En realidad lo que sale de la disketera son unos y ceros, aunque la señal supongo que sera analogica. Lo que se escribe en los diskettes es una secuencia de unos y ceros tal como se hace en una cinta, pero mas eficiente porque el material magnetico es mas fiable. En una cinta, por ejemplo en un Spectrum o MSX, se suele usar un metodo similar al de los modems, donde se envia un tono de una frecuencia para los unos y otro para los ceros, esto en la practica se traduce a que por ejemplo se graben 3 pulsos para un 0 y 6 pulsos para un 1, por elegir numeros arbitrarios. Lo que hace el ordenador es contar los pulsos y con eso darse cuenta de si es un 0 o un 1, esto en un diskette desperdiciaria mucho espacio, ya que por ejemplo estariamos usando 12 bits como minimo para representar 1 bit de datos. De donde sale esto? De que tenemos 3 pulsos para un 0, que se almacenaria como 101010, o 6 pulsos para un 1, que seria 101010101010, pero como los dos tienen que ocupar el mismo tiempo, el 0 tendria bits del doble de largo, quedaria entonces 110011001100 para el 0, y 101010101010 para el 1. En un diskette no podemos desperdiciar tanto espacio, entonces usamos otros sistemas de modulacion, como MFM o GCR, que no son mas que otras formas de codificar en "bits magneticos" los bits de datos de cada sector.
Hay un problema importante con el magnetismo, y es que solo podemos ver cambios de estado, es decir la variacion entre 1 y 0, esto nos limita la cantidad de ceros o unos que se pueden poner de forma continua, porque si se deja el magnetismo siempre en 1 o en 0, ya no se detecta, por lo que necesita ir continuamente variando. Esos sistemas como MFM tienen reglas sobre como representar una sucesion de unos y ceros de forma tal que el magnetismo siempre este variando. Pero algunos sistemas de proteccion o sistemas propios, como suele pasar en C64 o Amiga, donde se inventan formatos especiales (mas en Amiga que en C64), pueden no respetar esas reglas.
Cuando uno lee un D64 a partir de un diskette, esta asumiendo que los datos de los sectores estan grabados siguiendo las reglas del formato estandar, es decir que cada bit de datos equivale siempre a los mismos bits magneticos en el disco, entonces la decodificacion de esos bits magneticos para traducirlos a los bits de datos ocurre dentro de la disketera (1541 o la que sea), y si el diskette tiene proteccion, el bit de datos puede no leerse bien, porque la proteccion provoca el error a proposito.
Ya que las protecciones estan hechas para provocar errores que el propio programa protegido corrige, pero que fallan al leerse con un copiador, lo ideal es almacenar el contenido completo de los bits magneticos, que es lo que lee la Catweasel o la Kryoflux, luego de la lectura en bruto de esos bits, se convierte a D64, o a G64, segun cuanta informacion de los bits magneticos se quiere conservar (el D64 los elimina completamente, ya que solo almacena los bits de datos finales).
Para verlo de una manera mas grafica, es como si tuvieramos una cinta de juego de C64, conociendo el formato podriamos capturarlo en la calidad minima para que en cada muestra tengamos mas o menos un 1 o un 0 del audio, pero ya que el grabador, la tarjeta de sonido, los cables o la edad de la cinta pueden meter distorsion, siempre es mejor capturar en calidad CD, aunque sepamos que una cinta no llega a esa calidad. Y hacemos esto porque teniendo la maxima calidad, luego es mas facil distinguir los errores o aplicar filtros de audio, para convertir a un formato de archivo de cinta. Los sistemas de proteccion pueden verse como formatos no estandar, por lo tanto un conversor estandar a T64 (o el formato que use) puede fallar si la proteccion no respeta las reglas estandar para representar los unos y ceros de datos mediante unos y ceros magneticos. Al capturar la cinta en maxima calidad en wav, siempre y cuando el audio y la cinta sean buenos, solo hace falta desarrollar el soft adecuado para interpretar los unos y ceros magneticos (que en el wav se ven como voltajes o niveles de volumen) que entienda las reglas usadas por esa proteccion para convertir los bits magneticos a bits de datos finales. Eso es mas o menos lo que se hace con las Catweasel/Kryoflux, pero con el "audio" grabado en los diskettes.

En realidad al girar tambien el diskette estaria dando la señal correctamente, pero aun asi la Catweasel (y supongo que lo mismo aplica al Kryoflux) no usa la señal de sincronismo, solo la requiere la placa de la disketera para dejar salir los datos, y solo le interesa saber que gira, no en que posicion exacta esta.
Yo tengo la Catweasel Z2 en un Amiga 4000, esa version Zorro II es muy buena porque trae ademas una controladora Buddha IDE para 6 dispositivos IDE y con soporte para discos mayores de 4GB.

Tengo entendido que por ahi sale tambien el sonido del segundo SID, si uno elige activarlo, para los programas que usen doble SID.

No sirve la emulacion de Drean del VICE?

