2.4. Файловые системы

2.4. Файловые системы

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Физическая структура хранения данных представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2. Физическая структура хранения информации

Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). Поскольку нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности и она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения информации является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер FAТ-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайта, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к информации. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Как было сказано ранее, информация на дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска, цилиндра и сектора на дорожке. И контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. А пользователь желает использовать не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому как-то требуется при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести это в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. А для этого необходимо установить правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках. Набор этих правил и называется файловой системой.

Файловая система – это набор соглашений, определяющих организацию данных на носителях информации. Наличие этих соглашений позволяет операционной системе, другим программам и пользователям работать с файлами и каталогами, а не просто с участками (секторами) дисков. Файловая система определяет:

• как хранятся файлы и каталоги на диске;

• какие хранятся сведения о файлах и каталогах;

• как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие – нет;

• формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Для использования дисков, записанных (размеченных) с помощью некоторой файловой системы, операционная система или специальная программа должна поддерживать эту файловую систему.

Файловая система, наиболее распространенная на IBM PC-совместимых компьютерах, была введена еще в начале 80-х годов в операционных системах MS DOS 1.0 и 2.0. Эта файловая система достаточно примитивна, так как она была создана для хранения данных на дискетах. Обычно эта файловая система называется FAT, так как самой важной структурой данных в ней является таблица размещения файлов на диске, по-английски – file allocation table, сокращенно – FAT. Эта таблица содержит информацию о том, какие участки (кластеры) диска свободны, и о цепочках кластеров, образующих файлы и каталоги.

В файловой системе FAT имена файлов и каталогов должны состоять не более чем из 8 символов плюс три символа в расширении имени. Она приводит к значительным потерям (до 20 %) дискового пространства из-за больших размеров кластеров на дисках высокой емкости. Это связано с тем, что в конце последнего кластера файла остается свободное место, в среднем равное половине кластера. А на больших дисках размер кластеров FAT может достигать 32 Кбайт. Таким образом, на диске емкостью 2 Гбайта с 20000 файлов потери составят 320 Мбайт, то есть около 16 %. Наконец, файловая система FAT малопроизводительна, особенно для больших дисков, не приспособлена к многозадачной работе (все операции требуют обращений к таблице размещения файлов, а потому до завершения одной операции нельзя начинать другую).

При разработке Windows 95 фирма Microsoft решила не вводить новую файловую систему, а залатать имеющуюся файловую систему FAT, позволив присваивать файлам и каталогам длинные имена. Эта файловая система стала называться FAT 32. Принятый в Windows 95 подход хорош тем, что позволяет использовать старые диски с файловой системой FAT – на них просто начинают записываться длинные имена. Но все же это решение весьма искусственное, и многие программы – для починки файловой системы дисков, «сжатия» дисков, резервного копирования и т. д., – могут привести к потере длинных имен на диске. FAT 32 поддерживает меньшие размеры кластеров, что позволяет более эффективно использовать дисковое пространство.

При разработке операционной системы Windows NT была создана новая файловая система – NTFS. Она была ориентирована на диски большого объема, содержащие множество файлов, в них приняты существенные меры по обеспечению эффективности хранения данных и контроля доступа к ним. Эта файловая система поддерживает длинные имена файлов. На логических дисках емкостью 1–2 Гбайта файловая система NTFS позволяет хранить в среднем на 10–15 % больше информации, чем FAT. А доступ к файлам в ней осуществляется заметно быстрее, особенно в многозадачной среде.

Разработчики NTFS, не забывая об эффективности, старались также обеспечить надежность файловой системы и восстанавливаемость данных при сбоях. Для этого, в частности, NTFS дублирует всю критически важную информацию и обеспечивает регистрацию всех изменений на дисках в специальном файле регистрации, причем для каждого изменения запоминается и способ его отмены. В результате практически при любых сбоях NTFS автоматически восстанавливается. NTFS также (в отличие от FAT) может работать с логическими дисками и файлами размером более 2 Гбайт – максимальный размер логических дисков и файлов там – 4х1018 байт.

Если файловая система на диске не поддерживается данной операционной системой, то вся информация на этом диске окажется недоступной (при работе в этой операционной системе, естественно). Для таких логических дисков может быть либо вообще не назначена буква (то есть к диску нельзя будет обратиться), либо при любом доступе к диску будет выдаваться сообщение об ошибке.

Таблица 1. Сравнительные характеристики файловых систем

Особая файловая система разработана для компакт-дисков (CD-ROM). Это оказалось необходимым, так как само физическое устройство компакт-дисков не такое, как у жестких дисков или дискет: в них информация записывается не в кольцевых дорожках, а в единственной спиралеобразной дорожке (как у аудиокомпакт-дисков). Эта файловая система называется CDFS.