Понятие об информации

Утилиты формирования дисков первым элементом таблицы разделов всегда делают первичный раздел. Вторым элементом становится расширенный раздел, в котором, в свою очередь, организуется один или несколько логических дисков. При этом создаваемые логические диски помимо известного буквенного именования (диски С:, D:, Е: и т. д.) получают еще и так называемые номера разделов. Диск С: получает в этом случае порядковый номер 1, диск D: — 2, диск Е: — 3, и т. д. Именно номера разделов используются в файле boot.ini, который указывает системному загрузчику Windows NT/2000/XP, где находятся файлы выбранной операционной системы.

_{Файловые системы}

Система управления файлами является основной в абсолютном большинстве современных операционных систем. Все современные операционные системы используют файлы и соответствующее программное обеспечение для работы с ними:

• через файловую систему связываются по данным многие системные обрабатывающие программы.
• с помощью этой системы решаются проблемы централизованного распределения дискового пространства и управления данными.
• пользователи получают более простые способы доступа к своим данным, которые они размещают на устройствах внешней памяти.

Существует большое количество файловых систем, созданных для разных устройств внешней памяти и разных операционных систем. В них используются, соответственно, разные принципы размещения данных на носителе. наиболее распространенные файловые системы, с которыми мы сталкиваемся при работе на персональных компьютерах - системы FAT, FAT32 и NTFS. Знание основных принципов их построения необходимо не только специалисту в области вычислительной техники, но и обычному пользователю. Особенно актуальными становятся знания возможностей файловой системы NTFS, которая сегодня получает все большее распространение. 

Функции файловой системы и иерархия данных

под файлом обычно понимают именованный набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются соответствующие файловые системы. Файловая система предоставляет возможность иметь дело с логическим уровнем структуры данных и операций, выполняемых над данными в процессе их обработки. Именно файловая система определяет способ организации данных на диске или на каком-нибудь ином носителе. Специальное системное программное обеспечение, реализующее работу с файлами по принятым спецификациям файловой системы, часто называют системой управления файлами. Именно системы управления файлами отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступам к файлам и за управление ресурсами, которые используются файлами. Назначение системы управления файлами — предоставление более удобного доступа к данным, организованным как файлы, то есть вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем.

Благодаря системам управления файлами пользователям предоставляются следующие возможности:

1. создание, удаление, переименование (и другие операции) именованных наборов данных (файлов) из своих программ или посредством специальных управляющих программ, реализующих функции интерфейса пользователя с его данными и активно использующих систему управления файлами;
2. работа с недисковыми периферийными устройствами как с файлами;
3. обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и устройством (и наоборот);
4. работа с файлами путем обращений к программным модулям системы управления файлами (часть API ориентирована именно на работу с файлами);
5. защита файлов от несанкционированного доступа.

Файловая система — это множество именованных наборов данных, организованное по принятым спецификациям, которые определяют способы получения адресной информации, необходимой для доступа к этим файлам.

Таким образом, термин файловая система определяет, прежде всего, принципы доступа к данным, организованным в файлы. Тот же термин используют и по отношению к конкретным файлам, расположенным на том или ином носителе данных. А термин система управления файлами следует употреблять по отношению к конкретной реализации файловой системы, то есть это — комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной операционной системе.

Информация, с которой работает человек, обычно структурирована. Это, прежде всего, позволяет более эффективно организовать хранение данных, облегчает их поиск, предоставляет дополнительные возможности в именовании. Аналогично, и при работе с файлами желательно ввести механизмы структурирования. Проще всего организовать иерархические отношения. Для этого достаточно ввести понятие каталога (directory).

Файловая система FAT

Файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) получила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются:

• непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенные для размещения в них файлов или их фрагментов;
• свободные области дискового пространства;
• дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не гарантируют чтение и запись данных без ошибок).

В файловой системе FAT 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 (Boot Record, BR);
• зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec);
• таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT);
• корневого каталога (Root Directory, RDir).

Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы.

Таблица размещения файлов

Таблица размещения файлов является очень важной информационной структурой, она представляет собой адресную карту области данных, в которой описывается и состояние каждого участка области данных, и принадлежность его к тому или иному файловому объекту.

Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представляет собой один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (точнее — только в области данных). Кластер — это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому каталогу). Кластеры введены для того, чтобы уменьшить количество адресуемых единиц в области данных логического диска.

Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может приводить к заметной потере дискового пространства. 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).

Логическое разбиение области данных на кластеры как совокупности секторов взамен использования одиночных секторов имеет следующий смысл:

• прежде всего, уменьшается размер самой таблицы FAT;
• уменьшается возможная фрагментация файлов;
• ускоряется доступ к файлу, так как в несколько раз сокращается длина цепочек фрагментов дискового пространства, выделенных для него.

