Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цели урока:
Оборудование: доска, компьютер, компьютерная презентация.
План урока:
Объяснение хода урока.
Актуализация знаний.
Вернемся снова к вопросу о файлах. Вам уже известно, что в файлах на устройствах внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера и все данные. Любому пользователю, работающему на компьютере, приходится иметь дело с файлами.
Работа с файлами на компьютере производится с помощью файловой системы, которая является частью операционной системы.
На этом уроке мы рассмотрим, что такое файлы и файловые системы.
Все программы и данные хранятся в долговременной (внешней) памяти компьютера в виде файлов.
Файл - это определенное количество информации (программа или данные), имеющее имя и хранящееся в долговременной (внешней) памяти.
Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имя файла и расширение, определяющее его тип (программа, данные и т. д.). Собственно имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании.
В различных операционных системах существуют различные форматы имен файлов. В операционной системе MS-DOS собственно имя файла должно содержать не более восьми букв латинского алфавита и цифр, а расширение состоит из трех латинских букв, например: proba.txt
В операционной системе Windows имя файла может иметь до 255 символов, причем допускается использование русского алфавита, например:
Единицы измерения информации.doc
До появления операционной системы Windows 95 на большинстве компьютеров IBM PC работала операционная система MS-DOS, в которой действовали весьма строгие правила присвоения имен файлам. Эти правила называют соглашением 8.3
По соглашению 8.3 имя файла может состоять из двух частей, разделенных точкой. Первая часть может иметь длину до 8 символов, а вторая часть (после точки) - до 3 символов. Вторая часть, стоящая после точки, называется расширением имени.
При записи имени файла разрешается использовать только буквы английского алфавита и цифры. Начинаться имя должно с буквы. Пробелы и знаки препинания не допускаются, за исключением восклицательного знака (!), тильды (~) и символа подчеркивания (_).
После введения в действие операционной системы Windows 95 требования к именам файлов стали существенно мягче. Они действуют и во всех последующих версия операционных систем Windows.
Роль расширения имени файла чисто информационная, а не командная. Если файлу с рисунком присвоить расширение имени ТХТ, то содержимое файла от этого не превратится в текст. Его можно просмотреть в программе, предназначенной для работы с текстами, но ничего вразумительного такой просмотр не даст.
Файловая система. На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется установленной файловой системой.
Файловая система - это система хранения файлов и организации каталогов.
Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) удобно применять одноуровневую файловую систему, когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов. Для отыскания файла на диске достаточно указать лишь имя файла.
Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска файлы организуются в многоуровневую иерархическую файловую систему, которая имеет «древовидную» структуру (имеет вид перевернутого дерева).
Начальный, корневой, каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь, в каждом из них бывают вложенные каталоги 2-го уровня и т. д. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.
Для облегчения понимания этого вопроса воспользуемся аналогией с традиционным «бумажным» способом хранения информации. В такой аналогии файл представляется как некоторый озаглавленный документ (текст, рисунок и пр.) на бумажных листах. Следующий по величине элемент файловой структуры называется каталогом. Продолжая «бумажную» аналогию, каталог будем представлять как папку, в которую можно вложить множество документов, т.е. файлов. Каталог также получает собственное имя (представьте, что оно написано на обложке папки).
Каталог сам может входить в состав другого, внешнего по отношению к нему каталога. Это аналогично тому, как папка вкладывается в другую папку большего размера. Таким образом, каждый каталог может содержать внутри себя множество файлов и вложенных каталогов (их называют подкаталогами). Каталог самого верхнего уровня, который не вложен ни в какие другие, называется корневым каталогом.
А теперь полную картину файловой структуры представьте себе так: вся внешняя память компьютера - это шкаф с множеством выдвижных ящиков. Каждый ящик - аналог диска; в ящике - большая папка (корневой каталог); в этой папке множество папок и документов (подкаталогов и файлов) и т.д. Самые глубоко вложенные папки хранят в себе только документы (файлы) или могут быть пустыми.
Путь к файлу. Для того чтобы найти файл в иерархической файловой структуре необходимо указать путь к файлу. В путь к файлу входят записываемые через разделитель "\" логическое имя диска и последовательность имен вложенных друг в друга каталогов, в последнем из которых находится данный нужный файл.
Например, путь к файлам на рисунке можно записать так:
C:\Рефераты\
C:\Рефераты\Физика\
C:\Рефераты\Информатика\
C:\Рисунки\
Полное имя файла.
Путь к файлу вместе с именем файла называют полным именем файла.
Пример полного имени файлов:
C:\Рефераты\Физика\Оптические явления.doc
C:\Рефераты\Информатика\Интернет.doc
C:\Рефераты\Информатика\Компьютерные вирусы.doc
C:\Рисунки\Закат.jpg
C:\Рисунки\ Зима.jpg
В операционной системе Windows вместо каталогов используется понятие «папка». Папка – это объект Windows, предназначенное для объединения файлов и других папок в группы. Понятие папки шире, чем понятие «каталог».
В Windows на вершине иерархии папок находится папка Рабочий стол. (Следующий уровень представлен папками Мой компьютер, Корзина и Сетевое окружение (если компьютер подключен к локальной сети).
Если мы хотим ознакомиться с ресурсами компьютера, необходимо открыть папку Мой компьютер .
С файлами и папками можно выполнить ряд стандартных действий.
Такие действия с файлами, как «создать», «сохранить», «закрыть» можно выполнить только в прикладных программах («Блокнот», «Paint», …).
Действия «открыть», «переименовать», «переместить», «копировать», «удалить» можно выполнить в системной среде.
Графический интерфейс Windows позволяет производить операции над файлами с помощью мыши с использованием метода Drag&Drop (тащи и бросай). Существуют также специализированные приложения для работы с файлами, так называемые файловые менеджеры.
Вопросы и задания:
1. Запишите полные имена всех файлов
C:\Мои документы\Иванов\QBasic.doc
C:\Мои документы\Петров\Письмо.txt
C:\Мои документы\Петров\Рисунки\Море.bmp
C:\Фильмы\Интересный фильм.avi
2. Постройте дерево каталогов
C:\Рисунки\Природа\Небо.bmp
C:\Рисунки\Природа\Снег.bmp
C:\Рисунки\Компьютер\Монитор.bmp
C:\Мои документы\Доклад.doc
Сегодня на практической части мы будем работать с файлами. Научимся их открывать, копировать, перемещать, переименовывать и удалять. Для работы будем использовать окно Мой компьютер.
Окно Мой компьютер используется для просмотра содержимого компьютера, подключенных к нему устройств, запоминающих устройств со съемными носителями, для выполнения различных операций с хранящимися на его дисках папками и файлами. Ссылки на задачи в левой области окна этой папки позволяют просматривать сведения о компьютере, изменять системные параметры на панели управления и выполнять другие процедуры системного управления.
Чтобы открыть окно Мой компьютер, нажмите кнопку Пуск и выберите в правом столбце меню команду Мой компьютер. Так же можно воспользоваться значком на рабочем столе.
В окне Мой компьютер можно отобразить панели инструментов: Обычные кнопки, Адресная строка, Ссылки, выбрав одноименные команды в меню Вид, Панели инструментов.
Панель инструментов Обычные кнопки
Кнопки панели инструментов Обычные кнопки позволяют выполнить часто используемые команды без раскрытия меню, что сокращает время на выполнение операции.
Кнопки панели инструментов Обычные кнопки имеют следующее назначение:
Диафильм - используется для просмотраü папок с изображениями. Изображения располагаются в ряд в виде миниатюрных кадров. Их можно прокручивать, используя кнопки со стрелками влево и вправо. Если щелкнуть какое-либо изображение, на экране появится его увеличенное представление поверх остальных изображений. Если изображение требуется изменить, распечатать или сохранить в другой папке, дважды щелкните его.
Эскизы страниц - отображает в окне миниатюрныеü изображения (эскизы) содержимого графических и видеофайлов, веб-страниц (HTML-файлов). В этом режиме на значке папки Мои рисунки и вложенных в нее папок показаны миниатюрные изображения из четырех файлов данной папки, изменявшихся последними. После щелчка картинки правой кнопкой мыши и выбора команды Просмотр запускается Программа просмотра изображений и факсов, позволяющая увеличить, уменьшить, повернуть и распечатать изображение. Информация кэшируется в файле Thumbs.db, что позволяет не ждать отрисовки содержимого при повторном просмотре папки.
Плитка - отображает файлы и папки в видеü значков рядом друг с другом, как плитки, образующие дорожку. Под именем файла или папки приводятся данные, соответствующие выбранному методу сортировки;
Значки - в окне папки видны значки объектов,ü под ними располагаются имена папок и файлов;
Список - объекты в окне папки сортируются по их названиям в алфавитном порядке. Сначала выводятся имена папок, затем файлов. Значки объектов располагаются в один или несколько столбцов рядом с их названиями;
Таблица - отображает в виде таблицы список объектов, хранящихся вü папке. В столбцах таблицы представлены основные сведениями о папках и файлах: Имя, Размер, Тип, Изменен. Для сортировки в алфавитном порядке данных таблицы, щелкните мышью на заголовке столбца. Для сортировки в обратном порядке повторите операцию;
В окне Мой компьютер откройте папку C:\Наш урок\Фотографии\. В этой папке несколько вложенных папок с фотографиями. Просмотрите их содержимое… Попробуйте изменять вид отображения папок и файлов. Выберите один из файлов и вызвав контекстное меню (провой кнопкой мыши) просмотрите его свойства (тип, размер, дата создания, атрибуты…). Самостоятельно просмотрите свойства диска C:.
А теперь найдите файл с именем C:\WINDOWS\NOTEPAD.EXE и откройте его. Совершенно верно, это программа Блокнот, ярлык которой есть на рабочем столе.
Теперь попробуем копировать файлы из одной папки в другую.
Чтобы выполнить какую-либо операцию с файлом, папкой или группой файлов - их надо выделить. Выделение одиночного файла или папки делается одинарным щелчком мыши. При этом выделенный объект подсвечивается темным цветом. Теперь с выделенным файлом можно делать все, что угодно - «перетянуть» его в другую папку с помощью указателя мыши или вызвать его контекстное меню (щелкнув хвостатую по правой клавише).
