磁帶存儲器

磁帶存儲器屬於磁表面存儲器，計算機的外存儲器又稱磁表面存儲設備。所謂磁表面存儲，是用某些磁性材料薄薄地塗在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。磁帶控制器是連接計算機與磁帶機之間的接口設備，一個磁帶控制器可以聯接多台磁帶機。它是計算機在磁帶上存取數據用的控制電路設備，可控制磁帶機執行寫、讀、進退文件等操作。

磁帶機是以磁帶為記錄介質的數字磁性記錄裝置，它由磁帶傳送機構、伺服控制電路、讀寫磁頭、讀寫電路和有關邏輯控制電路等組成。

磁帶是一種柔軟的帶狀磁性記錄介質，它由帶基和磁表面層兩部分組成，帶基多為薄膜聚酯材料，磁表面層所用材料多為γ-Fe2O3和CrO2等。磁帶存儲器是以順序方式存取數據。存儲數據的磁帶可以脱機保存和互換讀出。除此之外，它還有存儲容量大、價格低廉、攜帶方便等特點，它是計算機的重要外圍設備之一。

磁性材料被磁化以後，工作點總是在磁滯回線上。只要外加的正向脈衝電流(即外加磁場)幅度足夠大，那麼在電流消失後磁感應強度B並不等於零，而是處在+Br狀態(正剩磁狀態)。反之，當外加負向脈衝電流時，磁感應強度B將處在-Br狀態(負剩磁狀態)。當磁性材料被磁化後，會形成兩個穩定的剩磁狀態，就像觸發器電路有兩個穩定的狀態一樣。如果規定用+Br狀態表示代碼1，-Br狀態表示代碼0，那麼要使磁性材料記憶1，就要加正向脈衝電流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料記憶0，則要加負向脈衝電流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈現剩磁狀態的地方形成了一個磁化元或存儲元，它是記錄一個二進制信息位的最小單位。?

形成不同寫入電流波形的方式，稱為記錄方式。記錄方式是一種編碼方式，它按某種規律將一串二進制數字信息變換成磁層中相應的磁化元狀態，用讀寫控制電路實現這種轉換。在磁表面存儲器中，由於寫入電流的幅度、相位、頻率變化不同，從而形成了不同的記錄方式。常用記錄方式可分為不歸零制(NRZ)，調相制(PM)，調頻制(FM)幾大類。這些記錄方式中代碼0或1的寫入電流波形。

(NRZ)：

不歸零制(NRZ0)其特點是磁頭線圈中始終有電流，不是正向電流(代表1)就是反向電流(代表0)，因此不歸零制記錄方式的抗干擾性能較好。就翻不歸零制(NRZ1)與NRZ0制的相同處：磁頭線圈中始終有電流通過。不同處：記錄0時電流方向不變，只有遇到1時才改變方向。

(PM)：

調相制(PM)其特點是在一個位週期的中間位置，電流由負到正為1，由正到負為0，即利用電流相位的變化進行寫1和0，所以通過磁頭中的電流方向一定要改變一次，這種記錄方式中1和0的讀出信號相位不同，抗干擾能力較強。另外讀出信號經分離電路可提取自同步定時脈衝，所以具有自同步能力。磁帶存儲器中一般採用這種記錄方式。?

(FM)：

調頻制(FM)其特點如下：(1)無論記錄的代碼是1或0，或者連續寫1或寫0，在相鄰兩個存儲元交界處電流都要改變方向；(2)記錄1時電流一定要在位週期中間改變方向，寫1電流的頻率是寫0電流頻率的2倍，故稱為倍頻法。這種記錄方式的優點是記錄密度高，具有自同步能力。FM可用於單密度磁盤存儲器。改進調頻制(MFM)與調頻制的區別在於只有連續記錄兩個或兩個以上0時，才在位週期的起始位置翻轉一次，而不是在每個位週期的起始處都翻轉，因而進一步提高了記錄密度。MFM可用於雙密度磁盤存儲器。

在磁帶存儲器中，利用一種稱為磁頭的裝置來形成和判別磁層中的不同磁化狀態。磁頭實際上是由軟磁材料做鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵

