磁带存储器

计算机的辅助存储器

磁带存储器（magnetic tape storage）：以磁带为存储介质，由磁带机及其控制器组成的存储设备，是计算机的一种辅助存储器。磁带机由磁带传动机构和磁头等组成，能驱动磁带相对磁头运动，用磁头进行电磁转换，在磁带上顺序地记录或读出数据。磁带存储器是计算机外围设备之一。磁带控制器是中央处理器在磁带机上存取数据用的控制电路装置。磁带存储器以顺序方式存取数据。存储数据的磁带可脱机保存和互换读出。

简介

磁带存储器属于磁表面存储器，计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁带控制器是连接计算机与磁带机之间的接口设备，一个磁带控制器可以联接多台磁带机。它是计算机在磁带上存取数据用的控制电路设备，可控制磁带机执行写、读、进退文件等操作。

磁带机是以磁带为记录介质的数字磁性记录装置，它由磁带传送机构、伺服控制电路、读写磁头、读写电路和有关逻辑控制电路等组成。

磁带是一种柔软的带状磁性记录介质，它由带基和磁表面层两部分组成，带基多为薄膜聚酯材料，磁表面层所用材料多为γ-Fe2O3和CrO2等。磁带存储器是以顺序方式存取数据。存储数据的磁带可以脱机保存和互换读出。除此之外，它还有存储容量大、价格低廉、携带方便等特点，它是计算机的重要外围设备之一。

物理特性

磁性材料被磁化以后，工作点总是在磁滞回线上。只要外加的正向脉冲电流(即外加磁场)幅度足够大，那么在电流消失后磁感应强度B并不等于零，而是处在+Br状态(正剩磁状态)。反之，当外加负向脉冲电流时，磁感应强度B将处在-Br状态(负剩磁状态)。当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁状态，就像触发器电路有两个稳定的状态一样。如果规定用+Br状态表示代码1，-Br状态表示代码0，那么要使磁性材料记忆1，就要加正向脉冲电流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料记忆0，则要加负向脉冲电流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。?

记录方式

形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从而形成了不同的记录方式。常用记录方式可分为不归零制(NRZ)，调相制(PM)，调频制(FM)几大类。这些记录方式中代码0或1的写入电流波形。

不归零制

(NRZ)：

不归零制(NRZ0)其特点是磁头线圈中始终有电流，不是正向电流(代表1)就是反向电流(代表0)，因此不归零制记录方式的抗干扰性能较好。就翻不归零制(NRZ1)与NRZ0制的相同处：磁头线圈中始终有电流通过。不同处：记录0时电流方向不变，只有遇到1时才改变方向。

调相制

(PM)：

调相制(PM)其特点是在一个位周期的中间位置，电流由负到正为1，由正到负为0，即利用电流相位的变化进行写1和0，所以通过磁头中的电流方向一定要改变一次，这种记录方式中1和0的读出信号相位不同，抗干扰能力较强。另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具有自同步能力。磁带存储器中一般采用这种记录方式。?

调频制

(FM)：

调频制(FM)其特点如下：(1)无论记录的代码是1或0，或者连续写1或写0，在相邻两个存储元交界处电流都要改变方向；(2)记录1时电流一定要在位周期中间改变方向，写1电流的频率是写0电流频率的2倍，故称为倍频法。这种记录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。FM可用于单密度磁盘存储器。改进调频制(MFM)与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上0时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。MFM可用于双密度磁盘存储器。

读写原理

在磁带存储器中，利用一种称为磁头的装置来形成和判别磁层中的不同磁化状态。磁头实际上是由软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁

写操作

当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一定方向的磁通。由于铁芯是高导磁率材料，而铁芯空隙处为非磁性材料，故在铁芯空隙处集中很强的磁场。在这个磁场作用下，载磁体就被磁化成相应极性的磁化位或磁化元。若在写线圈里通入相反方向的脉冲电流，就可得到相反极性的磁化元。如果我们规定按图中所示电流方向为写1，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写0。上述过程称为写入。显然，一个磁化元就是一个存储元，一个磁化元中存储一位二进制信息。当载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信息

读操作

当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线圈中感应出相应的电动势e。负号表示感应电势的方向与磁通的变化方向相反。不同的磁化状态，所产生的感应电势方向不同。这样，不同方向的感应电势经读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信息是1还是0。

分类

磁带存储器分类：

按带宽分：有1/4英寸和1/2英寸；按带长分：有2400英尺、1200英尺和600英尺；

按外形分：有开盘式磁带和盒式磁带；

按记录密度分：有800位/英寸、1600位/英寸、6250位/英寸；

按带面并行记录的磁道数分：有9道、16道等。

计算机系统中多采用1/2英寸开盘磁带和1/4英寸盒式磁带，它们是标准磁带

磁带机

磁带存储器也称为顺序存取存储器(SequentialAccessMemory，简称SAM)即磁带上的文件依次存放。磁带存储器存储容量很大，但查找速度慢，在微型计算机上一般用做后备存储装置，以便在硬盘发生故障时，恢复系统和数据。计算机系统使用的磁带机有三种类型：

