Файлы файловая система

 

     Рис. 1 Структура поверхности магнитного диска

     Поверхность диска разбита на дорожки представляющие собой окружности (рис. 1). Дорожки разделены на секторы. Размер сектора обычно составляет 512 байт.

     В большинстве файловых систем пространство на диске выделяется кластерами, которые  состоят из нескольких секторов. Кластер  – минимальный размер места на диске, которое может быть выделено для хранения одного файла. Перед  тем, как диск может быть использован  для записи данных, он должен быть размечен — на его дорожки должны быть записаны заголовки секторов с правильными  номерами дорожки и сектора, а  также, если это необходимо, маркеры. Как правило, при этом же происходит тестирование поверхности диска  для поиска дефектов магнитного слоя. Не следует путать эту операцию — физическое форматирование диска — с логическим форматированием, заключающемся в создании файловых систем. Современные жесткие диски обычно требуют физической разметки при их изготовлении.

     Один  физический жесткий диск может быть разделен на несколько разделов –  логических дисков (томов). Каждый логический диск представляет собой как бы отдельное  устройство. Следовательно, на нем может  быть своя файловая система и свой корневой каталог.

     В операционных системах MS-DOS и Windows каждое дисковое устройство обозначается латинской буквой. Для имени логического диска используются буквы от A до Z. Буквы A и B обозначают дисководы гибких магнитных дисков (FDD). Начиная с буквы C, именуются разделы жесткого диска (HDD), дисководы оптических дисков и виртуальные диски. Для обращения к файлу используется следующая спецификация:

     устройство:\путь\имя  файла.расширение

     Здесь путь – список каталогов, входящих друг в друга, в последнем из которых и содержится указанный файл. Если путь не указан, следует что, файл находится в корневом каталоге данного диска. В MS-DOS имя файла состоит из 8 символов, точки и 3 символов расширения имени файла. Точка отделяет собственно имя от расширения. Имя файла может состоять из латинских букв, цифр 0 – 9, некоторых других символов, и не может содержать пробел. В Windows поддерживаются длинные имена файлов (от 1 до 255 символов), имя может содержать пробелы. При использовании файловых систем HPFS и NTFS имя файла может содержать несколько точек.

     В именах файлов нельзя использовать символы  “ * ” и “ ? ”, так как они используются в масках имен при поиске файлов.

     Расширение  имени необходимо для определения  типа файла и связывания файла  с определенной программой, с помощью  которой он может быть открыт. Хотя имя файла может и не иметь  расширения.

     Различают следующие типы файлов:

1. Текстовые файлы. Текстовые файлы могут содержать простой или размеченный текст, в кодировке ASCII, ANSI или UNICODE. Текст без разметки содержит только отображаемые символы и простейшие управляющие символы (возврат каретки и табуляции). Размеченный текст содержит бинарную и символьную разметку (межстрочный интервал, новая страница и т.п.), может содержать таблицы и рисунки;
2. Графические файлы – файлы, содержащие точечные или векторные изображения;
3. Файлы мультимедиа – различают файлы содержащие оцифрованный звук (файлы аудио) и фалы видео (содержат изображение и звук);
4. Исполняемые файлы – программы готовые к исполнению (файлы с расширением exe и com).
5. Архивные файлы – файлы архивов rar, tar, zip, cab и т.п.
6. Файлы библиотек – файлы с расширением DLL, OCX и LIB;
7. Файлы данных – бинарные или текстовые файлы с различным расширением, используемые программами во время работы.

     Информация  о логической организации физического  жесткого диска 

     (числе  логических дисков, их размере)  расположена в главной загрузочной записи (MBR). MBR расположена в самом первом секторе жесткого диска и не входит в структуру файловой системы.

