Файловые системы

3

Содержание

1. Общие сведения о файловых системах

2. Файловая система FAT

3. Файловая система FAT 32

4. Файловая система HPFS

5. Файловая система NTFS

6. Файловая система ОС семейства UNIX

Список литературы

1. Общие сведения о файловых системах

Совокупность каталогов и системных структур данных, отслеживающих размещение файлов на диске и свободное дисковое пространство, называется файловой системой. Основной структурной единицей любой файловой системы является файл и каталог.

Файл - минимальная структурированная именованная последовательность данных. Каталог (папка) является своеобразной объединяющей структурой для расположенных на диске файлов. Каталог может содержать в себе файлы и другие (вложенные) каталоги. Каталоги и файлы образуют на диске древовидную иерархическую структуру - дерево каталогов. Единственный каталог не входящий ни в одну из директорий называется корневым каталогом.

Все файлы в компьютере хранятся на магнитных дисках, которые являются частью его конструкции. Магнитные диски являются устройствами произвольного доступа. В них каждая запись данных имеет свой уникальный адрес, обеспечивающий непосредственный доступ к ней, минуя все остальные записи. Для хранения данных служит диск (пакет из нескольких дисков), покрытый ферромагнитным слоем. Запись на магнитный диск и считывание данных с него осуществляется головками чтения/записи.

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.

Страницы: 1, 2, 3