當寫線圈中通過一定方向的脈衝電流時，鐵芯內就產生一定方向的磁通。由於鐵芯是高導磁率材料，而鐵芯空隙處為非磁性材料，故在鐵芯空隙處集中很強的磁場。在這個磁場作用下，載磁體就被磁化成相應極性的磁化位或磁化元。若在寫線圈裏通入相反方向的脈衝電流，就可得到相反極性的磁化元。如果我們規定按圖中所示電流方向為寫1，那麼寫線圈裏通以相反方向的電流時即為寫0。上述過程稱為寫入。顯然，一個磁化元就是一個存儲元，一個磁化元中存儲一位二進制信息。當載磁體相對於磁頭運動時，就可以連續寫入一連串的二進制信息

當磁頭經過載磁體的磁化元時，由於磁頭鐵芯是良好的導磁材料，磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通迴路。不同極性的磁化元在鐵芯裏的方向是不同的。當磁頭對載磁體作相對運動時，由於磁頭鐵芯中磁通的變化，使讀出線圈中感應出相應的電動勢e。負號表示感應電勢的方向與磁通的變化方向相反。不同的磁化狀態，所產生的感應電勢方向不同。這樣，不同方向的感應電勢經讀出放大器放大鑒別，就可判知讀出的信息是1還是0。

磁帶存儲器分類：

按帶寬分：有1/4英寸和1/2英寸；按帶長分：有2400英尺、1200英尺和600英尺；

按外形分：有開盤式磁帶和盒式磁帶；

按記錄密度分：有800位/英寸、1600位/英寸、6250位/英寸；

按帶面並行記錄的磁道數分：有9道、16道等。

計算機系統中多采用1/2英寸開盤磁帶和1/4英寸盒式磁帶，它們是標準磁帶

磁帶存儲器也稱為順序存取存儲器(SequentialAccessMemory，簡稱SAM)即磁帶上的文件依次存放。磁帶存儲器存儲容量很大，但查找速度慢，在微型計算機上一般用做後備存儲裝置，以便在硬盤發生故障時，恢復系統和數據。計算機系統使用的磁帶機有三種類型：

按帶速不同可分為高速機、中速機和低速機三種。

按磁帶的緩衝方式，可分為真空緩衝箱式和擺杆式兩種。

儘管磁帶機的帶速和結構不同，只要是按標準格式記錄的磁帶，都可在各種磁帶機上讀出，即具有磁帶互換性。70年代末，出現了數據流磁帶機。它不使用主動輪和緩衝機構,磁帶由帶盤電機直接驅動,雖不能快啓停，但在連續運轉時帶速與中速機相仿，記錄格式符合標準，能與常規的快啓停磁帶機互換讀出。它在很低速度下也能從事啓停式工作，常用作磁盤存儲器的後備。這種磁帶機結構簡單、體積小、成本低。此外，在微型計算機中還採用盒式磁帶機，有的直接用錄音機作小容量輔助存儲器。

磁帶機結構原理

普遍使用的磁帶機是快啓停式磁帶機。它由主動輪和帶盤驅動機構、磁帶導向和緩衝機構、磁頭、讀寫和驅動控制電路等組成。

①磁帶傳動：以真空緩衝箱式磁帶機為例，磁帶由供帶盤經右緩衝箱、磁頭、主動輪、左緩衝箱到卷帶盤。緩衝箱底抽氣,保持一定的磁帶張力,使磁帶緊包在主動輪上，有足夠大的摩擦力。主動輪由慣量小、轉矩大的直流電機直接驅動,帶動磁帶運動。在啓停時,主動輪只加速或減速緩衝箱內的一段磁帶，使之能快速啓停。主動輪在啓動後有穩速控制，保持帶速恆定。緩衝箱有帶環位置檢測裝置，平時帶環保持在某一平衡位置上。當帶環下降時，檢測裝置產生控制信號，使帶盤電機收帶，帶環升高時則控制其放帶，以維持磁帶的一定緩衝量。兩個帶盤的動作由箱內帶環位置分別控制，稱為帶盤伺服控制。擺杆式磁帶機磁帶的張力靠擺杆的彈簧控制，動作原理與前者相同。磁帶的正反轉由來自磁帶控制器的命令控制，磁帶在啓動到正常速度時才能讀寫數據。