     В операционных системах семейства UNIX разделение на логические диски отсутствует, а используется понятие корневого каталога файловой системы. Спецификация обращения к файлу выглядит следующим образом:

     /путь/имя  файла.тип

     В операционной системе RSX (RSX-11) дисковые устройства идентифицируются кодами: групповой идентификатор, порядковый номер в группе, двоеточие (например, DKx, DMx или DPx). Спецификация обращения к файлу выглядит следующим образом:

     устройство:[g,n] имя.расширение

     где:

     устройство  – идентификатор устройства (DKx, DMx, DPx – магнитные диски; MTx – магнитные ленты; ТТх – терминал ЭВМ, LPx - принтер);

     [g,n] – каталог.

     Современные операционные системы имеют возможность  работать с несколькими файловыми  системами одновременно. Прежде чем  операционная система сможет использовать файловую систему, она должна выполнить  над этой системой операцию, называемую монтированием. В общем случае операция монтирования включает следующие шаги:

1. Проверку типа монтируемой файловой системы; проверку целостности файловой системы;
2. Считывание системных структур данных и инициализацию соответствующего модуля файлового менеджера (драйвера файловой системы). В некоторых случаях — модификацию файловой системы с тем, чтобы указать, что она уже смонтирована;
3. Включение новой файловой системы в общее пространство имен. Многие пользователи MS DOS никогда не сталкивались с понятием монтирования. Дело в том, что эта система (как и многие другие ДОС, например RT-11) выполняет упрощенную процедуру монтирования при каждом обращении к файлу.

 

     2. Файловая система FAT

 

     Файловая  система FAT представляет собой таблицу размещения файлов, в которой указываются:

1. непосредственно адреса участков логического диска, предназначенные для размещения файлов;
2. свободные области дискового пространства;
3. дефектные области диска.

     В этой таблице каждому блоку, предназначенному для хранения данных, соответствует 16-битовое значение. Если блок свободен, то значение будет нулевым. Если же блок принадлежит файлу, то значение равно адресу следующего блока этого  файла. Если это последний блок в  файле, то значение — OxFFF (рис. 2). Существует также специальный код для обозначения плохого блока, не читаемого из-за дефекта физического носителя. В каталоге хранится номер первого блока и длина файла, измеряемая в байтах. Емкость диска при использовании 12-битовой FAT ограничена 4096 блоками (2 Мбайт), что приемлемо для дискет, но совершенно не годится для жестких дисков и других устройств большой емкости. На таких устройствах DOS использует FAT с 16-битовыми элементами. На еще больших (более 32 Мбайт) дисках DOS выделяет пространство не блоками, а кластерами из нескольких блоков.

 

     

     Рис. 2 Структура файловой системы FAT

     В таблице FAT кластеры, принадлежащие файлу или каталогу, связываются в цепочки. В 16-разрядной FAT можно иметь до 65536 кластеров. В операционных системах Windows NT/2000/XP разделы FAT могут иметь до 4097 Мб. В этом случае кластер занимает 128 секторов диска.

     Логическое  объединение секторов в кластеры позволяет уменьшить размер таблицы  FAT и ускорить доступ к файлу. Однако слишком большой размер кластера приводит к неэффективному использованию области данных, особенно при большом количестве маленьких файлов. Например, при размере кластера в 32 сектора (16 Кб) средняя величина потерь на файл составляет 8 Кб. Поэтому в современных файловых системах размер кластера не превышает 4 Кб.

     Поскольку файлы на диске подвержены изменению (удаляются, перемещаются, увеличиваются  или уменьшаются), то выделение первого  свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов. Данные одного файла могут располагаться  не в смежных кластерах, а в  удаленных друг от друга.

     Таблица FAT является основой данной файловой системы, поэтому она хранится на диске в двух экземплярах. Обновляются  копии FAT одновременно, а для работы используется только первый экземпляр. Если он окажется поврежденным, то произойдет обращение ко второму экземпляру. Утилиты проверки и восстановления файловой системы при обнаружении несоответствия первичной и резервной таблицы FAT осуществляет восстановление основной таблицы, используя данные из её копии.

