こんにちは、ゆうかりです。

作業場の撤収やら引っ越しやら新規構築やらでバタバタしており、なかなか電子工作回りをやる余裕が無いんですけれども、まあ。
禁断症状？的な感じなので、前から気になってたネタを、やらかしてみようと思います。

それは・・・。
表題の通り、「コンピューター用テープドライブの不思議な動きを確かめてみる」です。

そもそもテープドライブって何よ？

ひと昔前はありふれていた、「テープドライブ」。
まあほら、音楽用のカセットテープとか、VHSビデオテープとかその辺です。
コンピューター用では、「LTO」とか「AIT」、「DDS」だの「QIC」だのありますね。

まあ、一部例外を除き、こんな構造をしています。

　＊出典：Wikipedia

ま、テープは左右の白「ハブ」に巻き取られる形で。
まあ、テープ巻き取り直径的な速度の違いはあるにせよ、左右のハブは同期して回ります。
じゃないとテープ切れちゃいます、からね。

今時、というか、ほぼすべてのテープドライブは、この「左右の巻き取りハブ」は、バラバラに動くことはありません。
が、しかし

9-track tape driveの不思議

だいぶ昔の、コンピュータ用テープドライブは、不思議な動きをします。
まあ、下の動画をどうぞ。

なんか、右と左のテープハブ、ばらばらに動いてるように見えませんか？。
実際、ある程度ばらばらに動いています。

オイラがご幼少の頃は、これが不思議だったのですが。
まあ、ある程度裏事情的なものが察せられる現在、なーんとなく理由が見えてきています。
じゃあなによ？って。

9-track tape driveの規格と構造

ま、これは、「9-track tape」という、けっこーかなり古い規格です。
なんせＩＣ使われる前、レベルの。

ま、こんなのです。

　＊出典：Wikipedia
　＊詳しい解説は、Wikipediaへ！→　https://en.wikipedia.org/wiki/9-track_tape

なんであんな不思議な動きになるかというと、まあこれは今でいう「HDD」みたいな使い方をされていて。
ランダムアクセスをさせていたから、なのと。
ランダムアクセスに耐えられるように工夫が入っていたから、です。

IBMのSystem/360に使われていた、2401というテープドライブとテープの規格は、以下な感じです。

＊ 出典: https://www.ibm.com/ibm/history/exhibits/storage/storage_2401.html

モデル３だとして、テープ速度は112.5インチ/秒、約２．９ｍ/秒です、時速約１０ｋｍ。
一般的なテープだと、例えばカセットテープは秒速４．８ｃｍ、ＶＨＳは標準で秒速３３ｃｍ、音楽用オープンテープの民生用で一番早いのが秒速３８ｃｍです。
まあ、ざっとそのへんのテープの１０倍くらいの速度で、コンピュータ用テープは、ぶんまわっていたのです。
しかもランダムアクセス！。
なお、１巻最大２４００フィートで、記録密度はインチ当たり８００バイトなので、１巻で約２４ＭＢですね、、、。

で、まあ、時速１０ｋｍなテープを止めたり逆回転とかをそのままやらかしたら、テープは一瞬で切れちゃいます。
なので、そんなトリックプレイに耐えられるように、テープ読み込み部に、「遊び」が設けられています。

この写真の

テープドライブ下にある、｜｜な部分が、テープ遊び用の空間です、「真空チャンバー」なるところ。
実際のテープ読み取り部は、テープハブ下側中央黒い長四角部なのですが、そこにテープが行く前に、テープは下の｜｜部に垂れ下がります。
ここは真空引きされており、テープを「優しく」吸引することで、急速なテープの走行に対して、テープにテンションがかかりづらいようにしているのです。

んで、これが、上の動画にあった、左右のテープハブがバラバラに動いて見える原因を作っています。
左右の真空チャンバーに送り込まれたテープは、それぞれ一定までテープを送り、吸い込むため、一定時間は静止している状態です。
真空チャンバーに溜まったテープが多すぎたり、余裕が少なくなったりして初めて、左右のテープハブが動く構造になっているため、実際の読み込みと左右のテープハブが同期せず、バラバラに動くように見えるのです。