按带速不同可分为高速机、中速机和低速机三种。

按磁带的缓冲方式，可分为真空缓冲箱式和摆杆式两种。

尽管磁带机的带速和结构不同，只要是按标准格式记录的磁带，都可在各种磁带机上读出，即具有磁带互换性。70年代末，出现了数据流磁带机。它不使用主动轮和缓冲机构,磁带由带盘电机直接驱动,虽不能快启停，但在连续运转时带速与中速机相仿，记录格式符合标准，能与常规的快启停磁带机互换读出。它在很低速度下也能从事启停式工作，常用作磁盘存储器的后备。这种磁带机结构简单、体积小、成本低。此外，在微型计算机中还采用盒式磁带机，有的直接用录音机作小容量辅助存储器。

磁带机结构原理

普遍使用的磁带机是快启停式磁带机。它由主动轮和带盘驱动机构、磁带导向和缓冲机构、磁头、读写和驱动控制电路等组成。

①磁带传动：以真空缓冲箱式磁带机为例，磁带由供带盘经右缓冲箱、磁头、主动轮、左缓冲箱到卷带盘。缓冲箱底抽气,保持一定的磁带张力,使磁带紧包在主动轮上，有足够大的摩擦力。主动轮由惯量小、转矩大的直流电机直接驱动,带动磁带运动。在启停时,主动轮只加速或减速缓冲箱内的一段磁带，使之能快速启停。主动轮在启动后有稳速控制，保持带速恒定。缓冲箱有带环位置检测装置，平时带环保持在某一平衡位置上。当带环下降时，检测装置产生控制信号，使带盘电机收带，带环升高时则控制其放带，以维持磁带的一定缓冲量。两个带盘的动作由箱内带环位置分别控制，称为带盘伺服控制。摆杆式磁带机磁带的张力靠摆杆的弹簧控制，动作原理与前者相同。磁带的正反转由来自磁带控制器的命令控制，磁带在启动到正常速度时才能读写数据。

②磁带读写：磁带运动时与磁头接触。磁头线圈中通有电流时，磁头间隙附近产生磁场，将磁带上一个很小区域磁化。电流方向改变时，磁化方向也改变，这种磁化由一个方向改变到相反方向通常称磁通翻转。磁带移动时,在磁带上留下一道磁化的痕迹,通常称为磁道。写入的过程就是将一串二进制码转换成磁道上对应的一串磁通翻转信号。例如，不归零记录就是用一次磁通翻转表示一位二进制1，无磁通翻转表示0。读出时,每一磁通翻转在磁头线圈中感应出一小电压信号,经读放大器放大和处理，还原为二进制的数字信号。

③数据组织：一盘磁带有始端标记(BOT)和尾端标记(EOT)，中间可记若干个文件。每个文件由1至若干个数据块组成，两个文件之间有带标隔开。在数据块之间和数据块与带标之间有规定长度的空白间隔。数据块内数据有规定的格式。数据块是磁带读写数据的基本单元。磁头在空白间隔内启停。通常带宽为12.7毫米，有9个磁道，8道记数据,1道记数据的奇偶位，数据以字节串联记入。常用的标准格式有不归零(NRZI)、相位编码(PE)和成组编码(GCR)三种。记录密度分别为每毫米32位、63位和246位。它们各自有规定的检错和纠错的方法

④磁带控制器：一个磁带控制器可联数台磁带机，控制磁带机执行写、读、进退文件、进退数据块等操作。

技术发展

50年代初，磁带录音技术开始应用于计算机领域,遂出现了数据存储磁带机。此后，磁带机在磁带传动系统、磁头、记录方式等方面不断得到改进。磁带正反转的驱动由双主动轮改进为单主动轮，简化了驱动机构。磁头结构由单缝磁头改为双缝磁头，它是将一组写磁头和一组读磁头组装在一起，能够一边写入一边进行读出检查。磁头缝隙（工作间隙）改窄，同时改进记录方式，由增量不归零、相位编码到成组编码，显著提高了记录密度和存储容量。自动穿带的实现，使装带简便，减少对磁带的污染。到70年代中期，高档的磁带机已能自动穿带，记录密度比早期的磁带机提高60多倍，数据传输率提高160多倍。从60年代后期到70年代中期,逐步建立了磁带记录的国际标准。

改善性能法

尽管对基于磁盘的数据备份和恢复技术的炒作很多，但磁带存储仍然是多数备份的首要目标。磁带不仅存储的数据最多，而且在备份的过程中多数数据将被直接存储在磁带上，无需使用磁盘作为缓存。

了解了这一点后，我们就应当想一想，怎样才能让磁带驱动器拥有更好的性能?