     Система FAT очень проста и имеет одно серьезное достоинство: врожденную устойчивость к сбоям. В то же время у нее есть и ряд серьезных недостатков. Первый недостаток состоит в том, что при каждой операции над файлами система должна обращаться к FAT. Это приводит к частым перемещениям головок дисковода и в результате к резкому снижению производительности. Действительно, исполнение программы на одной и той же машине под MS DOS и под DOS-эмулятором систем UNIX или OS/2 различается по скорости почти в 1,5 раза. Особенно это заметно при архивировании больших каталогов.

     Файловая  система FAT 16 может иметь не более 65535 кластеров на логический диск, и это приводит к ограничению размера логического диска. С увеличением размера диска приходится увеличивать размер кластеров, что приводит к крайне неэффективному и бесполезному расходу дискового пространства.

     В файловой системе FAT дисковое пространство логического диска делится на системную область и область данных. Системная область создается и инициализируется при форматировании диска, а в последующем обновляется при работе. Область данных содержит файлы и каталоги, которые образуют на диске иерархическое дерево каталогов, с единственной директорией не входящей в другие – корневым каталогом. Область данных доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область содержит загрузочную запись, зарезервированные сектора, таблицу размещения файлов и корневой каталог. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится справочная информация. Каждый элемент такого справочника занимает 32 байта и содержит: имя файла или каталога, расширение имени файла, атрибуты файла – системный, архивный, только для чтения и др., дату и время создания и последнего изменения файла, номер начального кластера, размер файла.

 

     3. Файловая система  FAT 32

 

     По  мере развития операционных систем к 16-разрядной  FAT добавились ещё две файловые системы, используемые в широко распространенных операционных системах от Microsoft: VFAT (виртуальная система FAT), используемая в Windows 95 и Windows NT, и FAT 32 используемая в Windows 98 и одной из версий Windows 95 (OEM Service Release 2, она же Windows 95 OSR2). В настоящее время файловая система FAT 32 поддерживается современными операционными системами

     Windows ME/2000/XP. Имеются реализации FAT 32 для Windows NT и Linux.

     Файловая  система VFAT впервые появилась в Windows 3.11 (Windows for Workgroups). С появлением Windows 95 в VFAT добавилась поддержка длинных имен файлов.

     Файловая  система VFAT имеет совместимость с FAT 16. Поэтому при работе с VFAT необходимо использовать утилиты обслуживающие именно её. Более ранние файловые утилиты DOS запросто модифицируют то, что кажется им исходной структурой FAT. Это может привести к потере длинных имен файлов. Основными недостатками файловых систем FAT 16 и VFAT, которые привели к необходимости создания новой файловой системы, являются большие потери на кластеризацию и ограничения на размер логического диска.

     Файловая  система FAT 32 является полностью самостоятельной 32-разрядной файловой системой и имеет более совершенную структуру.

     FAT 32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. Кластеры в этой файловой системе меньше, чем кластеры в предыдущих версиях FAT. Следовательно, для дисков размером до 8 Гб FAT 32 может использовать кластеры размером 4 Кб. Таблица размещения файлов в FAT 32 может содержать до кластеров (в 32-разрядном коде, используемом для представления номера кластера, фактически используются только 28 разрядов). Система FAT 32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись позволяет создавать копии важных структур данных. Это повышает устойчивость файловой системы к нарушениям структуры таблицы размещения данных. Корневой каталог представлен в виде обычной цепочки кластеров и может находиться в произвольном месте диска. Файловая система FAT 32 имеет ряд усовершенствований структуры корневого каталога. Для представления длинных имен используются элементы корневого каталога.

     Для этого число файлов в нем увеличено  с 512 до 2048. Кроме того, для того чтобы  снизить расход элементов каталога на описание файлов с длинными именами, рекомендуется не давать файлам слишком  длинные имена.