②磁帶讀寫：磁帶運動時與磁頭接觸。磁頭線圈中通有電流時，磁頭間隙附近產生磁場，將磁帶上一個很小區域磁化。電流方向改變時，磁化方向也改變，這種磁化由一個方向改變到相反方向通常稱磁通翻轉。磁帶移動時,在磁帶上留下一道磁化的痕跡,通常稱為磁道。寫入的過程就是將一串二進制碼轉換成磁道上對應的一串磁通翻轉信號。例如，不歸零記錄就是用一次磁通翻轉表示一位二進制1，無磁通翻轉表示0。讀出時,每一磁通翻轉在磁頭線圈中感應出一小電壓信號,經讀放大器放大和處理，還原為二進制的數字信號。

③數據組織：一盤磁帶有始端標記(BOT)和尾端標記(EOT)，中間可記若干個文件。每個文件由1至若干個數據塊組成，兩個文件之間有帶標隔開。在數據塊之間和數據塊與帶標之間有規定長度的空白間隔。數據塊內數據有規定的格式。數據塊是磁帶讀寫數據的基本單元。磁頭在空白間隔內啓停。通常帶寬為12.7毫米，有9個磁道，8道記數據,1道記數據的奇偶位，數據以字節串聯記入。常用的標準格式有不歸零(NRZI)、相位編碼(PE)和成組編碼(GCR)三種。記錄密度分別為每毫米32位、63位和246位。它們各自有規定的檢錯和糾錯的方法

④磁帶控制器：一個磁帶控制器可聯數台磁帶機，控制磁帶機執行寫、讀、進退文件、進退數據塊等操作。

50年代初，磁帶錄音技術開始應用於計算機領域,遂出現了數據存儲磁帶機。此後，磁帶機在磁帶傳動系統、磁頭、記錄方式等方面不斷得到改進。磁帶正反轉的驅動由雙主動輪改進為單主動輪，簡化了驅動機構。磁頭結構由單縫磁頭改為雙縫磁頭，它是將一組寫磁頭和一組讀磁頭組裝在一起，能夠一邊寫入一邊進行讀出檢查。磁頭縫隙（工作間隙）改窄，同時改進記錄方式，由增量不歸零、相位編碼到成組編碼，顯著提高了記錄密度和存儲容量。自動穿帶的實現，使裝帶簡便，減少對磁帶的污染。到70年代中期，高檔的磁帶機已能自動穿帶，記錄密度比早期的磁帶機提高60多倍，數據傳輸率提高160多倍。從60年代後期到70年代中期,逐步建立了磁帶記錄的國際標準。

儘管對基於磁盤的數據備份和恢復技術的炒作很多，但磁帶存儲仍然是多數備份的首要目標。磁帶不僅存儲的數據最多，而且在備份的過程中多數數據將被直接存儲在磁帶上，無需使用磁盤作為緩存。

瞭解了這一點後，我們就應當想一想，怎樣才能讓磁帶驅動器擁有更好的性能?

一、瞭解您的磁帶驅動器

實現良好磁帶性能的最重要方面就是了解您在備份過程中使用的磁帶驅動器。多數現代磁帶驅動器都屬於流磁帶驅動器，也就是説它們用於在某一特定速率下傳輸數據，因此，為了讓磁帶驅動器正常工作，您必須瞭解它的速率，並在備份和恢復過程中保持其流狀態。

那麼，我們最開始要做的就是了解所有在用的磁帶驅動器。您需要了解的第一個問題是磁帶驅動器的最大原始(未壓縮)傳輸速率。例如，一台LTO技術-4磁帶驅動器的最大原始(未壓縮)傳輸速率為每秒120MB.當您瞭解這一數值後，您必須確定該驅動器的最低速率是多少。這可能需要做一些研究，但這些數字肯定記錄在文檔中。如果文檔中沒有這些數據，您需要聯繫該磁帶驅動器的銷售廠商。

例如，LTO-4的最小傳輸速率約為23MBps至25MBps.也就是説，LTO-4的寫入速率不能低於23MBps至25MBps.如果其實際寫入速率看似低於該數值，則説明驅動器實際上正在以23MBps至25MBps的短促突發方式寫入數據，然後又會在短暫停留後再次以23MBps至25MBps的短促突發寫入數據。您還應當意識到最大和最小速率之間的任何步進速率，在LTO-4這樣的多速度磁帶驅動器上，通常在最小和最大速率之間有兩至三個中間速度。同樣，瞭解這一點也需要做一些研究，而且答案很可能就在説明文檔中。當您瞭解這些數字之後，您應當努力實現最大傳輸速率，而任何低於最小傳輸速率的操作只會給您帶來麻煩。

