”. Fu la stampa (e non IBM) a denominare il nuovo disco “floppy”, che significa “floscio”. La caratteristica innovativa e distintiva del nuovo supporto era infatti la sua flessibilità, tutti i dischi precedenti (removibili o fissi) erano dotati di un supporto rigido. Analogamente qualche anno più tardi i dischi fissi furono denominati “hard disk”, ovvero “rigidi”.

In pochi anni negli Stati Uniti nacquero numerosi produttori di floppy drive, tra i quali la Shugart Associates. L’azienda nacque nel 1973 dall’iniziativa di Alan Shugart e altri 10 soci, che avevano lavorato con lui all’IBM o alla Memorex, tra i quali Finis Connor e Donald Massaro.
Nel Maggio 1973 Shugart presenta il suo drive da 8 pollici, l’SA 900. I suoi punti di forza sono il prezzo e la compatibilità con il formato dell’IBM 33FD, anche chiamato 3740 o System 32, dal nome dei prodotti IBM dove il drive era utilizzato.
Shugart diventò velocemente il principale produttore di drive da 8”, la sua tecnica di interfacciamento dei drive si impose come uno standard di fatto. Negli anni seguenti realizzò altri modelli, compresi i drive che supportavano il formato hard sectoring, dove il disco era dotato di 32 fori indice per l’identificazione dei settori (oltre al foro per l’identificazione dell’inizio della traccia).

Il disco a doppia faccia

IBM continuò a sviluppare il prodotto, e nel 1976 introdusse una versione capace di memorizzare i dati su entrambe le facce del disco, il drive 43FD (“Crystal”). Il nuovo formato DSSD (Double Sided Single Density) raddoppiava così la capacità portandola a 800 kB (non formattata).
Il drive fu utilizzato sulla linea di sistemi bancari IBM 3600 e nel drive 4964 per i computer Series/1.

Per riconoscere il disco a doppia faccia il foro di indice viene spostato leggermente, i due differenti dischi da 8” vengono denominati, da IBM, Type 1 (singola faccia) e Type 2 (doppia faccia).

floppy8_1s_2s
Il disco a singola faccia (a sinistra) e quello a doppia faccia (a destra)

IBM prevede per questo disco due versioni con formattazione a 128 e 256 byte/settore con capacità formattata rispettivamente di 492.544 e 568.32 byte.
Il sistema adottato da IBM per i drive a doppia faccia aveva richiesto delle tecniche di fabbricazione particolari per assicurare che le testine fossero tra loro simmetriche,agissero sul supporto con una forza uniforme e non provocassero eccessiva usura del disco. Le tecniche adottate erano state protette con i brevetti USA 4.263.630 e 4.202.020.
Alla prova dei fatti però la soluzione si dimostrò poco efficace ed i floppy tendevano ad essere rovinati dalla testina nel momento in cui questa si appoggiava sul supporto, operazione che nel drive da 8" avveniva ad ogni accesso del disco.
Il sistema utilizzato prevedeva due testine con superficie di appoggio sferica montate entrambe su supporti mobili. Le testine potevano muoversi, inclinarsi e ruotare per inseguire le possibili deformazioni del supporto e mantenere un corretto contatto.

La soluzione al problema fu trovata da Tandon che sviluppò un sistema con una testina inferiore fissa ed una superiore mobile. La testina fissa aveva una superficie piana che, penetrando nel piano del disco, faceva in modo che il supporto si avvolgesse leggermente su di essa, determinando un piano di riferimento certo per il supporto magnetico.

tandon_heads
Il sistema di testine Tandon - Disegno dal loro brevetto presentato il 13 Giugno 1977

Questa architettura permetteva di compensare le possibili imperfezioni del disco forzando questo ad adattarsi alle testine, al contrario di quanto accadeva nel drive IBM. Oltre a diminuire l’usura del supporto il sistema migliorava i tempi di adattamento della testina sul disco, riducendo i tempi di accesso.
Si trattava inoltre della soluzione più semplice ed economica da implementare sugli esistenti drive a singola faccia, in quanto era sufficiente sostituire con una testina il feltro di appoggio già presente.

Questa soluzione era già stata provata da IBM durante lo sviluppo del drive 43FD, ma poi abbandonata in favore di un sistema con entrambe le testine mobili.
Tandon aveva sperimentato questa tecnica durante la collaborazione con Calcomp per lo sviluppo del loro drive a doppia faccia da 8". All'epoca Tandon non costruiva drive, ma era il principale costruttore di testine. Calcomp presentò il suo drive a Giugno 1977 alla fiera NCC di Dallas. Lo stesso giorno dell'apertura della fiera Tandon presentò domanda di brevetto per questa soluzione (brevetto USA 4.151.573).