ちなみに実際の動作は、こんな感じ、テープロード/アンロード、真空チャンバーとテープの関係が分かるかと。

で、この非同期なハブ構造と楽しんでみようかと

秋月電子とかで、適当に部材購入！。

制御とモーター系は、この組み合わせで。

arduino互換の「maker nano」と、Ｉ２Ｃなモータードライバ「DRV8830」、そして適当なDCモーターです。

まあ、アドレス違いでブレッドボード上に組むと、こんな感じになります。

適当に習作プログラムを組めば、まあ普通にモーター動作しましたよ、と。
SENSE端子をGNDに落とさないと、エラー吐きますが。

走行用データ用意

さて、ランダムアクセス用のテープ走行データをでっちあげないといけませぬ。

左右の走行を切り替えて、視覚的に楽しいのといえば、ファミコンのTASかなと。
つーわけで、以下ページから、ｆｍ２ファイルを取得。
https://tasvideos.org/1546M

fm2ファイルは、fceuxというファミコンエミュレータのムービーファイルです。
ざっと中身を確認するに、フレーム毎に「押すボタン」を記述する形式のようです。
fceuxのフレームレートは約６０．００１ｆｐｓらしいので、ま、大体１８ｍｓごとに読み込むようにしてやればいいかなと。
で、このままだとArduinoに食わせられないので、「左右」のボタンOn/Offを２ビットで表現した上で、４つ束ねてバイト列にするスクリプトを記述。

gplay.py
f = open('aglar,hotarubi-gimmickbestending.fm2', 'r')
count = 15
bitarray = ''
while True:
    data = f.readline()
    if data == '':
        break
    if data[0] != '|':
        continue
    if data[3] == 'R':
        bitarray += '01'
    elif data[4] == 'L':
        bitarray += '10'
    else:
        bitarray += '00'
    if len(bitarray) == 8:
        intdata = int(bitarray, 2)
        hexdata = str(hex(intdata)[2:].zfill(2)) + ','
        print ('0x' + hexdata, end='')
        bitarray = ''
        count += 1
        if count % 16 == 15:
            print ('')
            print ('  ', end='')
f.close()

上の出力をAVRのFlash領域に展開し、順次メモリに読み込みしつつモーター制御するプログラムを書いてみました。

tapesoukou.ino
#include <avr/pgmspace.h>
#include <Wire.h>

const int driveraddress1 = 0x64;
const int driveraddress2 = 0x63;
unsigned long timepre;
unsigned long timepost;
unsigned long timedelta;
int vcol1;
int vcol2;
int motorrun1 = 0;
int motorrun2 = 0;
const int motorspeed1 = 5;
const int motorspeed2 = 6;
byte bitleft;
byte bitright;
byte bitpoint;
byte movebasedata;
int movearraycount;
byte movedata;
byte movecount;
byte tapespeed;
byte tapespeedcount;
byte tapespeedlow = 2;
const int vcollength = 12;
const int vcolswitch = 3;
const byte vcolhubsize1 = 8;
const byte vcolhubsize2 = 3;

const PROGMEM byte movearray[] = {
  0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,
  0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,
　　　　　　　-- 中略 --
  0xaa,0x95,0x00,0x05,0x55,0x55,0x55,0x56,0xaa,0xa6,0xaa,0xaa,0xaa,0xaa,0x55,0x54,
  0x01,0x55,0x55,0x55,0xaa,0xaa,0x6a,0xaa,0xaa,0xaa,0xa5,0x55,0x55,0x55,0x55,0x55,
  0x55,0x55,
  };
const int movearraylength = sizeof(movearray)/sizeof(movearray[0]);

void setup() {
  Wire.begin();
  vcol1 = 0;
  vcol2 = 0;
  pinMode(4, OUTPUT);
  pinMode(5, OUTPUT);
  runMotor(0,1);
  runMotor(0,2);
  delay(5000);
}