二、瞭解數據傳輸速率和壓縮率

在來源的問題上，您需要知道兩件事：數據傳輸速率和壓縮率。您需要了解不同服務器的數據傳輸速率。配備較高端存儲設備的較高端服務器供應數據的速率往往要高於較低端的服務器。您在設計自己的備份架構時，需要了解這些不同的數據傳輸速率。您只有通過測試才能確定這些數據。例如，如果您知道某個特定客户的數據庫只能以10MBps至20MBps的速率傳輸數據，那麼將它與光纖通道連接根本不能起到提高備份速度的效果，因為它的速度從一開始就受到了限制。

您需要了解的下一個問題是數據壓縮的速率。某些數據壓縮的壓縮率會比其它數據高一些，不同公司的數據在壓縮率方面也不盡相同。您需要找出您所在環境中數據的壓縮能力。之所以要這樣，就是因為您必須將壓縮率與上面提到的最小和最大傳輸速率相乘才能得出新的最小和最大傳輸速率。例如，如果您的環境中壓縮率為1.5：1，您的120 MBps磁帶驅動器就變成了一台180 MBps的磁帶驅動器。確定壓縮率的方法是查看到達磁帶物理終點(PEOT)標籤和軟件提示磁帶已滿之前裝入的數據。如果您可以在標稱800 GB的磁帶中持續寫入1200 GB的數據，則壓縮率為1.5：1，您便可以將原始吞吐量乘以該數字。

三、瞭解您的數據路徑

當您瞭解數據從哪來、到哪去之後，您還需要了解其完成這一過程的路由。數據是否會通過以太網?該網絡是千兆網絡、萬兆網絡還是100 Mb網絡?如果您的客户端能夠以數百MBps傳輸數據，並且正在嘗試通過100 Mb網絡發送其數據，那麼您獲得的速度就不可能很快。然而，如果要連接至光纖通道，遷移到無局域網的備份過程，則這樣的客户端是最理想的。

四、瞭解您的備份應用

瞭解這一部分是理所當然的，但備份應用在性能調校方面可能會非常複雜。瞭解備份產品的各方面性能就可以讓您在實際工作中"為所欲為".例如，如果您使用的是IBM Tivoli Storage Manager而且對排列組並不熟悉，那麼您應當認真瞭解這方面的情況。同樣，如果使用的是Symantec NetBackup、EMC NetWorker和CommVault，以及它們的複用特性，您也應當做好適當的功課。您可以加入郵件列表、論壇或新聞組，並且瞭解其他人怎樣使應用發揮更好的性能。您還可以在論壇上搜索"性能"關鍵字，瞭解其他用户在該主題方面已經問過和得到答案的問題。

五、瞭解您的磁盤銷售情況

如果不將備份數據首先發送到磁盤，要想讓磁帶驅動器正常工作已經變得越來越困難。如果您最近正在購買磁帶驅動器，而且沒有附帶購買磁盤，您最好還是取消訂貨並且改訂一些磁盤。不管您相信與否，將數據移動兩次(即備份至磁盤後再拷貝到磁帶)的速度比單獨移動一次要快得多。

將磁帶存儲器用於多路系統極大提升了系統利用率，磁帶存儲器同時減少了數據中心新驅動的開支。有一種方法可以跨多個大型機共享磁帶存儲器。

磁帶存儲器可以通過磁帶控制器模型大型機所共享。磁帶存儲器可以處理最多4Gbps傳輸速度的光纖連接裝置——這是大型機光纖連通道連接專利。磁帶存儲器控制器也能夠支持磁盤驅動或者是光纖通道交換機多達4個標準的8 Gbps傳輸速度的光纖通道連接。

如果磁帶存儲器沒有足夠的FICON與合適長度和類型的光纖通道佈線，各驅動、大型機以及存儲網絡之間的連通性將不能實現。磁帶存儲器以及控制器也需要軟件升級和許可支持。這取決於數據中心當前的操作系統和許可模式。