10.4 Лента
Этот способ заключается в том, что среда хранения данных размещена на ленте, которая сматывается на одну из двух бобин (катушек) (см. Рис. 14).
Рис. 14
Этот метод имеет, пожалуй, одно, но очень важное достоинство – большая площадь рабочей поверхности. При том же объеме и моменте инерции, что и диск, лента будет иметь площадь поверхности большую в h/2dраз. Здесьh– ширина ленты,d– толщина ленты. Для современных лент это соотношение может достигать нескольких сотен. Поэтому имеет смысл использовать для лент, как для магнитного слоя, так и для основы дешевые материалы, снижая таким способом себестоимость хранения информации. Из этих же соображений, носители на магнитной ленте делают сменными, что позволяет многократно уменьшить эту себестоимость. В настоящее время магнитные ленты имеют наименьшую себестоимость хранения одного бита среди всех устройств хранения данных.
Недостатки лент следующие:
поиск нужной записи связан с перемоткой ленты, а это процесс достаточно медленный, поэтому ленты имеют самое низкое время доступа среди всех УХД и это самый главный их недостаток;
магнитный слой наносится на гибкую основу, что не позволяет сделать магнитную поверхность качественной; это обычно компенсируется многократной записью на ленту каждого бита;
плотность записи на ленту не может быть высокой, так как гибкая основа ленты подвержена микродеформациям;
скорость записи/чтения и перемотки ленты не может быть высокой, так как это может привести к ее обрыву или заеданию в механизме;
намотка ленты на бобину сопровождается определенным усилием натяжения смотанной ленты, но в случае намотки ленты на бобину с разной скоростью, собственная упругость материала ленты приводит к выравниванию натяжения разных участков, а значит к ее микродеформациям; это требует периодической перемотки ленты, хранящейся долго;
при поиске необходимой информации требуется перемотка ленты в разных направлениях, но это весьма длительная операция из-за необходимости компенсации момента инерции бобин с лентой;
бобины, на которые наматывается лента, в зависимости от количества ленты значительно изменяют инерционную массу, а это весьма осложняет задачу компенсации их момента инерции;
лента не может быть очень тонкой и узкой, так как это снижает ее прочность, кроме того, лента не может быть очень тонкой, так как это может привести к взаимному намагничиванию соприкасающихся участков смотанной ленты;
ширина ленты ограничена, так как при протягивании широкой ленты натяжение по ширине ленты будет неодинаково, а это приводит к деформации ленты.
Из-за всех этих недостатков ленты применяются только в качестве архивных носителей.
Существуют два варианта упаковки ленты на бобине (катушке) и в кассете. Кассета состоит из двух катушек, которые вместе с механизмом подачи ленты, запрятаны в корпус с отверстиями для проникновения механизма подачи ленты и подключения двигателей вращения катушек. Кассета всегда дороже бобины с лентой, имеет намного больший размер, но обладает важным достоинством – избавляет от весьма трудоемкой операции установки ленты в механизм. По этой причине бобины в настоящее время не используются.
По методу поиска все ленточные накопители разделяются на два типа: старт-стопные накопители и потоковые накопители или стримеры.
Старт-стопныеленточные накопителиначинают операцию записи/чтения с момента старта ленты. Для этого они резко разгоняют ленту до рабочей скорости, и по окончании записи как можно быстрее останавливают ленту. Резкий разгон и остановка ленты притом, что катушки с лентой могут иметь достаточно большую инертную массу, могут привести или к обрыву ленты или к ее излишнему провисанию и спутыванию. Эту проблему решают с помощью специального механизма, регулирующего натяжение ленты. Изначально механизм несколько выбирает ленту, создавая запас некоторой длины. При старте ленты этот запас выбирается до тех пор, пока подающая катушка не раскрутится до нужной скорости. При остановке ленты этот запас позволяет приемной катушке остановиться, не обрывая ленту. Этот же механизм смещает направляющие ролики и обеспечивает натяжение ленты при ее провисании на приемной катушке в момент старта ленты и на подающей катушке в момент останова ленты. Чем больше скорости записи/чтения, чем длиннее лента и больше ее масса на катушках, тем труднее компенсировать инерционность катушек, вплоть до того, что механические рычажно-пружинные компенсаторы, обладающие собственной инерционностью и неспособные создавать запас большого объема без спутывания, заменяют вакуумными карманами, в которые заправляется избыток ленты. Недостаток таких накопителей в том, что они: или имеют очень низкую скорость выполнения всех операций, или чрезвычайно дороги из-за сложного механизма регулирующего натяжение ленты. Из-за этих недостатков данные накопители в настоящее время не применяются.