Однако бывают случаи, когда нам необходимо работать уже не с одним файлом или папкой, а сразу с несколькими! Значит, и выделять нам придется сразу несколько значков одновременно. Для выделения группы файлов нужно сначала выделить один 1 из них, а затем, нажав клавишу и удерживая ее нажатой, продолжать выделять остальные файлы. Повторный щелчок по выделенному файлу отменяет выделение. Когда группа будет выделена, клавишу можно отпустить. Для выделения нескольких файлов, идущих один за другим, нужно щелкнуть мышью на первом файле в группе, а затем, при нажатой клавише - на последнем. Все файлы, находящиеся между ними, станут выделенными. Можно также выделить файлы, обведя их прямоугольной рамкой при помощи мыши. Это особенно удобно, если вы не используете упорядочение значков.
Наконец, выделить все файлы в папке можно, нажав одновременно клавиши и A (латинская), или с помощью меню Правка/Выделить.
Откройте папку с фотографиями и отодвиньте окно в сторону (уменьшите также его размер) для того чтобы он нам не мешало. Откройте еще одно окно Мой компьютер. В этом окне отройте свою папку, создайте в ней новую папку Фотографии.
Копирование
Копировать файлы из папки в папки (или, к примеру, с жесткого диска на дискету) можно несколькими способами:
Скопируйте себе несколько понравившихся фотографий.
Аналогичным способом можно и переместить файлы из одной папку в другую. Только необходимо не копировать, а вырезать файлы; просто перетаскивать левой кнопкой мыши (если обе папки на одном диске); перетянуть правой кнопкой мыши и выбрать в появившемся меню команду переместить.
Для переименования файла или папки можно выбрать пункт Переименовать Контекстного меню или просто нажать клавишу F2 на вашей клавиатуре. Обратите внимание - если ваш Проводник (Мой компьютер) умеет показывать не только имя файла, но и его расширение, будьте особо внимательны при переименовании. Если имя файла можно менять, то его расширение обязательно должно остаться в неприкосновенности.
Переименуйте скопированные вами файлы.
Для удаления не нужных файлов можно воспользоваться одним из нескольких способов:
И на последок, выполните тоже самое задание, только папка источник будет находится на другом компьютере, например на сервере. Для этого откройте окно Сетевое окружение, выберите слева команду «Отобразить компьютеры рабочей группы», найдите Server и зайдите в открытую для общего доступа папку фотографии на сервере.
Знать, что такое файл, файловая система, уметь находить и открывать файлы, уметь копировать и переименовывать файлы. Учащимся, имеющим компьютеры дома, продолжить осваивать «слепой десятипальцевый метод печати».
Дополнительное задание: узнать, как можно создать дополнительную панель с ярлыками часто используемых вами программ.
Ответы на вопросы учащихся.
Подведение итога урока. Выставление оценок.
На уроке мы познакомились с понятиями файл и файловая система, научились производить основные операции с файлами и папками.
Способность ОС к «экранированию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС - файловой системе . Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла - простой неструктурированной последовательности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги , которые, в свою очередь, образуют группы - каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохранение содержимого.
Чтобы представить большое количество наборов данных, разбросанных случайным образом по цилиндрам и поверхностям дисков различных типов, в виде хорошо всем знакомой и удобной иерархической структуры файлов и каталогов, операционная система должна решить множество задач. Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.
При выполнении своих функций файловая система тесно взаимодействует с подсистемой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью.
Подсистема управления внешними устройствами, называемая также подсистемой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключенным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен. Номенклатура выпускаемых накопителей на жестких, гибких и оптических дисках, принтеров, сканеров, мониторов, плоттеров, модемов, сетевых адаптеров и более специальных устройств ввода-вывода, таких как, например, аналого-цифровые преобразователи, может насчитывать сотни моделей. Эти модели могут существенно отличаться набором и последовательностью команд, с помощью которых осуществляется обмен информацией с процессором и памятью компьютера, скоростью работы, кодировкой передаваемых данных, возможностью совместного использования и множеством других деталей.
Программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учитывающая все его особенности, обычно называется драйвером этого устройства (от английского drive - управлять, вести). Драйвер может управлять единственной моделью устройства, например модемом U-1496E компании ZyXEL, или же группой устройств определенного типа, например любыми Hayes-совместимыми модемами. Для пользователя очень важно, чтобы операционная система включала как можно больше разнообразных драйверов, так как это гарантирует возможность подключения к компьютеру большого числа внешних устройств различных производителей. От наличия подходящих драйверов во многом зависит успех операционной системы на рынке (например, отсутствие многих необходимых драйверов внешних устройств было одной из причин низкой популярности OS/2).
Созданием драйверов устройств занимаются как разработчики конкретной ОС, так и специалисты компаний, выпускающих внешние устройства. Операционная система должна поддерживать хорошо определенный интерфейс между драйверами и остальной частью ОС, чтобы разработчики из компаний-производителей устройств ввода-вывода могли поставлять вместе со своими устройствами драйверы для данной операционной системы.
Прикладные программисты могут пользоваться интерфейсом драйверов при разработке своих программ, но это не очень удобно - такой интерфейс обычно представляет собой низкоуровневые операции, обремененные большим количеством деталей.
Поддержание высокоуровневого унифицированного интерфейса прикладного программирования к разнородным устройствам ввода-вывода является одной из наиболее важных задач ОС. Со времени появления ОС UNIX такой унифицированный интерфейс в большинстве операционных систем строится на основе концепции файлового доступа. Эта концепция заключается в том, что обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер. Здесь мы опять имеем дело со свойством операционной системы подменять реальную аппаратуру удобными для пользователя и программиста абстракциями .
Задачи ОС по управлению файлами и устройствами
Подсистема ввода-вывода (Input-Output Subsystem) мультипрограммной ОС при обмене данными с внешними устройствами компьютера должна решать ряд общих задач, из которых наиболее важными являются следующие:
Организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора;
Согласование скоростей обмена и кэширование данных;
Разделение устройств и данных между процессами;
Обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы;
Поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера;
Поддержка нескольких файловых систем;
Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.
Одной из основных задач операционной системы является предоставление удобств пользователю при работе с данными, хранящимися на дисках. Для этого ОС подменяет физическую структуру хранящихся данных некоторой удобной для пользователя логической моделью. Логическая модель файловой системы материализуется в виде дерева каталогов , выводимого на экран такими утилитами, как Norton Commander или Windows Explorer, в символьных составных именах файлов, в командах работы с файлами. Базовым элементом этой модели является файл , который так же, как и файловая система в целом, может характеризоваться как логической, так и физической структурой.
Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Файлы хранятся в памяти, на зависящей от энергопитания, обычно на магнитных дисках. Однако нет правил без исключения. Одним из таких исключений является так называемый электронный диск, когда в оперативной памяти создается структура, имитирующая файловую систему.
Основные цели использования файла:
Долговременное и надежное хранение информации. Долговременность достигается за счет использования запоминающих устройств, не зависящих от питания, а высокая надежность определяется средствами защиты доступа к файлам и общей организацией программного кода ОС, при которой сбои аппаратуры чаще всего не разрушают информацию, хранящуюся в файлах.
Совместное использование информации. Файлы обеспечивают естественный и легкий способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет наличия понятного человеку символьного имени и постоянства хранимой информации и расположения файла. Пользователь должен иметь удобные средства работы с файлами, включая каталоги-справочники, объединяющие файлы в группы, средства поиска файлов по признакам, набор команд для создания, модификации и удаления файлов. Файл может быть создан одним пользователем, а затем использоваться совсем другим пользователем, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. Эти цели реализуются в ОС файловой системой.
Файловая система (ФС) - это часть операционной системы, включающая:
Совокупность всех файлов на диске;
Наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;
Комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.
Файловая система позволяет программам обходиться набором достаточно простых операций для выполнения действий над некоторым абстрактным объектом, представляющим файл. При этом программистам не нужно иметь дело с деталями действительного расположения данных на диске, буферизацией данных и другими низкоуровневыми проблемами передачи данных с долговременного запоминающего устройства. Все эти функции файловая система берет на себя. Файловая система распределяет дисковую память, поддерживает именование файлов, отображает имена файлов в соответствующие адреса во внешней памяти, обеспечивает доступ к данным, поддерживает разделение, защиту и восстановление файлов.
Таким образом, файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирующего все сложности физической организации долговременного хранилища данных, и создающего для программ более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляя им набор удобных в использовании команд для манипулирования файлами.
Задачи, решаемые ФС, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом. Самый простой тип - это ФС в однопользовательских и однопрограммных ОС, к числу которых относится, например, MS-DOS. Основные функции в такой ФС нацелены на решение следующих задач:
Именование файлов;
Программный интерфейс для приложений;
Отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
Устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств.
Задачи ФС усложняются в операционных однопользовательских мультипрограммных ОС, которые, хотя и предназначены для работы одного пользователя, но дают ему возможность запускать одновременно несколько процессов. Одной из первых ОС этого типа стала OS/2. К перечисленным выше задачам добавляется новая задача совместного доступа к файлу из нескольких процессов. Файл в этом случае является разделяемым ресурсом, а значит, файловая система должна решать весь комплекс проблем, связанных с такими ресурсами. В частности, в ФС должны быть предусмотрены средства блокировки файла и его частей, предотвращения гонок, исключение тупиков, согласование копий и т. п.
В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя. Еще более сложными становятся функции ФС, которая работает в составе сетевой ОС.
Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов , в число которых, как правило, входят обычные файлы, файлы-каталоги, специальные файлы, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы и другие.
Обычные файлы , или просто файлы, содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство современных операционных систем (например, UNIX, Windows, OS/2) никак не ограничивает и не контролирует содержимое и структуру обычного файла. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает. Например, текстовый редактор создает текстовые файлы, состоящие из строк символов, представленных в каком-либо коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т. п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют коды символов, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например исполняемый код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.
Каталоги - это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо неформальному признаку (например, в одну группу объединяются файлы, содержащие документы одного договора, или файлы, составляющие один программный пакет). Во многих операционных системах в каталог могут входить файлы любых типов, в том числе другие каталоги, за счет чего образуется древовидная структура, удобная для поиска. Каталоги устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для управления файлами. В число таких характеристик входит, в частности, информация (или указатель на другую структуру, содержащую эти данные) о типе файла и расположении его на диске, правах доступа к файлу и датах его создания и модификации. Во всех остальных отношениях каталоги рассматриваются файловой системой как обычные файлы.