No estas pensando en la cuarta dimension, Marty.   
Acordate que cuando se hicieron estas maquinas, no existia ese tipo de chips programables, tampoco existian cuando se hicieron los primeros procesadores con valvulas, ademas los primeros ordenadores fueron mecanicos y luego electromecanicos, paso un tiempo hasta que fueron completamente electronicos.
Una instruccion de codigo maquina podria ser similar a una cajita de musica, con cada ciclo de reloj se avanza un paso y segun el programa, que no es mas que una o mas señales que se activan (en el ejemplo serian notas que se activan en ese paso), se disparan distintos circuitos que hacen funciones minimas, como transferir el contenido de un registro a otro registro, sumar dos registros, incrementar en 1, etc.
Mirandolo de una forma muy simplificada, se podria decir que cada instruccion es casi un circuito distinto, y hay un secuenciador que se encarga de leer el programa en codigo maquina desde la memoria, incrementar el contado de programa, decodificar la instruccion, ejecutarla, y volver a empezar leyendo otra instruccion. La toma de decisiones parece magica pero es muy simple, se ejecuta alguna funcion que da un resultado, y segun ese resultado se continua en la siguiente instruccion, o se carga el contador de programa con la direccion suministrada, o se suma o resta un valor al contador de programa, segun el tipo de salto. Pero no hay mucha inteligencia en eso, no es mas que una secuencia de pasos que se pueden implementar con compuertas, flip flops, y buses que conectan todo.
Yendo un poco mas al detalle, no hay un circuito para cada instruccion, sino que hay varios circuitos que se pueden ver como recursos, sumadores/restadores, buses para transferir entre registros y entre registros y memoria, operaciones logicas (xor, or, and). Una instruccion usa algunos de estos circuitos, el microcodigo de esta instruccion (que es como el programa de la cajita de musica) le dice en que orden tiene que hacer las cosas, por ejemplo para sumar 1 al acumulador, tendria primero que colocar el contenido del acumulador en el primer operando del sumador, eso implica activar la transferencia de un registro a otro, luego colocar un 1 en el segundo operando, luego activar el sumador, despues transferir el resultado del sumador a donde corresponda, en este caso volveria al acumulador, pero segun la instruccion podria ir a memoria o a donde sea que lo especifique la instruccion. Los modos de direccionamiento de las instrucciones suelen usar el mismo circuito pero variando que buses se activan (si se lee el operando desde memoria, desde A, desde memoria indexada por X, etc.), el microcodigo de la instruccion sera parecido pero variara algun paso interno para activar distintos circuitos o buses, tambien cada variacion de la instruccion puede tardar una cantidad distinta de ciclos de reloj porque el programa de la instruccion es distinto.
En este video se puede ver que la suma de dos parametros es algo casi instantaneo, es un circuito con compuertas hecho a medida para eso, hay varios circuitos para distintos usos dentro del procesador, y la instruccion es la que define cuales se activan y en que orden. Es el primer ejemplo que encontre en youtube donde se ve el funcionamiento directo y no se ponen a hacer largas explicaciones teoricas, no se ve muy bien pero la idea se entiende:

https://www.youtube.com/watch?v=podqWovdE2M

Esta comparacion es un tanto improvisada, pero se puede entender graficamente, un programa en codigo maquina podria verse como una de estas maquinas:

https://www.youtube.com/watch?v=8qLFF9072Oc

Cada etapa de esas maquinas podria ser una instruccion, el programa vendria a ser donde colocar cada etapa, es decir enlazar la salida de una con la entrada de otra, en las que se ven ahi no se toman decisiones, pero podria ocurrir que segun el peso, tamaño, velocidad o algun otro parametro de la bola o el objeto que se use, se decida que vaya por un camino u otro. Pero lo importante es que cada etapa o camino no sabe hacer mas que una determinada secuencia, en una instruccion de codigo maquina lo hace al ritmo del reloj principal, con cada ciclo hace un paso, en el caso de estas maquinas, el reloj seria la gravedad.
Lo explico asi "a lo bestia" porque en realidad hay que leer mucho para llegar a entenderlo bien, es dificil resumirlo de forma que no parezca magia, espero que eso de una idea aproximada de como es que funciona adentro un procesador. En el caso de un chip de video es similar, se usan contadores para saber en que linea y pixel se encuentra el haz, se compara con valores predefinidos, y segun eso se envia a la pantalla lo que se lee de la memoria de video, una señal de sincronismo, o imagen en blanco.

Por que un sprite solo se puede hacer programando, y no la imagen de fondo? Es lo mismo.
Suponiendo que solo se puede hacer con un programa, ese programa tiene que correr en un procesador, y el procesador no es mas que un conjunto de circuitos logicos. Lo que vendria a equivaler a decisiones se hacen con mascaras y compuertas, y cualquier cosa que requiera una secuencia, se hace con flip flops y señales de reloj, pero todo eso tambien se puede implementar con compuertas.

El VIC-20 fue el primer ordenador luego de los PET, el que tenia el VIC I, luego el C64 que incorpora el VIC II, despues en un intento por competir con los Spectrum se hace la linea barata de los que se conocen mas el C16 y el Plus/4, que queda a medio terminar cuando Tramiel deja Commodore. La gente de Commodore no entiende bien en que mercado vender esos ordenadores que Tramiel dejo, que originalmente pretendian ser ordenadores baratos y terminaron sobredimensionandose, y entonces para compensar ese fracaso surge la necesidad de hacer un sucesor del C64 lo mas rapidamente posible, con caracteristicas mejoradas pero tambien compatibilidad con el C64, y ahi es donde aparece el C128.