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

Поскольку файлы на диске изменяются (удаляются, перемещаются, увеличиваются или уменьшаются), то упомянутое правило выделения первого свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов, то есть данные одного файла могут располагаться не в смежных кластерах, а порой в очень удаленных друг от друга, образуя сложные цепочки. Естественно, что это приводит к существенному замедлению работы с файлами.

В связи с тем, что таблица FAT используется при доступе к диску очень интенсивно, она 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, напротив, относительно небольшой, в памяти размещаются только фрагменты этой таблицы, к которым обращались в последнее время.

В связи с чрезвычайной важностью таблицы FAT она обычно хранится в двух идентичных экземплярах, второй из которых непосредственно следует за первым. Обновляются копии FAT одновременно, используется же только первый экземпляр. Если он по каким-либо причинам окажется разрушенным, то произойдет обращение ко второму экземпляру.

Корневой каталог отличается от обычного файла-каталога тем, что он помимо размещения в фиксированном месте логического диска имеет еще и фиксированное число элементов.

Файловая система FAT32

Одной из важнейших характеристик исходной файловой системы FAT было использование имен файлов формата 8.3. К стандартной системе FAT (имеется в виду прежде всего реализация FAT 16) добавилась еще система FAT32, используемая в последней редакции ОС Windows 95 и Windows 98. Ныне файловая система FAT32 поддерживается и такими последними системами, как Windows Millennium Edition, Windows 2000 и Windows XP. Имеются реализации FAT32 и для Windows NT, и для Linux.

Основными недостатками файловых систем FAT, которые привели к разработке новой реализации файловой системы, основанной на той же идее (таблице размещения файлов), являются большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска. Поэтому в Microsoft Windows 95 OEM Service Release 2 на смену системе FAT пришла файловая система FAT32, которая является полностью самостоятельной 32-разрядной файловой системой и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT. Самое принципиальное отличие заключается в том, что FAT32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. Прежде всего, кластеры в этой системе меньше, чем кластеры в предыдущих версиях, в которых могло быть не более 65 535 кластеров на логический диск (соответственно с увеличением размера диска приходилось увеличивать и размер кластеров). Следовательно, даже для дисков размером до 8 Гбайт FAT32 может использовать 4-килобайтные кластеры. В результате по сравнению с дисками FAT16 экономится значительное дисковое пространство (в среднем 10-15 %). В FAT32 проблема решается за счет того, что собственно сама таблица размещения файлов в этой файловой системе может содержать до 2²⁸ кластеров².

FAT32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет создавать копии критически важных структур данных; это повышает устойчивость дисков FAT32 к нарушениям структуры таблицы размещения файлов по сравнению с предыдущими версиями. Корневой каталог в FAT32 представлен в виде обычной цепочки кластеров, следовательно, он может находиться в произвольном месте диска, что снимает действовавшее ранее ограничение на размер корневого каталога (512 элементов).

Вместе с адресными данными в таблице FAT хранятся атрибуты файла. Шесть из восьми указанных разрядов используются DOS. Они перечислены ниже.

□ A (Archive — архив). Показывает, что файл был открыт программой таким образом, чтобы у нее была возможность изменить содержимое этого файла. DOS устанавливает этот разряд при открытии файла

• D (Directory — каталог). Показывает, что данный элемент каталога указывает на подкаталог, а не на файл.
• V (Volume — том). Применяется только к одному элементу каталога в корневом каталоге. В нем собственно и хранится имя дискового тома. Этот атрибут также применяется в случае длинных имен файлов.
• S (System — системный). Показывает, что файл является частью операционной системы или специально отмечен подобным образом прикладной программой, что иногда делается для защиты от копирования.
• Н (Hidden — скрытый). К скрытым относятся также файлы с установленным атрибутом S (системный), которые не отображаются по команде DIR.
• R (Read only — только для чтения). Показывает, что данный файл не подлежит изменению. Разумеется, поскольку это лишь разряд байта, хранящегося на диске, то любая программа может изменить этот разряд и, значит, разрешить изменение соответствующего файла. Этот атрибут в основном используется для примитивной защиты от пользовательских ошибок, то есть он помогает избежать неумышленного удаления или изменения ключевых файлов.

Следует отметить, что файл, помеченный одним или более из указанных выше атрибутов, может иметь вполне определенный смысл. Например, большинство файлов, отмечаемых в качестве системных, отмечаются также атрибутами «скрытый» и «только для чтения». 

Файловая система NTFS

В название файловой системы NTFS (New Technology File System - файловая система новой технологии) входят слова «новая технология». Действительно, файловая система NTFS по сравнению с широко известной FAT 16 (и даже FAT32) содержит ряд значительных усовершенствований и изменений. С точки зрения пользователей файлы по-прежнему хранятся в каталогах, ныне при работе в среде Windows часто называемых папками (folders). Однако в ней появилось много новых особенностей и возможностей.