Файл: А. В. Гордеев А. Ю. Молчанов системное программное обеспечение электронный вариант книги издательства Питер СанктПетербург Челябинск юургу каф. Автоматика и управление 2002 2 Предисловие Настоящий учебник.pdf

194
тельский интерфейс DOS. Системная область состоит из следующих компонентов,
расположенных в логическом адресном пространстве подряд:
♦ загрузочной записи (boot record, BR);
♦ зарезервированных секторов (reserved sector, ResSecs);
♦ таблицы размещения файлов (file allocation table, FAT);
♦ корневого каталога (root directory, RDir).
Таблица размещения файлов
Таблица размещения файлов является очень важной информационной струк- турой. Можно сказать, что она представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных. Область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представляет собой один или не- сколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (точнее
– только в области данных). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (некорневому каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кла- стера и системе управления файлами FAT-16 используется 16-битовое слово, сле- довательно, можно иметь до 2 16
= 65536 кластеров (с номерами от 0 до 65535).
Кластер – это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому каталогу). Файл или каталог занимает целое число кла- стеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что приведет к заметной потере дискового пространства при большом размере класте- ра. На дискетах кластер занимает один или два сектора, а на жёстких дисках – в за- висимости от объёма раздела (см. табл. 4.3).
Таблица 4.3. Соотношения между размером раздела и размером кластеров в FAT16
Ёмкость раздела,
Мбайт
Количество секторов
в кластере
Размер кластеров,
Кбайт
16-127
4
2
128-255
8
4
256-511
16
8
512-1023
32
16
1024-2047
64
32

195
Номер кластера всегда относится к области данных диска (пространству, заре- зервированному для файлов и подкаталогов). Первый допустимый номер кластера всегда начинается с 2. Номера кластеров соответствуют элементам таблицы раз- мещения файлов.
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 це- почек фрагментов дискового пространства, выделенных для него.
Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использо- ванию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов.
Как мы только что заметили, в среднем на каждый файл теряется около половины кластера. Из табл. 4.3 следует, что при размере кластера в 32 сектора (объем разде- ла – от 512 Мбайт до 1023 Мбайт), то есть 16 Кбайт, средняя величина потерь на файл составит 8 Кбайт, и при числе файлов в несколько тысяч
1 потери могут со- ставлять более 100 Мбайт. Поэтому в современных файловых системах (к ним,
прежде всего, следует отнести HPFS, NTFS, FAT32 и некоторые другие, поддержи- ваемые ОС семейства UNIX) размеры кластеров ограничиваются (обычно – от 512
байт до 4 Кбайт). В FAT32 проблема решается за счёт того, что собственно сама
FAT в этой файловой системе может содержать до 2 28 кластеров
2
. Наконец, заме- тим, что системы управления файлами, созданные для Windows 9x и Windows NT,
могут работать с разделами размером до 4 Гбайт, на которых установлена система
FAT, тогда как DOS, естественно, с такими разделами работать не сможет.
Достаточно наглядно идея файловой системы с использованием таблицы раз- мещения файлов FAT проиллюстрирована рис.4.7. Из этого рисунка видно, что
1
Например, число 10 000-15 000 файлов (или даже более, особенно когда файлы небольшого размера) на логическом диске с объёмом в 1000 Мбайт встречается достаточно часто.
2
В файловой системе FAT32 в 32-битовом слове, используемом для представления номера кластера, фактически учитываются только 28 разрядов, что приводит к тому, что длина FAT в этой системе не может превышать 2 28
эле- ментов.

196
файл с именем MYFILE.TXT размещается, начиная с восьмого кластера. Всего файл MYFILE.TXT занимает 12 кластеров. Цепочка кластеров (chain) для нашего примера может быть записана следующим образом: 8, 9, 0А, 0В, 15, 16, 17, 19, 1A,
1B, 1C, 1D. Кластер с номером 18 помечен специальным кодом F7 как плохой
(bad), он не может быть использован для размещения данных. При форматирова- нии обычно проверяется поверхность магнитного диска, и те секторы, при кон- трольном чтении с которых происходили ошибки, помечаются в FAT как плохие.
Кластер 1D помечен кодом FF как конечный (последний в цепочке) кластер, при- надлежащий данному файлу. Свободные (незанятые) кластеры помечаются кодом
00; при выделении нового кластера для записи файла берется первый свободный кластер. Поскольку файлы на диске изменяются – удаляются, перемещаются, уве- личиваются или уменьшаются, – то упомянутое правило выделения первого сво- бодного 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.
32>32>

