Тема 5. Файловые системы

• Функции файловой системы и иерархия данных • Файловая система FAT • Файловые системы VFAT и FAT32 • Файловая система HPFS • Файловая система NTFS

1. Функции файловой системы и иерархия данных ? Файл – именованный набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответствующие файловые системы. ? Специальное системное программное обеспечение, реали­зующее работу с файлами по принятым спецификациям файловой системы, часто называют системой управления файлами.

? Системы управления файлами предоставляют пользователям возможности: ? создание, удаление, переименование (и др. операции) файлов из своих программ или с помощью специальных управляющих программ, реализующих функции интерфейса пользователя с его данными; ? работа с недисковыми периферийными устройствами как с файлами; ? обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и устройством (и наоборот); ? работа с файлами путем обращений к программным модулям системы управления файлами; ? защита файлов от несанкционированного доступа.

Некоторые операционные системы имеют возможность работать с несколькими файловыми системами. В этом случае говорят о монтируемых файловых системах (монтируемую систему управления файлами можно установить как дополнительную). ? Таким образом, файловая система — это множество именованных наборов данных, организованное по принятым спецификациям, которые определяют способы получения адресной информации, необходимой для доступа к этим файлам. Система управления файлами — это комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной операционной системе.

? При работе с файлами желательно ввести механизмы структурирования. Проще всего организовать иерархические отношения. Для этого используют каталоги (directory). Каталог содержит информацию о данных, организованных в виде файлов, т.е. в каталоге должны содержаться дескрипторы файлов. ? Если файлы организованы на блочном устройстве, то именно с помощью каталога система управления файлами будет находить адреса тех блоков, в которых размещены искомые данные. Каталогом может быть не только специальная системная информационная структура, которую часто называют корневым каталогом, но и сам файл.

? Такой файл-каталог должен иметь специальное системное значение; система управления файлами должна его выделять на фоне обычных файлов. Файл-каталог часто называют подкаталогом (subdirectory). Если файл-каталог содержит информацию о других файлах, то поскольку среди них также могут быть файлы-каталоги, мы получаем возможность строить почти не ограниченную иерархию. ? Введение файлов-каталогов позволяет также решить проблему ограниченного количества элементов в корневом каталоге.

2. Файловая система FAT ? В файловой системе FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) дисковое пространство любого логического диска делится на две области: системную область и область данных.

? Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном пространстве друг за другом): – загрузочной записи (BR); – зарезервированных секторов (ResSec); – таблицы размещения файлов (FAT); – корневого каталога (Root Directory, RDir). ? Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер — это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому каталогу).

? Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер может быть задействован не полностью. На дискетах кластер занимает один или два сектора, а на жестких дисках его размер зависит от объема раздела. ? В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или файлу-каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в файловой системе FAT16 используется 16-разрядное слово, следовательно, можно иметь до 216 = 65 536 кластеров (с номерами от 0 до 65 535).

? Слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов.

Поэтому в современных файловых системах размеры кластеров ограничиваются (обычно от 512 байт до 4 Кбайт), либо предоставляется возможность выбирать размер кластера.

? Различают следующие элементы таблицы FAT, которые помечаются специальными кодами: – Свободный кластер – Зарезервированный кластер – Плохой кластер – Последний кластер в цепочке – Номер следующего кластера в цепочке. ? При выделении нового кластера для записи файла берется первый свободный кластер, это приводит к фрагментации файлов.

? Таблица FAT обычно загружается в оперативную память (в буферы ввода-вывода или в кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно. Если таблица большая, а файловый кэш небольшой, в памяти размещаются только фрагменты этой таблицы, к которым обращались в последнее время. ? Таблица FAT обычно хранится в двух идентичных экземплярах, используется только первый экземпляр. ? Корневой каталог помимо размещения в фиксированном месте логического диска имеет еще и фиксированное число элементов.

? Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится информация: – имя файла или каталога – атрибуты файла – резервное поле – время создания – дата создания – дата последнего доступа – зарезервировано – время последней модификации – дата последней модификации – номер начального кластера в FAT – размер файла

? Для работы с данными на магнитных дисках в системах DOS, которые имеют файловую систему FAT, удобно использовать утилиту Disk Editor из комплекта утилит Питера Нортона. ? Сектор, содержащий системный загрузчик DOS, является самым первым на логическом диске С:. На дискете системный загрузчик размещается в самом первом секторе; его физический адрес равен 0-0-1. Загрузочная запись состоит из двух частей: блока параметров диска и системного загрузчика. Блок параметров диска служит для идентификации физического и логического форматов логического диска, а системный загрузчик необходим в процессе загрузки DOS.

3. Файловые системы VFAT и FAT32 ? Одной из важнейших характеристик исходной файловой системы FAT было использование имен файлов формата 8.3. К стандартной системе FAT добавились еще две разновидности, используемые в ОС от Microsoft (Windows 95 и Windows NT): VFAT (виртуальная система FAT) и система FAT32, используемая в одной из редакций ОС Windows 95 и Windows 98.

? Файловая система VFAT впервые появилась в Windows 3.11 (Windows for Work­groups). С выходом Windows 95 в VFAT добавилась поддержка длинных имен файлов. Наряду с длинными именами в ней поддерживаются имена формата 8.3, а также существует специальный механизм для преобразования имен 8.3 в длинные имена, и наоборот. ? VFAT поддерживается исходными версиями Windows 95, Windows NT 4, Windows 2000 и Windows XP.

Основными недостатками файловых систем FAT и VFAT являются большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска. Поэтому в Microsoft Windows 95 на смену системе VFAT пришла файловая система FAT32. ? Самое принципиальное отличие – FAT32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. Кластеры в этой системе меньше. FAT32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет создавать копии важных структур данных.

? Корневой каталог в FAT32 представлен в виде обычной цепочки кластеров, поэтому он может находиться в произвольном месте диска. ? Ранее требовалось, чтобы вся информация корневого каталога находилась на одном дисковом кластере. При этом каталог мог содержать не более 512 файлов. ? Для представления длинного имени в FAT32 стали использовать элементы каталога, в том числе и корневого, поэтому количество файлов увеличили с 512 до 2048.

Способ представления в VFAT длинного имени. ? Первые 11 байт элементов каталога DOS используются для хранения имени файла. Каждое имя разделяется на две части: первые 8 байтов – собственно имя, последние 3 – символы расширения. ? Если имя файла состоит менее чем из 8 символов, то в элементе каталога оно дополняется символами пробела. Аналогично, расширение может содержать от 0 до 3 символов.

? В 12-том байте элемента каталога хранятся атрибуты файла: – А (Archive – архив); – D (Directory – каталог); – V (Volume – том); – S (System – системный); – H (Hidden – скрытый); – R (Read Only – только для чтения). ? Файл может быть помечен одним или несколькими из указанных атрибутов. ? На дисках FAT12 или FAT16 следующие за именем 10 байт не используются (заполняются нулями и считаются резервными), а на диске с файловой системой FAT32 они содержат самую разную информацию о файле.

? Поля, которые встречаются в элементах каталога для коротких имен форматов FAT12 или FAT16, находятся в тех же местах и в элементах каталога для коротких имен формата FAT32 для совместимости. Для длинного имени файла используется несколько элементов каталога. ? Загрузочная запись для диска с FAT32 занимает не один сектор, как в FAT12 и FAT16, а три.