Специальные файлы - это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода посредством обычных команд записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются операционной системой в команды управления соответствующим устройством.
Современные файловые системы поддерживают и другие типы файлов, такие как символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы.
Пользователи обращаются к файлам по символьным именам . Однако способности человеческой памяти ограничивают количество имен объектов, к которым пользователь может обращаться по имени. Иерархическая организация пространства имен позволяет значительно расширить эти границы. Именно поэтому большинство файловых систем имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня (рисунок 2.16).
Рисунок 2.16. Иерархия файловых систем (а – одноуровневая структура, б – древовидная структура, в – сетевая структура)
Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог (рисунок 2.16, б), и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов (рисунок 2.16, в). Например, в MS-DOS и Windows каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX - сетевую. В древовидной структуре каждый файл является листом. Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом , или корнем (root).
При такой организации пользователь освобожден от запоминания имен всех файлов, ему достаточно примерно представлять, к какой группе может быть отнесен тот или иной файл, чтобы путем последовательного просмотра каталогов найти его. Иерархическая структура удобна для многопользовательской работы: каждый пользователь со своими файлами локализуется в своем каталоге или поддереве каталогов, и вместе с тем все файлы в системе логически связаны.
Частным случаем иерархической структуры является одноуровневая организация, когда все файлы входят в один каталог (рисунок 2.16, а).
Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных файловых системах обычно используются три типа имен файлов: простые, составные и относительные.
Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени. До сравнительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так, в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивались схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в файловой системе s5, поддерживаемой многими версиями ОС UNIX, простое символьное имя не могло содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в этом файле. Поэтому современные файловые системы, а также усовершенствованные варианты уже существовавших файловых систем, как правило, поддерживают длинные простые символьные имена файлов. Например, в файловых сиетемах NTFS и FAT32, входящих в состав операционной системы Windows NT, имя файла может содержать до 255 символов.
В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным каталогам. То есть здесь работает схема «много файлов - одно простое имя». Для однозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.
Полное имя представляет собой цепочку простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла. Таким образом, полное имя является составным, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. Часто в качестве разделителя используется прямой или обратный слеш, при этом принято не указывать имя корневого каталога. На рисунке 2.16, б два файла имеют простое имя main.exe, однако их составные имена /depart/main.ехе и /user/anna/main.exe различаются.
В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие «один файл - одно полное имя». В файловых системах, имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько каталогов, а значит, иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл - много полных имен». В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем.
Файл может быть идентифицирован также относительным именем. Относительное имя файла определяется через понятие «текущий каталог». Для каждого пользователя в каждый момент времени один из каталогов файловой системы является текущим, причем этот каталог выбирается самим пользователем по команде ОС. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, чтобы затем использовать его как дополнение к относительным именам для образования полного имени файла. При использовании относительных имен пользователь идентифицирует файл цепочкой имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла. Например, если текущим каталогом является каталог /user, то относительное имя файла /user/anna/main.exe выглядит следующим образом: anna/ main.exe.
В некоторых операционных системах разрешено присваивать одному и тому же файлу несколько простых имен, которые можно интерпретировать как псевдонимы. В этом случае, так же как в системе с сетевой структурой, устанавливается соответствие «один файл - много полных имен», так как каждому простому имени файла соответствует по крайней мере одно полное имя.
И хотя полное имя однозначно определяет файл, операционной системе проще работать с файлом, если между файлами и их именами имеется взаимно однозначное соответствие. С этой целью она присваивает файлу уникальное имя, так что справедливо соотношение «один файл - одно уникальное имя». Уникальное имя существует наряду с одним или несколькими символьными именами, присваиваемыми файлу пользователями или приложениями. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и предназначено только для операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.
Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты - это информация, описывающая свойства файла. Примеры возможных атрибутов файла:
Тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);
Владелец файла;
Создатель файла;
Пароль для доступа к файлу;
Информация о разрешенных операциях доступа к файлу;
Времена создания, последнего доступа и последнего изменения;
Текущий размер файла;
Максимальный размер файла;
Признак «только для чтения»;
Признак «скрытый файл»;
Признак «системный файл»;
Признак «архивный файл»;
Признак «двоичный/символьный»;
Признак «временный» (удалить после завершения процесса);
Признак блокировки;
Длина записи в файле;
Указатель на ключевое поле в записи;
Длина ключа.
Набор атрибутов файла определяется спецификой файловой системы: в файловых системах разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов. Например, в файловых системах, поддерживающих неструктурированные файлы, нет необходимости использовать три последних атрибута в приведенном списке, связанных со структуризацией файла. В однопользовательской ОС в наборе атрибутов будут отсутствовать характеристики, имеющие отношение к пользователям и защите, такие как владелец файла, создатель файла, пароль для доступа к файлу, информация о разрешенном доступе к файлу.
Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предоставленные для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять - только некоторые. Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходимыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.
Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это сделано в файловой системе MS-DOS (рисунок 2.17, а). На рисунке представлена структура записи в каталоге, содержащая простое символьное имя и атрибуты файла. Здесь буквами обозначены признаки файла: R - только для чтения, А - архивный, Н - скрытый, S - системный.
Рисунок 2.17. Структура каталогов: а - структура записи каталога MS-DOS (32 байта), б - структура записи каталога ОС UNIX
Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, когда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. Такой подход реализован, например, в файловой системе ufs ОС UNIX. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла, так называется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла (рисунок 2.17, б).
В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами. Однако подход, когда имя файла отделено от его атрибутов, делает систему более гибкой. Например, файл может быть легко включен сразу в несколько каталогов. Записи об этом файле в разных каталогах могут содержать разные простые имена, но в поле ссылки будет указан один и тот же номер индексного дескриптора.
Представление пользователя о файловой системе как об иерархически организованном множестве информационных объектов имеет мало общего с порядком хранения файлов на диске. Файл, имеющий образ цельного, непрерывающегося набора байт, на самом деле очень часто разбросан «кусочками» по всему диску, причем это разбиение никак не связано с логической структурой файла, например, его отдельная логическая запись может быть расположена в несмежных секторах диска. Логически объединенные файлы из одного каталога совсем не обязаны соседствовать на диске. Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на реальном устройстве описываются физической организацией файловой системы. Очевидно, что разные файловые системы имеют разную физическую организацию.
Основным типом устройства, которое используется в современных вычислительных системах для хранения файлов, являются дисковые накопители. Эти устройства предназначены для считывания и записи данных на жесткие и гибкие магнитные диски. Жесткий диск состоит из одной или нескольких стеклянных или металлических пластин, каждая из которых покрыта с одной или двух сторон магнитным материалом. Таким образом, диск в общем случае состоит из пакета пластин (рисунок 2.18).
На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические кольца - дорожки (traks), на которых хранятся данные. Количество дорожек зависит от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Когда диск вращается, элемент, называемый головкой, считывает двоичные данные с магнитной дорожки или записывает их на магнитную дорожку.
Рисунок 2.18. Схема устройства жесткого диска
Головка может позиционироваться над заданной дорожкой. Головки перемещаются над поверхностью диска дискретными шагами, каждый шаг соответствует сдвигу на одну дорожку. Запись на диск осуществляется благодаря способности головки изменять магнитные свойства дорожки. В некоторых дисках вдоль каждой поверхности перемещается одна головка, а в других - имеется по головке на каждую дорожку. В первом случае для поиска информации головка должна перемещаться по радиусу диска. Обычно все головки закреплены на едином перемещающем механизме и двигаются синхронно. Поэтому, когда головка фиксируется на заданной дорожке одной поверхности, все остальные головки останавливаются над дорожками с такими же номерами. В тех же случаях, когда на каждой дорожке имеется отдельная головка, никакого перемещения головок с одной дорожки на другую не требуется, за счет этого экономится время, затрачиваемое на поиск данных.
Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин пакета называется цилиндром (cylinder). Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors), или блоками (blocks), так что все дорожки имеют равное число секторов, в которые можно максимально записать одно и то же число байт. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, выражающийся степенью двойки. Чаще всего размер сектора составляет 512 байт. Учитывая, что дорожки разного радиуса имеют одинаковое число секторов, плотность записи становится тем выше, чем ближе дорожка к центру.
Сектор - наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Для того чтобы контроллер мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора. Так как прикладной программе в общем случае нужен не сектор, а некоторое количество байт, не обязательно кратное размеру сектора, то типичный запрос включает чтение нескольких секторов, содержащих требуемую информацию, и одного или двух секторов, содержащих наряду с требуемыми избыточные данные (рисунок 2.19).
Рисунок 2.19. Считывание избыточных данных при обмене с диском
Операционная система при работе с диском использует, как правило, собственную единицу дискового пространства, называемую кластером (cluster). При создании файла место на диске ему выделяется кластерами. Например, если файл имеет размер 2560 байт, а размер кластера в файловой системе определен в 1024 байта, то файлу будет выделено на диске 3 кластера.
Дорожки и секторы создаются в результате выполнения процедуры физического, или низкоуровневого, форматирования диска, предшествующей использованию диска. Для определения границ блоков на диск записывается идентификационная информация. Низкоуровневый формат диска не зависит от типа операционной системы, которая этот диск будет использовать.
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 операционной системы - небольшая программа, которая начинает процесс инициализации операционной системы после включения питания или рестарта компьютера.
Прежде чем форматировать диск под определенную файловую систему, он может быть разбит на разделы. Раздел - это непрерывная часть физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое устройство (используются также названия логический диск и логический раздел). Логическое устройство функционирует так, как если бы это был отдельный физический диск. Именно с логическими устройствами работает пользователь, обращаясь к ним по символьным именам, используя, например, обозначения А, В, С, SYS и т. п. Операционные системы разного типа используют единое для всех них представление о разделах, но создают на его основе логические устройства, специфические для каждого типа ОС. Так же как файловая система, с которой работает одна ОС, в общем случае не может интерпретироваться ОС другого типа, логические устройства не могут быть использованы операционными системами разного типа. На каждом логическом устройстве может создаваться только одна файловая система .