Потоковые накопителиилистримерыразгоняют и останавливают ленту всегда с таким малым ускорением, чтобы механизм компенсации или не требовался, или был очень простым. Так как рабочая скорость достигается не сразу, запись и чтение начинается только с момента достижения рабочей скорости. Время, требуемое для достижения рабочей скорости, зависит от переменной инерционности катушек и не может быть точно рассчитано, поэтому чтение необходимого участка начинается заранее. Прочитанные данные отбрасываются до тех пор, пока не будет достигнут необходимый участок. Запись выполняется точно так же – при достижении лентой определенной скорости, и это значит, что стример не позволяет выполнять запись в какое-то конкретное место на ленте. Участок ленты, отводимый под ее разгон при записи/чтении, называется вводной зоной, отводимый под торможение в конце записи/чтения – выводной зоной. Недостатки стримеров следующие:
невозможность записывать в определенное место означает, что перезапись определенного участка крайне затруднена (а чаще невозможна) и это значит, что новую запись всегда приходится добавлять в конец ленты;
наличие вводного и выводного участков уменьшает эффективность использования ленты, причем чем меньше объем записываемой информации, тем ниже эффективность использования;
неэффективное считывание малых объемов данных – в любом случае будет считан большой объем, из которого придется выбрать требуемую информацию;
требуется выполнять большое количество лишних операций; например, окончание операции чтения одного блока не позволяет запустить операцию чтения следующего, для этого придется перемотать ленту назад и снова запустить операцию чтения.
Эти недостатки не так существенны, когда ленточные накопители используются для резервного хранения данных: резервное копирование выполняется обычно большими объемами, резервные копии читаются крайне редко, а их перезапись не требуется. С другой стороны, стримеры намного дешевле старт-стопных накопителей. Так как в настоящее время ленточные накопители используются только для резервного хранения данных, потоковые накопители практически полностью вытеснили старт-стопные.
На Рис. 14 приведен накопитель с обычными дорожками: все дорожки параллельны краю ленты, длина дорожки равна длине ленты. Общий недостаток всех накопителей с обычными дорожками заключается в неэффективном использовании поверхности ленты по следующей причине. При том, что современные методы магнитной записи позволяют выполнять дорожки очень узкими, на ленте нельзя разместить большое их количество, так как узкие и близко расположенные дорожки на гибком, подвижном носителе весьма трудно позиционировать на соответствующие головки и удерживать головку над соответствующей дорожкой в ходе движения ленты. Узкой ленту сделать также невозможно, т.к. это повлияет на ее прочность. Таким образом, обычная ширина дорожки на ленте порядка миллиметра, долей миллиметра.
Второй важный недостаток в низкой скорости записи/чтения на ленте даже у стримеров. Плотность записи на ленту ограничена ее гибкостью и не может быть высокой. Для того чтобы увеличить скорость записи/чтения необходимо увеличивать скорость ее движения, которая также ограничена как прочностью ленты, так и сложностью механизма протяжки ленты.
Оба эти недостатка устраняются при использовании механизма с вращающимися головками. Лента движется также поступательно, но головки не неподвижные, как в классической схеме, а расположены на вращающемся барабане. Сочетание вращения головок и движения ленты создают на ней короткие наклонные дорожки. Заранее неизвестно какая из магнитных головок попадет на некоторую дорожку. Для этого все дорожки пронумеровываются, и номер дорожки записывается на нее (как служебная информация) вместе с данными. При чтении номер каждой дорожки будет определен при последующем анализе прочитанных данных (Рис. 15).
Рис. 15
Так как дорожки при такой наклонной записи намного короче, становится возможным выдержать траекторию движения магнитной головки даже вдоль очень узкой дорожки. Следовательно, расстояние между дорожками, которое определяется теперь уже не расстоянием между ними на барабане, а только скоростью вращения барабана, может быть весьма малым. Это позволяет как более эффективно использовать поверхность ленты, так и значительно увеличить скорость чтения записи при той же скорости протяжки ленты.