Shugart aveva presentato il suo drive a doppia faccia, il modello SA850, nell’Aprile 1977. Aveva come altri costruttori seguito l’approccio di IBM, fiduciosa nell’esperienza del colosso dell’informatica, ma aveva riscontrato gli stessi problemi di usura.

shugart_850
Il drive Shugart SA850 – Foto Luigi Serrantoni

Shugart spese 4-5 milioni di dollari analizzando 10 diverse soluzioni, senza però riuscire mai a risolvere completamente il problema. Nel 1980, dopo anni di infruttuose ricerche, Shugart adottò la soluzione Tandon, dopo averne ottenuto una licenza.
Tandon, che aveva ottenuto il brevetto per il sistema di testine asimmetrico nel 1979, vendette licenze di utilizzo a numerosi concorrenti, inclusa IBM.

Il disco a doppia densità

Nel 1977 IBM produce il modello 53FD caratterizzato dal nuovo formato a doppia densità (DSDD= Double Sided - Double Density). Grazie a testine migliorate ed alla tecnica di registrazione MFM il numero dei byte memorizzati sul floppy raddoppia nuovamente, raggiungendo 1,6 MB non formattati. Il raddoppio della densità di scrittura porta anche al raddoppio della velocità di trasferimento, che si attesta a 500 kbps.
IBM fornisce questo disco con formattazione da 256, 512 e 1024 byte/settore con capacità formattata fino a 1.212.413 byte.

La codifica MFM (Modified Frequency Modulation) consente di aumentare i bit memorizzati tramite l’eliminazione di informazioni di sincronizzazione e senza aumentare la reale densità di utilizzo del supporto magnetico. Non è quindi richiesto un supporto diverso e la sua affidabilità è teoricamente equivalente alla codifica FM.
L’efficacia della codifica MFM era già stata verificata da IBM nel 1969 durante lo sviluppo del 23FD, ma problemi di affidabilità non ne avevano consentito l’utilizzo. Nel 1977 IBM ha sviluppato le tecniche dei circuiti integrati analogici che permettono di implementare la complessa elettronica necessaria per una affidabile decodifica del segnale.

Per motivi di compatibilità le caratteristiche meccaniche del floppy non vengono cambiate, ma si rende necessario adottare delle specifiche più stringenti sulla qualità magnetica dei supporti. I nuovi circuiti di decodifica sono infatti più suscettibili ai disturbi che possono essere provocati dai difetti del supporto.
Il nuovo formato di disco viene denominato Type 2D. I concorrenti per indicare la compatibilità con questo formato faranno riferimento al System 34, la linea di computer IBM dove era utilizzato il drive.
Questo drive fu anche utilizzato sui alcuni dei primi personal IBM, il 5110 del 1978 e il 5120 del 1980.

Per completezza di informazione bisogna ricordare che Shugart aveva presentato il suo drive compatibile con la doppia densità, modello SA800, già nell’Aprile 1975. Si trattava però di un drive a singola faccia, simile all’IBM 33FD, che utilizzava l’unica tipologia di disco esistente, ovvero il Type 1. La codifica di registrazione, che era comunque definita dal controller del computer su cui il drive era connesso, poteva essere MFM oppure M2FM.
Il modello Shugart compatibile con l’IBM 53FD sarà l’SA850, dell’Aprile 1977.

Il sistema di protezione dalla scrittura

Il disco ed i drive dell’IBM non prevedevano nessun sistema per poter proteggere il disco dalla scrittura. I costruttori di drive proposero una loro soluzione a questo problema adottando però soluzioni tra loro incompatibili.
Già sul modello SA901 del 1973 (la versione “hard sectored” dell’SA900) Shugart inserì un sistema che prevedeva un foro sul lato inferiore della custodia del floppy. La presenza del foro inibiva il drive alla scrittura del disco.

SA100-SA101_disks
I floppy Shugart SA100 (soft sectored, compatibile con l’IBM, senza protezione dalla scrittura)
e SA101 (hard secored, dotato di foro per la protezione dalla scrittura).
Disegno da documentazione tecnica Shugart.

Lo stesso sistema fu proposto nel 1975 con i drive SA800 (soft sectored) e SA801 (hard sectored), che utilizzavano come i precedenti i floppy SA100 ed SA101. Sul manuale era indicato come realizzare il foro sui floppy SA100 che ne erano sprovvisti.

Il drive Calcomp 140 prevedeva invece un foro per la protezione dalla scrittura posto nell’angolo superiore destro.

floppy_calcomp_140
Il floppy per il drive calcomp 140.
Disegno da documentazione tecnica Calcomp.

