当我们谈论计算机启动介质时，固态硬盘、网络引导、USB 启动盘这些词汇早已深入人心。但在 2020 年，一位名叫 Jozef Bogin 的工程师完成了一个令人惊叹的实验：他让一台 1981 年产的 IBM PC 5150 从一张 10 英寸的黑胶唱片启动，整个启动过程需要整整六分十秒钟。这个看似荒诞的项目背后，实际上蕴含着对计算机启动流程、模拟信号处理与物理存储极限的深刻理解。本文将从硬件接口、编码协议、信号处理三个维度，剖析这一非常规引导系统的工程实现细节。
IBM PC 卡带接口与 BIOS 扩展 ROM 机制
IBM PC 5150 在设计之初便保留了一个几乎从未被真正使用过的功能 —— 卡带（cassette）接口。这个接口位于主板背后，由一个双芯圆形插孔构成，本意是让用户通过普通的盒式磁带机来保存和加载程序数据。在那个软盘驱动器价格高昂的年代，这是一种成本低廉但速度极慢的数据存储方案。卡带接口的硬件实现极为简洁：输出端使用 8253 可编程定时器（Timer Channel 2）生成方波信号，输入端则通过 8255A 可编程外围接口芯片的 Port C 第 4 位（PC4，I/O 端口 62h 的 bit 4）读取外部模拟信号的电平状态。
真正让黑胶唱片启动成为可能的，是 IBM PC 提供的 BIOS 扩展 ROM 插槽机制。IBM 5150 在主 BIOS 芯片旁边预留了一个 64KB 的扩展插座，允许第三方厂商添加额外的固件功能。Bogin 将一个 2364 EPROM（可使用 2764 配合转接器）插入该插座，其中烧录了定制的引导程序。这段 ROM 代码并不修改原有的 BIOS 固件，而是在系统完成 POST 自检后接管引导流程 —— 当软盘驱动器（A:）和硬盘（C:）均无法找到有效引导扇区时，扩展 ROM 中的代码才会被激活，从而尝试从卡带接口读取数据。这种设计保证了向后兼容性，同时也让黑胶唱片启动成为一种「最后的救命稻草」而非首选方案。
Kansas City Standard：FSK 编码与位定时
将二进制数据转换为模拟音频信号进行存储和传输，是上世纪七十年代末八十年代初流行的一种技术方案。这种技术被称为音频频移键控（AFSK，Audio Frequency Shift Keying），即使用两种不同的音频频率分别表示二进制的「0」和「1」。在众多 AFSK 标准中，Kansas City Standard（KCS）是最具代表性的一个，它被广泛应用于早期的个人计算机和业余无线电数据传输。KCS 采用 300 波特的基础传输速率，在这个标准中，逻辑「1」由一个持续 1 毫秒的 1000 Hz 正弦波表示，逻辑「0」则由一个持续 0.5 毫秒的 2000 Hz 正弦波表示。
从频域角度分析，1000 Hz 和 2000 Hz 两个频率均在人类听觉范围内，但每个脉冲的持续时间极短（约等于 1-2 个完整波形周期），因此人耳听到的只是一片持续的「沙沙」噪声，完全无法从中辨别出任何有意义的信息。这种编码方式的优点在于实现简单 —— 只需要一个定时器生成固定频率的方波，再根据数据位切换频率即可；解码同样简单，只需要测量输入信号的高电平持续时间就能判断当前位是「0」还是「1」。IBM PC 的 BIOS 提供了完整的软件调制解调支持，通过 INT 15h 中断的特定功能号（AH=0x02 用于读取，AH=0x03 用于写入），程序员无需直接操作 8255 和 8253 芯片的寄存器，就能完成卡带数据的读写。
Kansas City Standard 的数据结构遵循一种块（block）式组织方式。每个数据块以 256 个全为 0xFF 的字节作为前导（leader），随后是一个同步位（0）和一个同步字节（0x16，即 ASCII 字符 SYN）。数据本身被组织为 256 字节的固定长度块，每个数据块后面附加一个 2 字节的 CRC 校验码，用于检测传输过程中可能发生的错误。整个 64KB 的 DOS 引导镜像被拆分为 256 个这样的数据块，加上前导和校验信息，总录音时长约为 6 分 10 秒，以 45 转 / 分钟的转速播放。这个时长虽然令人难以接受，但考虑到黑胶唱片的物理特性 —— 转速越慢意味着外圈纹路越稀疏、单圈容量越大 ——45 转已经是综合考虑容量与速度后的最优选择。
物理限制与 RIAA 均衡补偿
将数字数据刻入黑胶唱片 grooves 并非简单的音频录制过程，这里涉及到一系列复杂的声学和物理问题。首先需要解决的是刻纹精度问题。黑胶刻纹机（lathe）需要在唱片表面刻出宽度仅数微米的水平沟槽，沟槽的左右偏移对应于立体声信号的两个声道。数据信号由于其高频特性（2000 Hz 对应 0.5ms 周期，即每秒 2000 次方向切换），对刻纹机的响应速度和唱片刻录的质量提出了极高要求。任何刻纹误差或唱片刻录过程中的机械抖动，都可能导致信号失真，进而造成数据读取错误。