Файловая система позволяет систематизировать программы и данные и организовать упорядоченное управление этими объектами.
На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе ОС Unix. В ОС Unix подсистема ввода-вывода унифицирует способ доступа как к файлам, так и к периферийным устройствам. Под файлом при этом понимают набор данных на диске, терминале или каком-либо другом устройстве.
Файловая система — это функциональная часть операционной системы, обеспечивающая выполнение операций над файлами. Файловая система позволяет работать с файлами и директориями (каталогами) независимо от их содержимого, размера, типа и т. д.
Файловая система – это система управления данными.
Система управления данными – система, пользователи которой освобождаются от большинства операций по физическому манипулированию файлами и могут сосредоточить внимание главным образом на логических свойствах данных.
Файловые системы ОС создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных.
Вся совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними называется файловой структурой. Развитые операционные системы имеют иерархическую — многоуровневую файловую структуру, организованную в виде дерева.
Используется древовидная структура каталогов – дерево каталогов . Заимствована у Unix. Иерархическая структура – структура системы, части (компоненты) которой связаны отношениями включения или подчинения.
Иерархическая структура изображается ориентированным деревом, в котором вершины соответствуют компонентам, а дуги – связям.
дерево каталогов диска G
Ориентированное дерево – это граф с выделенной вершиной (корнем), в котором между корнем и любой вершиной существует единственный путь. При этом возможны два варианта ориентации: либо все пути ориентированы от корня к листьям, либо все пути ориентированы от листьев к корню.
Деревья используются при описании и проектировании иерархических структур.
Корень – начальная позиция, листья – заключительная позиция.
Любой жесткий или магнитооптический диск в процессе форматирования можно разделить на несколько частей и работать с ними как с отдельными (самостоятельными) дисками. Эти части называются разделами или логическими дисками . Разбиение диска на несколько логических дисков может быть необходимо из-за того, что ОС не могут работать с дисками, размер которых превышает определенную величину. Очень удобно хранить данные и пользовательские программы отдельно от системных программ (ОС), ведь ОС может «слететь с компьютера».
Раздел – область диска. Под логическим диском(разделом) в компьютере понимается любой носитель информации, с которым операционная система работает как с единым целым объектом.
Имя диска – обозначение логического диска; запись в корневом каталоге.
Логические диски (разделы) обозначаются латинскими буквами A, B, C, D, E, … (32 буквы от A до Z).
Буквы A, B зарезервированы для обозначения дискет.
С – жесткий диск, обычно с которого производится загрузка ОС.
Остальные буквы – логические диски, компакт-диски и т.д. Максимальное количество логических дисков для ОС Windows – бесконечное.
В таблице разделов указывается расположение начала и конца этого раздела и число секторов в этом разделе (место и размер).
Чтобы обратиться к информации на диске, находящейся в файле, надо знать физический адрес первого сектора (№ поверхности + № дорожки + № сектора), общее количество кластеров, занимаемое данным файлом, адрес следующего кластера, если размер файла больше, чем размер одного кластера
Элементы файловой структуры:
стартовый сектор (начальной загрузки, Boot-сектор);
таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table);
корневой каталог (Root Directory);
область данных (оставшееся свободным дисковое пространство).
Boot -сектор – первый (начальный) сектор диска. Находится на 0- стороне, 0-дорожке.
Boot-сектор содержит служебную информацию:
размер кластера диска (кластер – блок, объединяющий в группу несколько секторов для сокращения размера FAT-таблицы);
местоположение FAT-таблицы (в вoot-секторе находится указатель на то, где расположена FAT-таблица);
размер FAT-таблицы;
количество FAT-таблиц (всегда есть как минимум 2 копии таблицы для обеспечения надежности и безопасности, т.к. разрушение FAT ведет к потере информации и трудно восстанавливается);
адрес начала корневой директории и ее максимальный размер.
В вoot-секторе находится блок начальной загрузки (загрузчик) – загрузочная запись Boot Record.
Загрузчик – обслуживающая программа, которая помещает выполняемую программу в оперативную память и приводит ее в состояние готовности к исполнению.
FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов. В ней определено, какие участки диска относятся к каждому файлу.Область данных диска представлена в ОС как последовательность пронумерованных кластеров.
FAT – это массив элементов, адресующих кластеры области данных диска. Каждому кластеру области данных соответствует один элемент FAT. Элементы FAT служат в качестве цепочки ссылок на кластеры файла в области данных.
FAT состоит из элементов длиной 16 /32/64 бита. Всего в таблице может быть до 65520 таких элементов, каждый из них (кроме первых двух) соответствует кластеру диска. Кластер является той единицей, в которой распределяется пространство в области данных на диске для файлов и каталогов. Первые два элемента таблицы (с номерами 0 и 1) зарезервированы, а каждый из остальных элементов таблицы описывает состояние кластера диска с тем же номером. Элемент может указывать, что кластер свободен, что кластер дефектный, что кластер принадлежит файлу и является последним кластером в файле. Если кластер принадлежит файлу и не является его последним кластером, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера в этом файле.
FAT – крайне важный элемент файловой структуры. Нарушения в FAT могут привести к полной или частичной потери информации на всем логическом диске. Именно поэтому, на диске хранится две копии FAT. Существуют специальные программы, которые контролируют состояние FAT и исправляют нарушения.
Для разных ОС необходимы разные версии FAT
Windows 95 FAT 16, FAT 32
Windows NT (XP) NTFS
Novell Netware TurboFAT
UNIX NFS,ReiserFS
Логическая структура носителя информации
Материал к обзорной лекции № 33
для студентов специальности
«Программное обеспечение информационных технологий»
доцента кафедры ИВТ, к.т.н. Ливак Е.Н.
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФАЙЛАМИ
Основные понятия, факты
Назначение. Особенности файловыхсистем FAT , VFAT , FAT 32, HPFS , NTFS . Файловые системы ОС UNIX (s5, ufs), ОС Linux Ext2FS.Системные области диска (раздела, тома). Принципы размещения файлов и хранения информации о расположении файлов. Организация каталогов. Ограничение доступа к файлам и каталогам.
Навыки и умения
Использование знаний о структуре файловой системы для защиты и восстановления компьютерной информации (файлов и каталогов). Организация разграничения доступа к файлам.
Данные на диске хранятся в виде файлов. Файл - это именованная часть диска.
Для управления файлами предназначены системы управления файлами.
Возможность иметь дело с данными, хранящимися в файлах, на логическом уровне предоставляет файловая система. Именно файловая система определяет способ организации данных на каком-либо носителе данных.
Таким образом, файловая система - это набор спецификаций и соответствующее им программное обеспечение, которые отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и за управлением ресурсами, которые используются файлами.
Система управления файлами является основной подсистемой в абсолютном большинстве современных ОС.
С помощью системы управления файлами
· связываются по данным все системные обрабатывающие программы;
· решаются проблемы централизованного распределения дискового пространства и управления данными;
· предоставляются возможности пользователю по выполнению операций над файлами (создание и т.п.), по обмену данными между файлами и различными устройствами, по защите файлов от несанкционированного доступа.
В некоторых ОС может быть несколько систем управления файлами, что обеспечивает им возможность работать с несколькими файловыми системами.
Постараемся различать файловую систему и систему управления файлами.
Термин «файловая система» определяет принципы доступа к данным, организованным в файлы.
Термин «система управления файлами» относится к конкретной реализации файловой системы, т.е. это комплекс программных модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной ОС.
Итак, для работы с файлами, организованными в соответствии с некоторой файловой системой, для каждой ОС должна быть разработана соответствующая система управления файлами. Эта система УФ будет работать только в той ОС, для которой она создана.
Для семейства ОС Windows в основном используются файловые системы: VFAT , FAT 32, NTFS .
Рассмотрим структуру этих файловых систем.
В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска делится на две области:
· системную область и
· область данных.
Системная область создается и инициализируется при форматировании, а впоследствии обновляется при манипулировании файловой структурой.
Системная область состоит из следующих компонентов:
· загрузочного сектора, содержащего загрузочную запись (boot record );
· зарезервированных секторов (их может и не быть);
· таблицыразмещенияфайлов (FAT, File Allocation Table);
· корневогокаталога (Root directory, ROOT).
Эти компоненты расположены на диске друг за другом.
Область данных содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому.
Область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер - это один или несколько смежных секторов области данных. С другой стороны, кластер - это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу. Т.е. файл или каталог занимает целое число кластеров. Для создания и записи на диск нового файла операционная системаотводит для него несколько свободных кластеров диска. Эти кластеры не обязательно должны следовать друг за другом. Для каждого файла хранится список всех номеров кластеров, которые предоставлены данному файлу.
Разбиение области данных на кластеры вместо использования секторов позволяет:
· уменьшить размер таблицы FAT ;
· уменьшить фрагментацию файлов;
· сокращается длина цепочек файла Þ ускоряется доступ к файлу.
Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов (ведь на каждый файл теряется в среднем полкластера).
В современных файловых системах (FAT 32, HPFS , NTFS ) эта проблема решается за счет ограничения размера кластера (максимум 4 Кбайта)
Картой области данных являетсяТ аблица размещения файлов (File Allocation Table - FAT) Каждый элемент таблицы FAT (12, 16 или 32 бит) соответствует одному кластеру диска и характеризует его состояние: свободен, занят или является сбойным кластером (bad cluster).
· Если кластер распределен какому-либо файлу (т.е., занят), то соответствующий элемент FAT содержит номер следующего кластера файла;
· последний кластер файла отмечается числом в диапазоне FF8h - FFFh (FFF8h - FFFFh);
· если кластер является свободным, он содержит нулевое значение 000h (0000h);
· кластер, непригодный для использования (сбойный), отмечается числом FF7h (FFF7h).
Таким образом, в таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу, связываются в цепочки.
Таблица размещения файлов хранится сразу после загрузочной записи логического диска, ее точное расположение описано в специальном поле в загрузочном секторе.
Она хранится в двух идентичных экземплярах, которые следуют друг за другом. При разрушении первой копии таблицы используется вторая.