Il sistema di protezione dalla scrittura fu standardizzato dall’ISO ed i costruttori cominciarono a pubblicizzare i loro drive con la caratteristica “ISO standard write protect”.
Non so esattamente cosa prevedesse questo standard, ma presumo indicasse un taglio sul bordo inferiore del disco in una posizione compatibile con il sistema Shugart. Molti costruttori, infatti, realizzarono floppy con questo tipo di tacca di protezione.

Shugart stessa modificò i propri dischi sostituendo il foro con un taglio. I floppy SA150/151, previsti per i nuovi drive a doppia faccia SA850/851, dispongono della tacca di protezione.
Per poter effettuare la scrittura era necessario ricoprire la tacca con un adesivo. Shugart forniva sul manuale dei drive indicazioni su come realizzarla sui floppy di altri costruttori che ne fossero sprovvisti.

shugart_wp
Istruzioni sulla tacca di write protect dal manuale del drive Shugart SA850/851

Versioni particolari di drive e floppy

Uno dei primi minicomputer ad utilizzare i floppy fu l’Olivetti P6060, che probabilmente fu anche il primo desktop ad integrarli all’interno del computer. Il particolare drive doppio era costruito internamente da Olivetti che per minimizzare i costi aveva realizzato un sistema che unificava la rotazione del disco, lo spostamento delle testine e l’elettronica di controllo. La contropartita era la possibilità di accedere ad un solo disco per volta. Questo tipo di soluzione fu brevettata da Olivetti già nel 1973.

brevetto_floppy_p6060
Disegno dalla versione USA del brevetto Olivetti

Nel 1974 Shugart presentò il suo drive doppio SA902, che aveva però le due testine indipendenti.

Un altro drive doppio è il Burroughs MD 122 del 1980. Prodotto dalla divisione OEM tedesca, fu anche utilizzato nel loro computer B90.
Ognuno dei due floppy poteva contenere ben 3MB, grazie a testine e supporti speciali ed un’elettronica di controllo a microprocessore che permetteva un preciso posizionamento della testina. La densità delle tracce era di 150 tpi (contro i 48 tpi dei normali floppy) e richiedeva una periodica ricalibrazione del drive per compensare le dilatazioni termiche del supporto.

floppy_burroughs
Un disco del Burroughs B90. Foto Licenza Creative Commons Attribuzione 2.0 pixelbart

Dalla foto si può notare che la protezione è effettuata sul lato inferiore ma in posizione diversa dal disco Shugart.

Note conclusive

L’impatto del nuovo supporto nel mondo dell’informatica fu impressionante. Oltre a sostituire le schede perforate e i nastri magnetici nelle applicazioni di archiviazione e scambio dati, il floppy divenne anche un valido ed economico dispositivo di memorizzazione principale per i nascenti mini e personal computer. I primi computer CP/M saranno dotati di drive per floppy da 8 pollici.
Dai primi anni 80 i nuovi computer smettono di utilizzare questo formato a favore dei più pratici ed economici “mini-floppy” da 5”1/4, che in pochi anni hanno eguagliato le prestazioni del fratello maggiore.
La necessità di scambiare dati con i longevi sistemi IBM farà in modo che il supporto venga utilizzato ancora per molti anni. I floppy da 8” sono rimasti in produzione fino alla fine degli anni 90.

Bibliografia

  • The IBM diskette. General information manual”, IBM, 1979
  • "The IBM diskette and diskette drive”, James T. Engh, IBM Journal of Resource Development, Vol. 25 n. 5, September 1981
  • IBM's 360 and early 370 systems”, Emerson W. Pugh, Lyle R. Johnson, John H. Palmer, MIT 1991
  • A history of the personal computer: the people and the technology”, Roy A. Allan, Allan Pubblishing, 2001
  • Magnetic recording: - The first 100 years”, Eric D. Daniel, C. Denis Mee, Mark H. Clark, IEEE Press 1999
  • Super-flexibility for knowledge enterprises‎”, Homa Bahrami, Stuart Evans, Springer 2005
  • The Evolution of Magnetic Storage”, L. D. Stevens, IBM J. Res, Develop. 25, 1981
  • Magnetic storage handbook”, C. Denis Mee, Eric D. Daniel, McGraw Hill, 1996
  • "Certain Double Sided Floppy Disk Drives and Components Thereof", United States International Trade Commission, 1986
  • United States Patent 3,668,658, “Magnetic record disk cover”, IBM, 1969
  • United States Patent 3,678,481, “Data storage apparatus employing a single magnetic disk”, IBM, 1972
  • United States Patent 4,151,573, “Magnetic recording device for double sided media”, Tandon, 1979
  • Oral History Panel on 5.25 and 3.5 inch Floppy Drives”, Reference number: X3055.2005, Computer History Museum 2006
  • Oral History Panel on 8 inch Floppy Disk Drives”, Reference number: X3174.2005, Computer History Museum 2006