黑胶唱片在刻录和回放过程中必须经过一个名为 RIAA（Recording Industry Association of America）均衡的标准化处理。RIAA 曲线本质上是一种频率响应曲线：在录制时，高频信号被刻意衰减，低频信号被增强；在回放时，前置放大器执行相反的 EQ 曲线 —— 高频提升、低频衰减。这种设计的初衷是减少刻纹过程中的高频失真和降低唱片表面的噪声。问题是，RIAA 曲线是一种近似而非精确可逆的数学变换，实际的前置放大器只能「尽量」还原原始信号，而无法做到完美补偿。这意味着，当我们在唱片上刻录高频数据信号时，RIAA 均衡会在回放端引入额外的频率响应误差。
Bogin 在其实验中详细记录了所需的信号补偿参数。他使用的是一台 Harman & Kardon 6300 功放，内置 MM（动磁）唱机前置放大器。为了让卡带接口能够正确识别数据信号，他不得不将高频衰减开至 -10dB/10kHz，将低频增益提升至 +6dB/50Hz，同时将输出音量控制在约 0.7 伏峰值的水平以避免削波失真。所有相位校正和响度补偿功能必须关闭，因为这些处理都会改变信号的时序特性，对于依赖精确脉冲宽度的数据解码来说是致命的。值得注意的是，这些参数值并非放之四海皆准 —— 不同的唱机、不同的前置放大器、不同的刻纹工艺都可能需要不同的补偿方案。Bogin 强调，录音本身必须「 pristine 」，不能包含爆音（pops）或明显的裂纹（crackles），否则这些偶发的强信号脉冲会打断连续的数据流，导致解码失败。
从工程角度看，黑胶唱片作为一种数据存储介质具有惊人的耐久性和稳定性。在妥善保存的条件下，黑胶唱片可以轻松保存超过一百年而不会显著衰减 —— 这与现代 NAND 闪存 5-7 年的预期寿命形成了鲜明对比。当然，这种耐久性是以巨大的体积、低下的传输速率和复杂的读取设备为代价的。Bogin 的实验揭示了一个有趣的事实：当我们剥离所有现代技术的层层封装之后，「把数据刻到物理载体上」这一本质需求其实从未改变，只是载体形式和编码方式在不断演进。
从音频到 DOS：INT 15h 解调与 RAM 盘模拟
当唱机开始播放刻有数据的黑胶唱片时，模拟音频信号首先被送入 IBM PC 的卡带接口。8255 芯片的 PC4 引脚实时采样输入信号的瞬时电平，BIOS 的 INT 15h 例程随后接管这些采样数据，执行解调操作 —— 即根据脉冲宽度恢复原始的二进制比特流。这个过程的核心在于精确的时间测量：定时器被配置为在固定间隔触发中断，中断处理程序检查 PC4 引脚的当前状态并记录电平保持的时钟周期数。当测量到的持续时间接近 1ms（允许一定误差）时，解调程序将其判定为逻辑「1」；当持续时间接近 0.5ms 时，则判定为逻辑「0」。
解调完成的数据被顺序写入一段预先分配的 64KB RAM 区域。这段内存空间位于系统 RAM 的顶部，在引导程序开始执行前已经被从可用内存池中扣除。接下来的步骤是整个系统最巧妙的部分：引导程序安装了一个自定义的 INT 13h 中断处理器。INT 13h 是 BIOS 提供的磁盘服务中断，正常情况下用于读取软盘或硬盘扇区。现在，这个自定义处理器拦截所有对 INT 13h 的调用，检查请求的逻辑扇区号，然后从已经加载到 RAM 中的 64KB 镜像中读取相应偏移的数据返回给调用者。对于 DOS 操作系统而言，它完全不知道自己正在从一个「软盘」读取数据 —— 所有磁盘操作都被透明地重定向到了 RAM 区域。最后，引导程序将引导扇区（镜像的第一个 512 字节）复制到标准的 0000:7C00 内存地址，并执行一个远跳转（far jmp）模拟 BIOS 的 INT 19h 启动流程，从而将控制权移交给 FreeDOS 内核。
这种设计本质上创建了一个「RAM 盘」（RAM disk），但与普通 RAM 盘不同的是，这个 RAM 盘的内容来源不是内存拷贝或网络传输，而是从模拟音频信号实时解码得到的。整个过程没有使用任何现成的磁盘驱动或文件系统驱动程序，完全依赖 BIOS 提供的最底层硬件抽象接口。这解释了为什么 Bogin 必须使用经过特殊裁剪的 FreeDOS 内核 —— 标准版的 DOS 内核假设自己运行在真实的磁盘硬件上，会尝试进行磁盘初始化、读取配置参数等操作，这些操作可能与自定义的 INT 13h 处理器产生冲突。
从工程实践的角度审视，这个系统展示了极端条件下的创造性问题解决能力。每一个技术决策 —— 从选择 Kansas City Standard 而不是更高速的编码方案，到使用 INT 13h 模拟而不是直接修改 DOS 内核 —— 都是在资源受限条件下的最优权衡。6 分钟的启动时间虽然漫长，但考虑到整个系统仅用 64KB EPROM 和现有的卡带接口硬件就实现了从「无系统」到「可操作」的跨越，这个项目无疑是计算机工程史上一个令人难忘的注脚。
参考资料
- Jozef Bogin, Booting from a vinyl record (2020), https://boginjr.com/it/sw/dev/vinyl-boot/
- M. Brutman, IBM PC and PCjr Cassette Waveforms, https://brutman.com/Cassette_Waveforms/Cassette_Waveforms.html