Файловые системы и системы управления файлами

Для удобства работы пользователю с данными операционная система подменяет физическую структуру хранящихся данных некоторой логической моделью, которая материализуется в виде дерева каталогов, отображаемого на мониторе специальными утилитами типа Windows Explorer или Norton Commander. Базовым элементом этой модели является файл.

Следует напомнить, чтофайл – это именованный набор байт, расположенный в области внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные.

Для управления данными на диске создаются файловые системы, которые определяют 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 система управления файлами в ОС отвечает за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам. Система управления файлами не существует сама по себе – она разрабатывается для работы с конкретной операционной системой.

Таким образом, термин файловая система определяет, прежде всего, принципы доступа к данным, организованным в файлы.

Этот же термин используют и по отношению к конкретным файлам, расположенным на том или ином носителе данных.

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.

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов: обычные файлы, файлы-каталоги, специальные файлы и другие.

Обычные файлы или просто файлы, содержат данные произвольного характера, которые заносит в них пользователь или которые образуются в результате работы системных и пользовательских программ.

Файлы-каталоги, в дальнейшем просто каталоги, содержат информацию о данных, организованных в виде файлов. Другими словами, в каталоге должны содержаться дескрипторы файлов.

Специальные файлы – это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам (применяются в операционных системах UNIX).

Операционная система при работе с диском использует собственную единицу дискового пространства, называемую кластером (cluster).

Логическое объединение дисковых секторов в кластеры происходит при создании файловой системы с целью уменьшения возможной фрагментации файлов и ускорения доступа к ним.

Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого, или логического, форматирования. При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая для работы файловой системы, в том числе:

· информация о доступном и неиспользуемом пространстве;

· о границах областей, отведенных под файлы и каталоги;

· информация о поврежденных областях.

Кроме того, на диск записывается загрузчик ОС – небольшая программа, которая начинает процесс инициализации операционной системы после включения питания или рестарта компьютера.

На каждом разделе диска и логическом диске может создаваться только одна файловая система. При этом на разных логических дисках одного физического диска могут располагаться файловые системы разного типа.

Все разделы одного физического диска после низкоуровневого форматирования имеют одинаковый размер блока, записываемого в один сегмент, и, как правило, равного 512 байт. Однако в результате высокоуровневого форматирования в разных разделах одного и того же диска могут быть установлены файловые системы, в которых кластеры имеют разные размеры.

Современные файловые системы

В настоящее время существует большое количество файловых систем, но наибольшее распространение в персональных компьютерах получили FAT и NTFS благодаря их применению в семействе операционных систем Windows.

Файловая система FAT

Структура логического раздела (логического диска), отформатированного под файловую систему FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов), представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Структура файловой системы FAT на логическом диске

Структура логического диска состоит из следующих областей:

· загрузочный сектор содержит программу начальной загрузки ОС; вид этой программы зависит от типа ОС, которая будет загружаться с этого раздела;

· основная копия FATсодержит информацию о размещении файлов и каталогов по кластерам на диске в области данных;

· резервная копия FAT;

· корневой каталог занимает фиксированную область размером в 32 сектора (16 Кбайт), что позволяет хранить 512 записей о файлах и каталогах, так как каждая запись каталога состоит из 32 байт;

· область данныхизмеряется в кластерах ипредназначена для размещения всех файлов и всех каталогов, кроме корневого каталога.

В таблице FAT количество индексных указателей соответствует количеству кластеров в области данных, а номер индексного указателя равен номеру соответствующего кластера.

Индексный указатель имеет ограниченный размер (в частности: 12 бит в FAT12, 16 бит в FAT16 и 32 бит в FAT32) и может принимать значения, представленные для FAT16 в табл. 2.2.

Таблица 2.2