197
В связи с чрезвычайной важностью FAT она обычно хранится в двух идентич- ных экземплярах, второй из которых непосредственно следует за первым. Об- новляются копии FAT одновременно. Используется же только первый экземпляр.
Если он по каким-либо причинам окажется разрушенным, то произойдет обраще- ние ко второму экземпляру. Так, например, утилита проверки и восстановления файловой структуры ScanDisk из ОС Windows 9x при обнаружении несоответствия первичной и резервной копии FAT предлагает восстановить главную таблицу, ис- пользуя данные из копии. Упомянутый корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он, помимо размещения в фиксированном месте логического диска, ещё имеет и фиксированное число элементов. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится информация в соответствии со структурой, изобра- женной в табл.4.4.
Таблица 4.4. Элемент каталога
Размер поля данных, байт
Содержание поля
11
Имя файла или каталога
1
Атрибуты файла
1
Резервное поле
3
Время создания
2
Дата создания
2
Дата последнего доступа
2
Зарезервировано
2
Время последней модификации
2
Дата последней модификации
2
Номер начального кластера в FAT
4
Размер файла

198
Структура системы файлов является иерархической. Это иллюстрируется рис.4.8, из которого видно, что элементом каталога может быть такой файл, кото- рый сам, в свою очередь, является каталогом.
Рис.4.8. Структура системы файлов
Структура загрузочной записи DOS
Сектор, содержащий загрузочную запись, является самым первым на логиче- ском диске (на дискете – имеет физический адрес [0-0-1]). Boot Record состоит, как мы уже знаем, из двух частей – disk parameter block (DPB) и system bootstrap (SB).
Структура блока параметров диска (DPB) служит для идентификации физического и логического форматов логического диска, а загрузчик system bootstrap играет су- щественную роль в процессе загрузки DOS. Эта информационная структура приве- дена в табл. 4.5.
Первые два байта boot record занимает JMP – команда безусловного перехода в программу SB. Третий байт содержит код 90Н (NOP – нет операции). Далее рас- полагается восьмибайтовый системный идентификатор, включающий информацию о фирме-разработчике и версии операционной системы. Затем следует DPB, a по- сле него – SB.
Идентификатор
дисковода
Корневой каталог
(метка тома)
Файл А
Каталог
Файл B
Каталог
Файл C
Файл D
Каталог
Файл E

199
Таблица 4.5. Структура загрузочной записи Boot Record для FAT16
Смещение поля,
байт
Длина поля,
байт
Обозначение поля
Содержимое поля
00Н(0)
3
JUMP 3EH
Безусловный переход на начало SB
0ЗН(З)
8
Системный идентификатор
0ВН(11)
2
SectSize
Размер сектора, байт
0DH (13)
1
ClastSize
Число секторов в кластере
0ЕН (14)
2
ResSecs
Число зарезервированных секторов
10Н (16)
1
FATcnt
Число копий FAT
11Н (17)
2
RootSize
Максимальное число элементов Rdir
13Н (19)
2
TotSecs
Число секторов на логическом диске, если его
размер не превышает 32 Мбайт, иначе 0000Н
15Н (21)
1
Media
Дескриптор носителя
16Н (22)
2
FATsize
Размер FAT, секторов
18Н (24)
2
TrkSecs
Число секторов на дорожке
1АН (26)
2
HeadCnt
Число рабочих поверхностей
1СН (28)
4
HidnSecs
Число скрытых секторов
20Н (32)
4
Число секторов на логическом диске, если его
размер превышает 32 Мбайт
24Н (36)
1
Тип логического диска (00Н – гибкий, 80Н – жест-
кий)
25Н (37)
1
Пусто (резерв)
26Н (38)
1
Маркер с кодом 29Н
27Н (39)
4
Серийный номер тома
2ВН (43)
11
Метка тома
36Н(54)
8
Имя файловой системы
3ЕН (62)
System bootstrap
1FEH(510)
2
Сигнатура (слово АА55Н)
Для работы с загрузочной записью удобно использовать широко известную утилиту Disk Editor из комплекта утилит Питера Нортона. Эта утилита снабжена встроенной системой подсказок и необходимой справочной информацией. Исполь- зуя её, можно сохранять, модифицировать и восстанавливать загрузочную запись, а также выполнять много других операций. Достаточно подробно работа с этой ути- литой описана в книге [9].