В связи с тем, что FAT используется очень интенсивно при доступе к диску, она обычно загружается в ОП (в буфера ввода/вывода или кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно.
Основной недостаток FAT - медленная работа с файлами. При создании файла работает правило - выделяется первый свободный кластер. Это ведет к фрагментации диска и сложным цепочкам файлов. Отсюда следует замедление работы с файлами.
Для просмотра и редактирования таблицы FAT можно использовать утилиту Disk Editor .
Подробнаяинформация о самом файле хранится в другой структуре, которая называется корневым каталогом. Каждый логический диск имеет свой корневой каталог (ROOT, англ. - корень).
Корневой каталог описываетфайлы и другие каталоги. Элементом каталога является дескриптор (описатель) файла.
Дескриптор каждого файла и каталога включает его
· имя
· расширение
· дату создания или последней модификации
· время создания или последней модификации
· атрибуты (архивный, атрибут каталога, атрибут тома, системный, скрытый, только для чтения)
· длину файла (для каталога - 0)
· зарезервированное поле, которое не используется
· номер первого кластера в цепочке кластеров, отведенных файлу или каталогу; получив этот номер, операционная система, обращаясь к таблице FAT, узнает и все остальные номера кластеров файла.
Итак, пользователь запускает файл на выполнение. Операционная система ищет файл с нужным именем, просматривая описания файлов в текущем каталоге. Когда найден требуемый элемент в текущем каталоге, операционная система считывает номер первого кластера данного файла, а затем по таблице FAT определяет остальные номера кластеров. Данные из этих кластеров считываются в оперативную память, объединяясь в один непрерывный участок. Операционная система передает управление файлу, и программа начинает работать.
Для просмотра и редактирования корневого каталога ROOT можно также использовать утилиту Disk Editor .
Файловая система VFAT
Файловая система VFAT (виртуальная FAT ) впервые появилась в Windows for Workgroups 3.11 и была предназначена для файлового ввода/вывода в защищенном режиме.
Используется эта файловая система в Windows 95.
Поддерживается она также и в Windows NT 4.
VFAT - это «родная» 32-разрядная файловая система Windows 95. Ее контролирует драйвер VFAT .VXD .
VFAT использует 32-разрядный код для всех файловых операций, может использовать 32-разрядные драйверы защищенного режима.
НО, элементы таблицы размещения файлов остаются 12- или 16-разрядными, поэтому на диске используется та же структура данных (FAT ). Т.е. формат таблицы VFAT такой же , как и формат FAT .
VFAT наряду с именами «8.3» поддерживает длинные имена файлов . (Часто говорят, что VFAT - это FAT с поддержкой длинных имен).
Основной недостаток VFAT - большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска.
Файловая система FAT 32
Это новая реализация идеи использования таблицы FAT .
FAT 32 - это полностью самостоятельная 32-разрядная файловая система.
Впервые использовалась в Windows OSR 2 (OEM Service Release 2).
В настоящее время FAT 32 используется в Windows 98 и Windows ME .
Она содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT .
1. Намного эффективнее расходует дисковое пространство за счет того, что использует кластеры меньшего размера (4 Кб) - подсчитано, что экономится до 15%.
2. Имеет расширенную загрузочную запись, которая позволяет создавать копии критических структур данных Þ повышает устойчивость диска к нарушениям структур диска
3. Может использовать резервную копию FAT вместо стандартной.
4. Может перемещать корневой каталог, другими словами, корневой каталог может находиться в произвольном месте Þ снимает ограничение на размер корневого каталога (512 элементов, т.к. ROOT должен был занимать один кластер).
5. Усовершенствована структура корневого каталога
Появились дополнительные поля, например, время создания, дата создания, дата последнего доступа, контрольная сумма
По-прежнему для длинного имени файла используется несколько дескрипторов.
Файловая система HPFS
HPFS (High Performance File System ) - высокопроизводительная файловая система.
HPFS впервые появилась в OS/2 1.2 и LAN Manager .
Перечислим основные особенности HPFS.
· Главное отличие - базовые принципы размещения файлов на диске и принципы хранения информации о местоположении файлов. Благодаря этим принципам HPFS имеет высокую производительность и отказоустойчивость, является надежной файловой системой.
· Дисковое пространство в HPFS выделяется не кластерами (как в FAT ), а блоками. В современной реализации размер блока взят равным одному сектору, но в принципе он мог бы быть и иного размера. (По сути дела, блок - это и есть кластер, только кластер всегда равен одному сектору). Размещениефайлов в таких небольших блоках позволяет более эффективно использовать пространство диска , так как непроизводительные потери свободного места составляют в среднем всего (полсектора) 256 байт на каждый файл. Вспомним, что чем больше размер кластера, тем больше места на диске расходуется напрасно.
· Система HPFS стремится расположить файл в смежных блоках, или, если такой возможности нет, разместить его на диске таким образом, чтобы экстенты (фрагменты) файла физически были как можно ближе друг к другу. Такой подход существенно уменьшает время позиционирования головок записи/чтения жесткого диска и время ожидания (задержка между установкой головки чтения/записи на нужную дорожку). Напомним, что в FAT файлу просто выделяется первый свободный кластер.
Экстенты (extent ) - фрагменты файла, располагающиеся в смежных секторах диска. Файл имеет по крайней мере один экстент, если он не фрагментирован, а в противномслучае - несколько экстентов.
· Используется метод сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска информации о местонахождении файлов (каталоги хранятся в центре диска, кроме того, предусмотрена автоматическая сортировка каталогов), что существенно повышает производительность HPFS (в сравнении с FAT ).
· В HPFS предусмотрены специальные расширенные атрибуты файлов, позволяющие управлять доступом к файлам и каталогам .
Расширенные атрибуты (extended attributes , EAs ) позволяют хранить дополнительную информацию о файле. Например, каждому файлу может быть сопоставлено его уникальное графическое изображение (значок), описание файла, комментарий, сведения о владельце файла и т. д.
C труктура раздела HPFS
В начале раздела с установленной HPFS расположено три управляющих блока:
· загрузочный блок (boot block ),
· дополнительный блок (super block ) и
· запасной (резервный) блок (spare block ).
Они занимают 18 секторов.
Все остальное дисковое пространство в HPFS разбито на части из смежных секторов - полосы (band - полоса, лента). Каждая полоса занимает на диске 8 Мбайт.
Каждая полоса и имеет свою собственную битовую карту распределения секторов .Битовая карта показывает, какие секторы данной полосы заняты, а какие - свободны. Каждому сектору полосы данных соответствует один бит в ее битовой карте. Если бит = 1, то сектор занят, если 0 - свободен.
Битовые карты двух полос располагаются на диске рядом, так же располагаются и сами полосы. То есть последовательность полос и карт выглядит как на рис.
Сравним с FAT . Там на весь диск только одна «битовая карта» (таблица FAT ). И для работы с ней приходится перемещать головки чтения/записи в среднем через половину диска.
Именно для того, чтобы сократить время позиционирования головок чтения/записи жесткого диска, в HPFS диск разбит на полосы.
Рассмотрим управляющие блоки .
Загрузочный блок (boot block )
Содержит имя тома, его серийный номер, блок параметров BIOS и программу начальной загрузки.
Программа начальной загрузки находит файл OS 2 LDR , считывает его в память и передает управление этой программе загрузки ОС, которая, в свою очередь, загружает с диска в память ядро OS/2 - OS 2 KRNL . И уже OS 2 KRIML с помощью сведений из файла CONFIG . SYS загружает в память все остальные необходимые программные модули и блоки данных.
Загрузочный блок располагается в секторах с 0 по 15.
Супер Блок (super block )
Содержит
· указатель на список битовых карт (bitmap block list ). В этом списке перечислены все блоки на диске, в которых расположены битовые карты, используемые для обнаружения свободных секторов;
· указатель на список дефектных блоков (bad block list ). Когда система обнаруживает поврежденный блок, он вносится в этот список и для хранения информации больше не используется;
· указатель на группу каталогов (directory band ),
· указатель на файловый узел (F -node ) корневого каталога,
· дату последней проверки раздела программой CHKDSK ;
· информацию о размере полосы (в текущей реализации HPFS - 8 Мбайт).
Super block размещается в 16 секторе.
Резервный блок (spare block)
Содержит
· указатель на карту аварийного замещения (hotfix map или hotfix -areas );
· указатель на список свободных запасных блоков (directory emergency free block list );
· ряд системных флагов и дескрипторов.
Этот блок размещается в 17 секторе диска.
Резервный блок обеспечивает высокую отказоустойчивость файловой системы HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске.
Принцип размещения файлов
Экстенты (extent ) - фрагменты файла, располагающиеся в смежных секторах диска. Файл имеет по крайней мере один экстент, если он не фрагментирован, а в противномслучае - несколько экстентов.
Для сокращения времени позиционирования головок чтения/записи жесткого диска система HPFS стремится
1)расположить файл в смежных блоках;
2)если такой возможности нет, то разместить экстенты фрагментированного файла как можно ближе друг к другу,
Для этого HPFS использует статистику, а также старается условно резервировать хотя бы 4 килобайта места в конце файлов, которые растут.
Принципы хранения информации о расположении файлов
Каждый файл и каталог диска имеет свой файловый узел F-Node . Это структура, в которой содержится информация о расположении файла и о его расширенных атрибутах.
Каждый F-Node занимает один сектор и всегда располагается поблизости от своего файла или каталога (обычно - непосредственно перед файлом или каталогом). Объект F-Node содержит
· длину,
· первые 15 символов имени файла,
· специальную служебную информацию,
· статистику по доступу к файлу,
· расширенные атрибуты файла,
· список прав доступа (или только часть этого списка, если он очень большой); если расширенные атрибуты слишком велики для файлового узла, то в него записывается указатель на них.
· ассоциативную информацию о расположении и подчинении файла и т. д.
Если файл непрерывен, то его размещение на диске описывается двумя 32-битными числами. Первое число представляет собой указатель на первый блок файла, а второе - длину экстента (число следующих друг за другом блоков, принадлежащих файлу).
Если файл фрагментирован, то размещение его экстентов описывается в файловом узле дополнительными парами 32-битных чисел.