void loop() {
  timepre = micros();
  if (movecount == 0) {
    movebasedata = pgm_read_byte(movearray + movearraycount);
    movearraycount += 1;
    if (movearraycount >= movearraylength) {
      movearraycount -= 1;
      delay (10000);
      movebasedata = 0x00; 
    }
  }
  bitpoint = 7 - movecount;
  bitleft = bitRead(movebasedata, bitpoint);
  bitpoint -= 1;
  bitright = bitRead(movebasedata, bitpoint);
  movecount += 2;
  if (movecount > 7) {
    movecount = 0;
  }
  digitalWrite(4, LOW);
  digitalWrite(5, LOW);
  tapespeed = tapespeedlow;
  if (tapespeedcount < 20){
    tapespeed = tapespeedlow * 5;
  }
  if (bitleft == 1) {
    tapespeedcount += 1;
    vcol1 = vcol1 + tapespeed;
    vcol2 = vcol2 + tapespeed;
    digitalWrite(5, HIGH);
  }
  else if (bitright == 1) {
    tapespeedcount += 1;
    vcol1 = vcol1 - tapespeed;
    vcol2 = vcol2 - tapespeed;
    digitalWrite(4, HIGH);
  }
  else {
    tapespeedcount = 0;
  }
  if (vcol1 > vcollength) {
    motorrun1 = 1;
  }
  else if (vcol1 < -vcollength) {
    motorrun1 = -1;
  }
  if ((vcol1 < vcolswitch) && (vcol1 > -vcolswitch)) {
    motorrun1 = 0;
  }
  if (motorrun1 == 1){
    runMotor(motorspeed1,1);
    vcol1 -= vcolhubsize1; 
  }
  if (motorrun1 == -1){
    runMotor(-motorspeed1,1);
    vcol1 += vcolhubsize1; 
  }
  if (motorrun1 == 0){
    brakeMotor(1); 
  }
  if (vcol2 > vcollength) {
    motorrun2 = 1;
  }
  else if (vcol2 < -vcollength) {
    motorrun2 = -1;
  }
  if ((vcol2 < vcolswitch) && (vcol2 > -vcolswitch)) {
    motorrun2 = 0;
  }
  if (motorrun2 == 1){
    runMotor(motorspeed2,2);
    vcol2 -= vcolhubsize2; 
  }
  if (motorrun2 == -1){
    runMotor(-motorspeed2,2);
    vcol2 += vcolhubsize2; 
  }
  if (motorrun1 == 0){
    brakeMotor(2); 
  }
  timepost = micros();
  timedelta = timepost - timepre;
  if (timedelta > 16660) {
    timedelta = 16660;
  }
  timedelta = 16666 - timedelta;
  delayMicroseconds(timedelta);
}

void runMotor(int inVector,byte devicenumber) {
  int direction;
  int voltage;

  if (inVector > 0) {
    direction = 0x01;
    voltage = inVector;
  } else if (inVector == 0) {
    direction = 0x00;
    voltage = 0;
  } else {
    direction = 0x02;
    voltage = -inVector;
  }

  writeToDriver(direction, voltage, devicenumber);
}

void brakeMotor(byte devicenumber) {
  writeToDriver(0x03, 0x00,devicenumber);
}


void writeToDriver(byte inDirection, byte inVoltage,byte devicenumber) {
  int outData = (inVoltage & 0x3f) << 2 | (inDirection & 0x03);

  if (devicenumber == 2) {
    Wire.beginTransmission(driveraddress2);
  }
  else {
    Wire.beginTransmission(driveraddress1);
  }
  
  Wire.write(0x00); //  control
  Wire.write(outData);  //
  Wire.endTransmission(true);

}

左右、一定時間まではサーチということでテープ速度は速めに、左右のハブはテープの偏りがあるって感じで送り出し量に差をつけています。
LEDは実際のテープ走行左右　＝　TASの左右ボタン入力を表しています。

実際に動かしてみた

ま、TASとの対比は、こんな感じで！。

なんとなく、左右の回転差や、非同期具合が再現できているような気もします。

作ってみて

なかなか不思議な、テープの動きが、ある程度再現出来て、楽しめましたとさ。
ちゃんと「テープドライブ」らしい、タンスみたいな箱に作りこみたいけれども、工作機械の稼働が出来ないため、今回はブレッドボードで満足としました、とさ。

いやあ、モーター系は初めて手を出してみたんだけれども、なかなか興味深い世界でした。
次はステッピングモーターでも遊んでみようかな・・・。

以上です。