200
Таблица 4.6. Структура загрузочной записи boot record для FAT32
Смещение поля, байт
Длина поля,
байт
Обозначение
поля
Содержимое поля
00Н (0)
3
JUMP ЗЕН
Безусловный переход на начало SB
03Н (3)
8
Системный идентификатор
0ВН (11)
2
SectSize
Размер сектора, байт
0DH (13)
1
ClastSize
Число секторов в кластере
0ЕН (14)
2
ResSecs
Число зарезервированных секторов,
для FAT32 равно 32
10Н (16)
1
FATcnt
Число копий FAT
11Н(17)
2
RootSize
0000Н
13Н (19)
2
TotSecs
0000H
15Н(21)
1
Media
Дескриптор носителя
16Н (22)
2
FATsize
0000Н
18Н (24)
2
TrkSecs
Число секторов на дорожке
1АН (26)
2
HeadCnt
Число рабочих поверхностей
1СН(28)
4
HidnSecs
Число скрытых секторов (располагаются перед загру-
зочным сектором). Используется при загрузке для вы-
числения абсолютного смещения корневого каталога и
данных
20Н(32)
4
Число секторов на логическом диске
24Н(36)
4
Число секторов в таблице FAT
28Н(37)
2
Расширенные флаги
2АН (38)
2
Версия файловой системы
2СН (39)
4
Номер кластера для первого кластера корневого
Каталога
34Н(43)
2
Номер сектора с резервной копией загрузочного
Сектора
36Н (54)
12
Зарезервировано
Загрузочные записи других операционных систем отличаются от рассмотрен- ной. Так, например, в загрузочном секторе для тома с FAT32 в блоке DPB содер- жатся дополнительные поля, а те поля, что находятся в привычном для системы
FAT16 месте, перенесены. Поэтому ОС, в которой имеется возможность работать с файловой системой FAT16, но нет системы управления файлами, понимающей спецификации FAT32, не может читать данные с томов, отформатированных под файловую систему FAT32. В загрузочном секторе для файловой системы FAT32
по-прежнему байты 00Н по 0АН содержат команду перехода и OEM ID, а в байтах

201 0ВН по 59Н содержатся данные блока DPB. Отличие заключается именно в не- сколько другой структуре блока DPB; его содержимое приведено
1
в табл. 4.6.
Файловые системы VFAT и FAT32
Одной из важнейших характеристик исходной FAT было использование имён файлов формата «8.3», в котором 8 символов отводится на указание имени файла и
3 символа – для расширения имени. К стандартной FAT (имеется в виду прежде всего реализация FAT16) добавились ещё две разновидности, используемые в ши- роко распространенных операционных системах Microsoft (конкретно – в Windows
95 и Windows NT): VFAT (виртуальная FAT) и FAT32, используемая в одной из редакций ОС Windows 95 и Windows 98. Ныне эта файловая система (FAT32) под- держивается и такими ОС, как Windows Millennium Edition, и всеми ОС семейства
Windows 2000. Имеются реализации систем управления файлами для FAT32, Win- dows NT и ОС Linux.
Файловая система VFAT впервые появилась в Windows for Workgroups 3.11 и была предназначена для выполнения файлового ввода/вывода в защищённом ре- жиме (см. раздел «Реальный и защищенный режимы работы процессора», глава 3).
С выходом Windows 95 в VFAT добавилась поддержка длинных имён файлов (long file name, LFN). Тем не менее, VFAT сохраняет совместимость с исходным вариан- том FAT; это означает, что наряду с длинными именами в ней поддерживаются имена формата «8.3», а также существует специальный механизм для преобразова- ния имен «8.3» в длинные имена, и наоборот. Именно файловая система VFAT
поддерживается исходными версиями Windows 95, Windows NT 4. При работе с
VFAT крайне важно использовать файловые утилиты, поддерживающие VFAT во- обще и длинные имена в частности. Дело в том, что более ранние файловые утили- ты DOS запросто модифицируют то, что кажется им исходной структурой FAT.
Это может привести к потере или порче длинных имен из таблицы FAT, поддержи- ваемой VFAT (или FAT32). Следовательно, для томов VFAT необходимо пользо-
1
Поскольку файловая система FAT32 нынче имеет очень широкое распространение, мы считаем, что информация,
приведенная в табл. 4.6, может быть полезна.

202
ваться файловыми утилитами, которые понимают и сохраняют файловую структу- ру VFAT.
В исходной версии Windows 95 основной файловой системой была 32–разряд- ная VFAT. VFAT может использовать 32-разрядные драйверы защищённого режи- ма или 16-разрядные драйверы реального режима. При этом элементы FAT остают- ся 12- или 16-разрядными, поэтому на диске используется та же структура данных,
что и в предыдущих реализациях FAT. VFAT обрабатывает все обращения к жёст- кому диску и использует 32-разрядный код для всех файловых операций с диско- выми томами.
Основными недостатками файловых систем FAT и VFAT являются большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска. Это привело к разработке новой реализации фай- ловой системы с использованием той же идеи использования таблицы FAT. Поэто- му в Microsoft Windows 95 OEM Service Release 2 (эта версия Windows 95 часто на- зывается Windows 95 OSR2) на смену системе VFAT пришла файловая система
FAT32. FAT32 является полностью самостоятельной 32-разрядной файловой сис- темой и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравне- нию с предыдущими реализациями FAT.
Принципиальное отличие заключается в том, что FAT32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. Прежде всего, система FAT32 использует кла- стеры меньшего размера по сравнению с предыдущими версиями, которые ограни- чивались 65 535 кластерами на том (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 ре- зультате по сравнению с дисками FAT 16 экономится значительное дисковое про- странство (в среднем 10-15 %) [53].
FAT32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет создавать копии критических структур данных; это повышает устойчивость дисков
FAT32 к нарушениям структуры FAT по сравнению с предыдущими версиями.