В файловом узле можно разместить информацию максимум о восьми экстентах файла. Если файл имеет больше экстентов, то в его файловый узел записывается указатель на блок размещения (allocation block ), который может содержать до 40 указателей на экстенты или, по аналогии с блоком дерева каталогов, на другие блоки размещения.
Структура и размещение каталогов
Для хранения каталогов используется полоса, находящаяся в центре диска .
Эта полоса называетсяdirectory band .
Если она полностью заполнена, HPFS начинает располагать каталоги файлов в других полосах.
Расположение этой информационной структуры в середине диска значительно сокращает среднее время позиционирования головок чтения/записи.
Однако существенно больший (по сравнению с размещением Directory Band в середине логического диска) вклад в производительность HPFS дает использование метода сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска информации о местонахождении файлов.
Вспомним, что в файловой системе FAT каталог имеет линейную структуру, специальным образом не упорядоченную, поэтому при поиске файла требуется последовательно просматривать его с самого начала.
В HPFS структура каталога представляет собой сбалансированное дерево с записями, расположенными в алфавитном порядке.
Каждая запись, входящая в состав дерева, содержит
· атрибуты файла,
· указатель на соответствующий файловый узел,
· информацию о времени и дате создания файла, времени и дате последнего обновления и обращения,
· длине данных, содержащих расширенные атрибуты,
· счетчик обращений к файлу,
· длине имени файла
· само имя,
· и другую информацию.
Файловая система HPFS при поиске файла в каталоге просматривает только необходимые ветви двоичного дерева. Такой метод во много раз эффективнее, чем последовательное чтение всех записей в каталоге, что имеет место в системе FAT .
Размер каждого из блоков, в терминах которых выделяются каталоги в текущей реализации HPFS, равен 2 Кбайт. Размер записи, описывающей файл, зависит от размера имени файла. Если имя занимает 13 байтов (для формата 8.3), то блок из 2 Кбайт вмещает до 40 описателей файлов. Блоки связаны друг с другом посредством списка.
Проблемы
При переименовании файлов может возникнуть так называемая перебалансировка дерева. Создание файла, переименование или стирание может приводить к каскадированию блоков каталогов . Фактически, переименование может потерпеть неудачу из-за недостатка дискового пространства, даже если файл непосредственно в размерах не увеличился. Во избежание этого «бедствия» HPFS поддерживает небольшой пул свободных блоков, которые могут использоваться при «аварии». Эта операция может потребовать выделения дополнительных блоков на заполненном диске. Указатель на этот пул свободных блоков сохраняется в SpareBlock ,
Принципы размещения файлов и каталогов на диске в HPFS :
· информация о местоположении файлов рассредоточена по всему диску, при этом записи каждого конкретного файла размещаются (по возможности) в смежных секторах и поблизости от данных об их местоположении;
· каталоги размещаются в середине дискового пространства;
· каталоги хранятся в виде бинарного сбалансированного дерева с записями, расположенными в алфавитном порядке.
Надежность хранения данных в HPFS
Любая файловая система должна обладать средствами исправления ошибок, возникающих при записи информации на диск. Система HPFS для этого использует механизм аварийного замещения ( hotfix ).
Если файловая система HPFS сталкивается с проблемой в процессе записи данных на диск, она выводит на экран соответствующее сообщение об ошибке. Затем HPFS сохраняет информацию, которая должна была быть записана в дефектный сектор, в одном из запасных секторов, заранее зарезервированных на этот случай. Список свободных запасных блоков хранится в резервном блоке HPFS. При обнаружении ошибки во время записи данных в нормальный блок HPFS выбирает один из свободных запасных блоков и сохраняет эти данные в нем. Затем файловая система обновляет карту аварийного замещения в резервном блоке.
Эта карта представляет собой просто пары двойных слов, каждое из которых является 32-битным номером сектора.
Первый номер указывает на дефектный сектор, а второй - на тот сектор среди имеющихся запасных секторов, который был выбран для его замены.
После замены дефектного сектора запасным карта аварийного замещения записывается на диск, и на экране появляется всплывающее окно, информирующее пользователя о произошедшей ошибке записи на диск. Каждый раз, когда система выполняет запись или чтение сектора диска, она просматривает карту аварийного замещения и подменяет все номера дефектных секторов номерами запасных секторов с соответствующими данными.
Следует заметить, что это преобразование номеров существенно не влияет на производительность системы, так как оно выполняется только при физическом обращении к диску, но не при чтении данных из дискового кэша.
Файловая система NTFS
Файловая система NTFS (New Technology File System) содержит ряд значительных усовершенствований и изменений, существенно отличающих ее от других файловых систем.
Заметим, что за редкими исключениями, с разделами NTFS можно работать напрямую только из Windows NT , хотя и имеются для ряда ОС соответствующие реализации систем управления файлами для чтения файлов из томов NTFS.
Однако полноценных реализаций для работы с NTFS вне системы Windows NT пока нет.
NTFS не поддерживается в широко распространенных ОС Windows 98 и Windows Millennium Edition .
Основные особенности NT FS
· работа на дисках большого объема происходит эффективно (намного эффективнее, чем в FAT );
· имеются средства для ограничения доступа к файлам и каталогам Þ разделы NTFS обеспечивают локальную безопасность как файлов, так и каталогов;
· введен механизм транзакций, при котором осуществляется журналирование файловых операций Þ существенное увеличение надежности;
· сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секторов и/или кластеров;
· имя файла в NTFS, в отличие от файловых систем FAT и HPFS , может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode - 16-битном представлении, которое дает 65535 разных символов. Максимальная длина имени файла в NTFS - 255 символов.
· система NTFS также обладает встроенными средствами сжатия, которые можно применять к отдельным файлам, целым каталогам и даже томам (и впоследствии отменять или назначать их по своему усмотрению).
Структура тома с файловой системой NTFS
Раздел NTFS называется томом (volume ). Максимально возможные размеры тома (и размеры файла) составляют 16 Эбайт (экзабайт 2**64).
Как и другие системы, NTFS делит дисковое пространство тома на кластеры - блоки данных, адресуемые как единицы данных. NTFS поддерживает размеры кластеров от 512 байт до 64 Кбайт; стандартом же считается кластер размером 2 или 4 Кбайт.
Все дисковое пространство в NTFS делится на две неравные части.
Первые 12 % диска отводятся под так называемую MFT-зону - пространство, которое может занимать, увеличиваясь в размере, главный служебный метафайл MFT .
Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой - это делается для того, чтобы MFT-файл по возможности не фрагментировался при своем росте.
Остальные 88 % тома представляют собой обычное пространство для хранения файлов.
MFT (master file table - общая таблица файлов) по сути - это каталог всех остальных файлов диска, в том числе и себя самого. Он предназначен для определения расположения файлов.
MFT состоит из записей фиксированного размера. Размер записи MFT (минимум 1 Кб и максимум 4 Кб) определяется во время форматирования тома.
Каждая запись соответствует какому-либо файлу.
Первые 16 записей носят служебный характер и недоступны операционной системе - они называются метафайлами, причем самый первый метафайл - сам MFT.
Эти первые 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая строго фиксированное положение. Копия этих же 16 записей хранится в середине тома для надежности.
Остальные части MFT-файла могут располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска.
Метафайлы носят служебный характер - каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Метафайлы находятся в корневом каталоге NTFS-тома. Все они начинаются с символа имени «$», хотя получить какую-либо информацию о них стандартными средствами сложно. В табл. приведены основные метафайлы и их назначение.
|
Имя метафайла |
Назначение метафайла |
|
|
$MFT |
Сам Master File Table |
|
|
$MFTmirr |
Копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине тома |
|
|
$LogFile |
Файл поддержки операций журналирования |
|
|
$Volume |
Служебная информация - метка тома, версия файловой системы и т. д. |
|
|
$AttrDef |
Список стандартных атрибутов файлов на томе |
|
|
Корневой каталог |
||
|
$Bitmap |
Карта свободного места тома |
|
|
$Boot |
Загрузочный сектор (если раздел загрузочный) |
|
|
$Quota |
Файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства (этот файл начал работать лишь в Windows 2000 с системой NTFS 5.0) |
|
|
$Upcase |
Файл - таблица соответствия заглавных и прописных букв в именах файлов. В NTFS имена файлов записываются в Unicode (что составляет 65 тысяч различных символов) и искать большие и малые эквиваленты в данном случае - нетривиальная задача |
|
В соответствующей записи MFT хранится вся информация о файле:
· имя файла,
· размер;
· атрибуты файла;
· положение на диске отдельных фрагментов и т. д.
Если для информации не хватает одной записи MFT, то используется несколько записей, причем не обязательно идущих подряд.
Если файл имеет не очень большой размер, то данные файла хранятся прямо в MFT, в оставшемся от основных данных месте в пределах одной записи MFT.
Файл в томе с NTFS идентифицируется так называемой файловой ссылкой (File Reference ), которая представляется как 64-разрядное число.
· номера файла, который соответствует номеру записи в MFT,
· и номера последовательности. Этот номер увеличивается всякий раз, когда данный номер в MFT используется повторно, что позволяет файловой системе NTFS выполнять внутренние проверки целостности.
Каждый файл в NTFS представлен с помощью потоков (streams ), то есть у него нет как таковых «просто данных», а есть потоки.
Один из потоков - это и есть данные файла.
Большинство атрибутов файла - это тоже потоки.
Таким образом, получается, что базовая сущность у файла только одна - номер в MFT, а все остальное, включая и его потоки, - опционально.
Данный подход может эффективно использоваться - например, файлу можно «прилепить» еще один поток, записав в него любые данные.
Стандартные атрибуты для файлов и каталогов в томе NTFS имеют фиксированные имена и коды типа.
Каталог в NTFS представляет собой специальный файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги.
Файл каталога разделен на блоки, каждый из которых содержит
· имя файла,
· базовые атрибуты и
Корневой каталог диска ничем не отличается от обычных каталогов, кроме специальной ссылки на него из начала метафайла MFT.
Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево, как в HPFS.
Количество файлов в корневом и некорневом каталогах не ограничено.
Файловая система NTFS поддерживает объектную модель безопасности NT : NTFS рассматривает каталоги и файлы как разнотипные объекты и ведет отдельные (хотя и перекрывающиеся) списки прав доступа для каждого типа.