一、了解您的磁带驱动器

实现良好磁带性能的最重要方面就是了解您在备份过程中使用的磁带驱动器。多数现代磁带驱动器都属于流磁带驱动器，也就是说它们用于在某一特定速率下传输数据，因此，为了让磁带驱动器正常工作，您必须了解它的速率，并在备份和恢复过程中保持其流状态。

那么，我们最开始要做的就是了解所有在用的磁带驱动器。您需要了解的第一个问题是磁带驱动器的最大原始(未压缩)传输速率。例如，一台LTO技术-4磁带驱动器的最大原始(未压缩)传输速率为每秒120MB.当您了解这一数值后，您必须确定该驱动器的最低速率是多少。这可能需要做一些研究，但这些数字肯定记录在文档中。如果文档中没有这些数据，您需要联系该磁带驱动器的销售厂商。

例如，LTO-4的最小传输速率约为23MBps至25MBps.也就是说，LTO-4的写入速率不能低于23MBps至25MBps.如果其实际写入速率看似低于该数值，则说明驱动器实际上正在以23MBps至25MBps的短促突发方式写入数据，然后又会在短暂停留后再次以23MBps至25MBps的短促突发写入数据。您还应当意识到最大和最小速率之间的任何步进速率，在LTO-4这样的多速度磁带驱动器上，通常在最小和最大速率之间有两至三个中间速度。同样，了解这一点也需要做一些研究，而且答案很可能就在说明文档中。当您了解这些数字之后，您应当努力实现最大传输速率，而任何低于最小传输速率的操作只会给您带来麻烦。

二、了解数据传输速率和压缩率

在来源的问题上，您需要知道两件事：数据传输速率和压缩率。您需要了解不同服务器的数据传输速率。配备较高端存储设备的较高端服务器供应数据的速率往往要高于较低端的服务器。您在设计自己的备份架构时，需要了解这些不同的数据传输速率。您只有通过测试才能确定这些数据。例如，如果您知道某个特定客户的数据库只能以10MBps至20MBps的速率传输数据，那么将它与光纤通道连接根本不能起到提高备份速度的效果，因为它的速度从一开始就受到了限制。

您需要了解的下一个问题是数据压缩的速率。某些数据压缩的压缩率会比其它数据高一些，不同公司的数据在压缩率方面也不尽相同。您需要找出您所在环境中数据的压缩能力。之所以要这样，就是因为您必须将压缩率与上面提到的最小和最大传输速率相乘才能得出新的最小和最大传输速率。例如，如果您的环境中压缩率为1.5：1，您的120 MBps磁带驱动器就变成了一台180 MBps的磁带驱动器。确定压缩率的方法是查看到达磁带物理终点(PEOT)标签和软件提示磁带已满之前装入的数据。如果您可以在标称800 GB的磁带中持续写入1200 GB的数据，则压缩率为1.5：1，您便可以将原始吞吐量乘以该数字。

三、了解您的数据路径

当您了解数据从哪来、到哪去之后，您还需要了解其完成这一过程的路由。数据是否会通过以太网?该网络是千兆网络、万兆网络还是100 Mb网络?如果您的客户端能够以数百MBps传输数据，并且正在尝试通过100 Mb网络发送其数据，那么您获得的速度就不可能很快。然而，如果要连接至光纤通道，迁移到无局域网的备份过程，则这样的客户端是最理想的。

四、了解您的备份应用

邮件列表、论坛或新闻组

五、了解您的磁盘销售情况

如果不将备份数据首先发送到磁盘，要想让磁带驱动器正常工作已经变得越来越困难。如果您最近正在购买磁带驱动器，而且没有附带购买磁盘，您最好还是取消订货并且改订一些磁盘。不管您相信与否，将数据移动两次(即备份至磁盘后再拷贝到磁带)的速度比单独移动一次要快得多。

共享

将磁带存储器用于多路系统极大提升了系统利用率，磁带存储器同时减少了数据中心新驱动的开支。有一种方法可以跨多个大型机共享磁带存储器。

磁带存储器可以通过磁带控制器模型大型机所共享。磁带存储器可以处理最多4Gbps传输速度的光纤连接装置——这是大型机光纤连通道连接专利。磁带存储器控制器也能够支持磁盘驱动或者是光纤通道交换机多达4个标准的8 Gbps传输速度的光纤通道连接。

如果磁带存储器没有足够的FICON与合适长度和类型的光纤通道布线，各驱动、大型机以及存储网络之间的连通性将不能实现。磁带存储器以及控制器也需要软件升级和许可支持。这取决于数据中心当前的操作系统和许可模式。

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