In der Anfangszeit der Heimcomputer, zu Beginn der 1980er Jahre, waren Festplatten und sogar Disketten für den Heimgebrauch zu teuer. Der günstigste Weg, große Datenmengen zu speichern, war die Kassette. Kassetten und Kassettenrekorder waren erschwinglich und in fast jedem Haushalt verfügbar.

In diesem Blogartikel werde ich dir erklären, wie der Sinclair ZX Spectrum Programme auf Kassetten speicherte. Andere Heimcomputer jener Zeit, wie der Commodore 64 oder der Amstrad CPC, funktionierten ähnlich.

Kassetten waren dafür gedacht, Audiosignale wie Sprache oder Musik zu speichern, also mussten die Erfinder der Heimcomputer einen Weg finden, Daten in Audiosignale umzuwandeln. Der einfachste Weg ist, die Daten in einen Bitstrom aus 1en und 0en zu serialisieren und einen langen Rechteckwellenzyklus für “1” und einen kurzen Rechteckwellenzyklus für “0” zu erzeugen. Genau das macht der ZX Spectrum tatsächlich!

Ein kurzer Wellenzyklus wird erzeugt, indem der Audioausgang für 855 sogenannte T-States mit Strom versorgt wird und der Strom dann für weitere 855 T-States abgeschaltet wird. Ein “T-State” ist die Zeit eines einzelnen Taktimpulses der Z80-A CPU. Da die CPU eines klassischen ZX Spectrum mit 3,5 MHz getaktet ist, hat ein T-State eine Dauer von 286 ns. Die Dauer eines kurzen Wellenzyklus beträgt somit 489 µs, was eine Audiofrequenz von etwa 2.045 Hz ergibt. Der lange Wellenzyklus ist einfach doppelt so lang.

Aufgrund allerlei Filter im analogen Audiopfad wird das rechteckige Signal bei der Wiedergabe zu einem sinusförmigen Signal geglättet. Ein Schmitt trigger in der Hardware des ZX Spectrum wandelt das Audiosignal wieder in eine rechteckige Form um. Da das Audiosignal unterschiedliche Amplituden haben oder sogar invertiert sein kann, achtet die Hardware nur auf Signalflanken, nicht auf Pegel. Alles, was die Laderoutine jetzt noch tun muss, ist, die Dauer der Impulse zu messen, den Bitstrom zu regenerieren und die Bytes wieder zusammenzusetzen.

Wenn du denkst, dass die Dinge nicht so einfach sein können, hast du recht. 😄 Der schwierigste Teil für den Lader ist es, den Anfang des Bitstroms zu finden. Wenn er auch nur um einen Zyklus (oder sogar nur um einen Impuls) abweicht, verschieben sich alle Bytes um ein Bit und das Ergebnis ist unbrauchbar. Jegliches Rauschen auf dem Band macht es jedoch unmöglich, einfach auf den Beginn des Signals zu warten.

Aus diesem Grund beginnt die Aufnahme mit einem Vorlaufsignal (Leader), gefolgt von einem Synchronisationswellenzyklus (Sync), gefolgt vom eigentlichen Bitstrom. Das Vorlaufsignal ist lediglich eine kontinuierliche Welle mit einer Impulslänge von 2.168 T-States, was einen 806-Hz-Ton ergibt, der durch rote und cyanfarbene Ränder auf dem Fernseher angezeigt wird. Der Sync-Wellenzyklus ist ein Impuls von 667 T-States “an”, gefolgt von 735 T-States “aus”. Danach beginnt der eigentliche Datenstrom, der in blauen und gelben Randfarben angezeigt wird. Wenn das letzte Bit übertragen wurde, endet der Datenstrom einfach.

Wenn der ZX Spectrum also eine Datei von Kassette lädt, wartet er zuerst auf das 806-Hz-Vorlaufsignal. Wenn es für mindestens 317 ms erkannt wurde, wartet er auf die Sync-Impulse und beginnt dann, die Bitsequenz zu lesen, bis es beim Warten auf den nächsten Impuls zu einem Timeout kommt.

Es ist eine sehr einfache Methode, um Daten auf Kassette zu speichern. Und dennoch ist sie erstaunlich zuverlässig. Nach 30 Jahren konnte ich recover almost all files von meinen alten Kassetten wiederherstellen. Einige davon waren von den billigsten Marken, die ich 1987 in die Finger bekommen konnte.

Der einzige Nachteil ist, dass diese Methode sehr langsam ist. Mit 489 µs für eine “0” und 978 µs für eine “1” kann das Speichern von nur 48 KBytes an Daten bis zu 6 Minuten dauern, was eine durchschnittliche Bitrate von 1.363 bps (ja, Bits pro Sekunde) ergibt. Wenn wir eine einzige 3 MBytes große mp3-Datei auf diese Weise speichern würden, würde das fast 5 Stunden dauern (und 5 Kassetten mit jeweils 60 Minuten Aufnahmezeit erfordern).

Einige kommerzielle Spiele verwendeten Speedloader und Kopierschutzmechanismen. Speedloader reduzierten einfach die Anzahl der T-States für die Impulse, was die Bitrate erhöhte. Einiger Kopierschutz verwendete einen “klickenden” Vorlaufton, bei dem das Vorlaufsignal unterbrochen wurde, bevor die minimale Erkennungszeit von 317 ms erreicht war. Die originale Laderoutine konnte sich nicht auf diese Art von Signalen synchronisieren, weshalb es unmöglich war, diese Dateien in Kopierprogramme einzulesen. Diese Schutzmaßnahmen konnten zwar umgangen werden, indem man direkt von Kassette zu Kassette kopierte, aber das funktionierte aufgrund des zunehmenden Audiorauschens nur wenige Male.

Im nächsten Artikel werde ich mir den Inhalt des Bitstroms genauer ansehen, und ich werde dir auch erklären, woher der gefürchtete “R Tape loading error” kommt.