NTFS обеспечивает безопасность на уровне файлов; это означает, что права доступа к томам, каталогам и файлам могут зависеть от учетной записи пользователя и тех групп, к которым он принадлежит. Каждый раз, когда пользователь обращается к объекту файловой системы, его права доступа проверяются по списку разрешений данного объекта. Если пользователь обладает достаточным уровнем прав, его запрос удовлетворяется; в противном случае запрос отклоняется. Эта модель безопасности применяется как при локальной регистрации пользователей на компьютерах с NT , так и при удаленных сетевых запросах.
Система NTFS также обладает определенными средствами самовосстановления. NTFS поддерживает различные механизмы проверки целостности системы, включая ведение журналов транзакций, позволяющих воспроизвести файловые операции записи по специальному системному журналу.
При журналировании файловых операций система управления файлами фиксирует в специальном служебном файле происходящие изменения. В начале операции, связанной с изменением файловой структуры, делается соответствующая пометка. Если во время операций над файлами происходит какой-нибудь сбой, то упомянутая отметка о начале операции остается указанной как незавершенная. При выполнении процедуры проверки целостности файловой системы после перезагрузки машины эти незавершенные операции будут отменены и файлы будут приведены к исходному состоянию. Если же операция изменения данных в файлах завершается нормальным образом, то в этом самом служебном файле поддержки журналирования операция отмечается как завершенная.
Основной недостаток файловой системы NTFS - служебные данные занимают много места (например, каждый элемент каталога занимает 2 Кбайт) - для малых разделов служебные данные могут занимать до 25% объема носителя.
Þ система NTFS не может использоваться для форматирования флоппи-дисков. Не стоит пользоваться ею для форматирования разделов объемом менее 100 Мбайт.
Файловая система ОС UNIX
В мире UNIX существует несколько разных видов файловых систем со своей структурой внешней памяти. Наиболее известны традиционная файловая система UNIX System V (s5) и файловая система семейства UNIX BSD (ufs).
Рассмотрим s 5.
Файл в системе UNIX представляет собой множество символов с произвольным доступом.
Файл имеет такую структуру, которую налагает на него пользователь.
Файловая система Unix, это иерархическая, многопользовательская файловая система.
Файловая система имеет древовидную структуру. Вершинами (промежуточными узлами) дерева являются каталоги со ссылками на другие каталоги или файлы. Листья дерева соответствуют файлам или пустым каталогам.
Замечание. На самом деле файловая система Unix не является древообразной. Дело в том, что в системе имеется возможность нарушения иерархии в виде дерева, так как имеется возможность ассоциировать несколько имен с одним и тем же содержимым файла .
Структура диска
Диск разделен на блоки. Размер блока данных определяется при форматировании файловой системы командой mkfs и может быть установлен 512, 1024, 2048, 4096 или 8192 байтов.
Считаем по 512 байт (размер сектора).
Дисковое пространство делится на следующие области (см. рис.):
· загрузочный блок;
· управляющий суперблок;
· массив i -узлов;
· область для хранения содержимого (данных) файлов;
· совокупность свободных блоков (связанных в список);
|
Блокначальной загрузки |
|
Суперблок |
|
i - узел |
|
. . . |
|
i - узел |
Замечание. Для файловой системы UFS - все это для группы цилиндров повторяется (кроме Boot -блока) + выделена специальная область для описания группы цилиндров
Блок начальной загрузки
Блок размещен в блоке №0. (Вспомним, что размещение этого блока в нулевом блоке системного устройства определяется аппаратурой, так как аппаратной загрузчик всегда обращается к нулевому блоку системного устройства. Это последний компонент файловой системы, который зависит от аппаратуры.)
Boot -блок содержит программу раскрутки, которая служит для первоначального запуска ОС UNIX . В файловых системах s 5 реально используется boot -блок только корневой файловой системы. В дополнительных файловых системах эта область присутствует, но не используется.
Суперблок
Он содержит оперативную информацию о состоянии файловой системы, а также данные о параметрах настройки файловой системы.
В частности суперблок содержит следующую информацию
· количество i -узлов (индексных дескрипторов);
· размер раздела???;
· список свободных блоков;
· список свободных i -узлов;
· и другое.
Обратим внимание! Свободное пространство на диске образует связанный список свободных блоков . Этот список хранится в суперблоке.
Элементами списка являются массивы из 50 элементов(если блок = 512 байт, то элемент = 16 бит):
· в элементах массива №№1-48 записаны номера свободных блоков пространства блоков файлов с 2 до 49.
· в №0 элементе содержится указатель на продолжение списка, а
· в последнем элементе (№49) содержится указатель на свободный элемент в массиве.
Если какому-то процессу для расширения файла требуется свободный блок, то система по указателю (на свободный элемент) выбирает элемент массива, и блок с №, хранящимся в данном элементе, предоставляется файлу. Если происходит сокращение файла, то высвободившиеся номера добавляются в массив свободных блоков и корректируется указатель на свободный элемент.
Так как размер массива - 50 элементов, то возможны две критические ситуации:
1. Когда мы освобождаем блоки файлов, а они не могут поместиться в этом массиве. В этом случае из файловой системы выбирается один свободный блок и заполненный полностью массив свободных блоков копируется в этот блок, после этого значение указателя на свободный элемент обнуляется, а в нулевой элемент массива, который находится в суперблоке, записывается номер блока, который система выбрали для копирования содержимого массива . В этот моментсоздается новый элемент списка свободных блоков (каждый по 50 элементов).
2. Когда содержимое элементов массива свободных блоков исчерпалось (в этом случае нулевой элемент массива равен нулю) Если этот элемент нулю не равен, то это означает, что существует продолжение массива. Это продолжение считывается в копию суперблока в оперативной памяти.
Список свободных i -узлов . Это буфер, состоящий из 100 элементов. В нем находится информация о 100 номерах i -узлов, которые свободны в данный момент.
Суперблок всегда находится в ОЗУ
Þ все операции (освобождение и занятие блоков и i -узлов происходят в ОЗУ Þ минимизация обменов с диском.
Но! Если содержимое суперблока не будет записано на диск и выключено питание, то возникнут проблемы (несоответствие реального состояния файловой системы и содержимого суперблока). Но это уже требование к надежности аппаратуры системы.
Замечание . В файловых системах UFS для повышения устойчивости поддерживается несколько копий суперблока (по одной копии на группу цилиндров)
Область индексных дескрипторов
Это массив описаний файлов, называемых i -узлами (i - node ) .(64-х байтные?)
Каждый индексный описатель (i -узел) файла содержит:
· Тип файла (файл/каталог/специальный файл/fifo/socket)
· Атрибуты (права доступа) - 10
· Идентификатор владельца файла
· Идентификатор группы-владельца файла
· Время создания файла
· Время модификации файла
· Время последнего доступа к файлу
· Длина файла
· Количество ссылок к данному i -узлу из различных каталогов
· Адреса блоков файла
! Обратите внимание . Здесь нет имени файла
Рассмотрим подробнее как организована адресация блоков , в которых размещен файл. Итак, в поле с адресами находятся номера первых 10 блоков файла.
Если файл превышает десять блоков, то начинает работать следующий механизм: 11-й элемент поля содержит номер блока, в котором размещены 128(256) ссылок на блоки данного файла. В том случае, если файл еще больше - то используется 12й элемент поля- он содержит номер блока, в котором содержится 128(256) номеров блоков, где каждый блок содержит 128(256) номеров блоков файловой системы. А если файл еще больше, то используется 13 элемент - где глубина вложенности списка увеличена еще на единицу.
Таким образом мы можем получить файл размером (10+128+128 2 +128 3)*512.
Это можно представить в следующем виде:
Адрес 1-го блока файла
Адрес 2-го блока файла
Адрес 10-го блока файла
Адрес блока косвенной адресации (блока с 256 адресами блоков)
Адрес блока 2-й косвенной адресации (блока с 256 адресами блоков с адресами)
Адрес блока 3-й косвенной адресации (блока с адресами блоков с адресами блоков с адресами)
Защита файла
Теперь обратим внимание на идентификаторы владельца и группы и биты защиты.
В ОС Unix используется трехуровневая иерархия пользователей :
Первый уровень - все пользователи.
Второй уровень - группы пользователей. (Все пользователи подразделены на группы.
Третий уровень - конкретный пользователь (Группы состоят из реальных пользователей). В связи с этой трехуровневой организацией пользователей каждый файл обладает тремя атрибутами:
1) Владелец файла. Этот атрибут связан с одним конкретным пользователем, который автоматически назначается системой владельцем файла. Владельцем можно стать по умолчанию, создав файл, а также есть команда, которая позволяет менять владельца файла.
2) Защита доступа к файлу. Доступ к каждому файлу ограничивается по трем категориям:
· права владельца (что может делать владелец с этим файлом, в общем случае - не обязательно все, что угодно);
· права группы, которой принадлежит владелец файла. Владелец сюда не включается (например, файл может быть закрыт на чтение для владельца, а все остальные члены группы могут свободно читать из этого файла;
· все остальные пользователи системы;
По этим трем категориям регламентируются три действия: чтение из файла, запись в файл и исполнение файла (в мнемонике системы R,W,X, соответственно). В каждом файле по этим трем категориям определено - какой пользователь может читать, какой писать, а кто может запускать его в качестве процесса.
Организация каталогов
Каталог с точки зрения ОС - это обычный файл, в котором размещены данные о всех файлах, которые принадлежат каталогу.
Элемент каталога состоит из двух полей:
1)номер i -узла (порядковый номер в массиве i -узлов)и
2)имя файла:
Каждый каталог содержит два специальных имени: ‘.’ - сам каталог; ‘..’ - родительский каталог.
(Для корневого каталога родитель ссылается на него же самого.)
В общем случае, в каталоге могут неоднократно встречаться записи, ссылающиеся на один и тот же i -узел, но в каталоге не могут встречаться записи с одинаковыми именами. То есть с содержимым файла может быть связано произвольное количество имен. Это называется связыванием . Элемент каталога, относящийся к одному файлу называется связью .
Файлы существуют независимо от элементов каталогов, а связи в каталогах указывают действительно на физические файлы. Файл «исчезает» когда удаляется последняя связь, указывающая на него.
Итак, чтобы получить доступ к файлу по имени, операционная система
1. находит это имя в каталоге, содержащем файл,
2. получает номер i -узла файла,
3. по номеру находит i- узел в области i-узлов,
4. из i-узла получает адреса блоков, в которых расположены данные файла,
5. по адресам блоков считывает блоки из области данных.
Все пространство раздела делится на блоки. Блок может иметь размер от 1, 2 или 4 килобайта. Блок является адресуемой единицей дискового пространства.
Блоки, в свою область объединяются в группы блоков. Группы блоков в файловой системе и блоки внутри группы нумеруются последовательно, начиная с 1. Первый блок на диске имеет номер 1 и принадлежит группе с номером 1. Общее число блоков на диске (в разделе диска) является делителем объема диска, выраженного в секторах. А число групп блоков не обязано делить число блоков, потому что последняя группа блоков может быть не полной. Начало каждой группы блоков имеет адрес, который может быть получен как ((номер группы - 1)* (число блоков в группе)).
Каждая группа блоков имеет одинаковое строение. Ее структура представлена в таблице.
Первый элемент этой структуры (суперблок) - одинаков для всех групп, а все остальные - индивидуальны для каждой группы. Суперблок хранится в первом блоке каждой группы блоков (за исключением группы 1, в которой в первом блоке расположена загрузочная запись). Суперблок является начальной точкой файловой системы. Он имеет размер 1024 байта и всегда располагается по смещению 1024 байта от начала файловой системы. Наличие нескольких копий суперблока объясняется чрезвычайной важностью этого элемента файловой системы. Дубликаты суперблока используются при восстановлении файловой системы после сбоев.
Информация, хранимая в суперблоке, используется для организации доступа к остальным данным на диске. В суперблоке определяется размер файловой системы, максимальное число файлов в разделе, объем свободного пространства и содержится информация о том, где искать незанятые участки. При запуске ОС суперблок считывается в память и все изменения файловой системы вначале находят отображение в копии суперблока, находящейся в ОП, и записываются на диск только периодически. Это позволяет повысить производительность системы, так как многие пользователи и процессы постоянно обновляют файлы. С другой стороны, при выключении системы суперблок обязательно должен быть записан на диск, что не позволяет выключать компьютер простым выключением питания. В противном случае, при следующей загрузке информация, записанная в суперблоке, окажется не соответствующей реальному состоянию файловой системы.
Вслед за суперблоком расположено описание группы блоков (Group Descriptors). Это описание содержит:
Адрес блока, содержащего битовую карту блоков (block bitmap) данной группы;
Адрес блока, содержащего битовую карту индексных дескрипторов (inode bitmap) данной группы;
Адрес блока, содержащего таблицу индексных дескрипторов (inode table) данной группы;
Счетчик числа свободных блоков в данной группе;
Число свободных индексных дескрипторов в данной группе;
Число индексных дескрипторов в данной группе, которые являются каталогами
и другие данные.
Информация, которая хранится в описании группы, используется для того, чтобы найти битовые карты блоков и индексных дескрипторов, а также таблицу индексных дескрипторов.
Каждый файл в системе Ext 2 имеет уникальный индекс. Индекс содержит информацию, необходимую любому процессу для того, чтобы обратиться к файлу. Процессы обращаются к файлам, используя четко определенный набор системных вызовов и идентифицируя файл строкой символов, выступающих в качестве составного имени файла. Каждое составное имя однозначно определяет файл, благодаря чему ядро системы преобразует это имя в индекс файла.Индекс включает в себя таблицу адресов расположения информации файла на диске. Так как каждый блок на диске адресуется по своему номеру, в этой таблице хранится совокупность номеров дисковых блоков. В целях повышения гибкости ядро присоединяет к файлу по одному блоку, позволяя информации файла быть разбросанной по всей файловой системе. Но такая схема размещения усложняет задачу поиска данных. Таблица адресов содержит список номеров блоков, содержащих принадлежащую файлу информацию.
Каждому файлу на диске соответствует индексный дескриптор файла, который идентифицируется своим порядковым номером - индексом файла. Это означает, что число файлов, которые могут быть созданы в файловой системе, ограничено числом индексных дескрипторов, которое либо явно задается при создании файловой системы, либо вычисляется исходя из физического объема дискового раздела. Индексные дескpиптоpы существуют на диске в статической форме и ядро считывает их в память прежде, чем начать с ними работать.
Индексный дескриптор файла содержит следующую информацию:
|
- Тип и права доступа к данному файлу. |
|
Идентификатор владельца файла (Owner Uid). |
|
Размер файла в байтах. |
|
Время последнего обращения к файлу (Access time). |
|
Время создания файла. |
|
Время последней модификации файла. |
|
Время удаления файла. |
|
Идентификатор группы (GID). |
|
Счетчик числа связей (Links count ). |
|
Число блоков, занимаемых файлом. |
|
Флагифайла (File flags) |
|
Зарезервировано для ОС |
|
Указатели на блоки, в которых записаны данные файла (пример прямой и косвенной адресации на рис.1) |
|
Версия файла (для NFS) |
|
ACL файла |
|
ACL каталога |
|
Адресфрагмента (Fragment address) |
|
Номерфрагмента (Fragment number) |
|
Размер фрагмента (Fragment size ) |
Каталоги
Каталоги являются файлами.
Ядро хранит данные в каталоге так же, как оно это делает в файле обычного типа, используя индексную структуру и блоки с уровнями прямой и косвенной адресации. Процессы могут читать данные из каталогов таким же образом, как они читают обычные файлы, однако, исключительное право записи в каталог резервируется ядром, благодаря чему обеспечивается правильность структуры каталога.).
Когда какой-либо пpоцесс использует путь к файлу, ядpо ищет в каталогах соответствующий номеp индексного дескpиптоpа. После того, как имя файла было пpеобpазовано в номеp индексного дескpиптоpа, этот дескpиптоp помещается в память и затем используется в последующих запpосах.
Дополнительные возможности EXT2 FS
В дополнение к стандаpтным возможностям Unix, EXT2fs пpедоставляет некотоpые дополнительные возможности, обычно не поддеpживаемые файловыми системами Unix.
Файловые атpибуты позволяют изменять pеакцию ядpа пpи pаботе с набоpами файлов. Можно установить атpибуты на файл или каталог. Во втоpом случае, файлы, создаваемые в этом каталоге, наследуют эти атpибуты.
Во вpемя монтиpования системы могут быть установлены некотоpые особенности, связанные с файловыми атpибутами. Опция mount позволяет администpатоpу выбpать особенности создания файлов. В файловой системе с особенностями BSD, файлы создаются с тем же идентификатоpом гpуппы, как и у pодительского каталога. Особенности System V несколько сложнее. Если у каталога бит setgid установен, то создаваемые файлы наседуют идентификатоp гpуппы этого каталога, а подкаталоги наследуют идентификатоp гpуппы и бит setgid. В пpотивном случае, файлы и каталоги создаются с основным идентификатоpом гpуппы вызывающего пpоцесса.
В системе EXT2fs может использоваться синхpонная модификация данных, подобная системе BSD. Опция mount позволяет администpатоpу указывать чтобы все данные (индексные дескpиптоpы, блоки битов, косвенные блоки и блоки каталогов) записывались на диск синхpонно пpи их модификации. Это может быть использовано для достижения высокой потности записи инфоpмации, но также пpиводит к ухудшению пpоизводительности. В действительности, эта функция обычно не используется, так как кpоме ухудшения пpоизводительности, это может пpивести к потеpе данных пользователей, котоpые не помечаются пpи пpовеpке файловой системы.
EXT2fs позволяет пpи создании файловой системы выбpать pазмеp логического блока. Он может быть pазмеpом 1024, 2048 или 4096 байт. Использование блоков большого объема пpиводит к ускоpению опеpаций ввода/вывода (так как уменьшается количество запpосов к диску), и, следовательно, к меньшему пеpемещению головок. С дpугой стоpоны, использование блоков большого объема пpиводит к потеpе дискового пpостpанства. Обычно последний блок файла используется не полностью для хpанения инфоpмации, поэтому с увеличением объема блока, повышается объем теpяемого дискового пpостpанства.
EXT2fs позволяет использовать ускоpенные символические ссылки. Пpи пpименении таких ссылок, блоки данных файловой системы не используются. Имя файла назначения хpанится не в блоке данных, а в самом индексном дескpиптоpе. Такая стpуктуpа позволяет сохpанить дисковое пpостpанство и ускоpить обpаботку символических ссылок. Конечно, пpостpанство, заpезеpвиpованное под дескpиптоp, огpаничено, поэтому не каждая ссылка может быть пpедставлена как ускоpенная. Максимальная длина имени файла в ускоpенной ссылке pавна 60 символам. В ближайшем будующем планиpуется pасшиpить эту схему для файлов небольшого объема.
EXT2fs следит за состоянием файловой системы. Ядpо использует отдельное поле в супеpблоке для индикации состояния файловой системы. Если файловая система смонтиpована в pежиме read/write, то ее состояние устанавливается как "Not Clean". Если же она демонтиpована или смонтиpована заново в pежиме read-only, то ее состояние устанавливается в "Clean". Во вpемя загpузки системы и пpовеpке состояния файловой системы, эта инфоpмация используется для опpеделения необходимости пpовеpки файловой системы. Ядpо также помещает в это поле некотоpые ошибки. Пpи опpеделении ядpом несоответствия, файловая система помечается как "Erroneous". Пpогpамма пpовеpки файловой системы тестиpует эту инфоpмацию для пpовеpки системы, даже если ее состояние является в действительности "Clean".
Длительное игноpиpование тестиpования файловой системы иногда может пpивести к некотоpым тpудностям, поэтому EXT2fs включает в себя два метода для pегуляpной пpовеpки системы. В супеpблоке содеpжится счетчик монтиpования системы. Этот счетчик увеличивается каждый pаз, когда система монтиpуется в pежиме read/write. Если его значение достигает максимального (оно также хpанится в супеpблоке), то пpогpамма тестиpования файловой системы запускает ее пpовеpку, даже если ее состояние является "Clean". Последнее вpемя пpовеpки и максимальный интеpвал между пpовеpками также хpанится в супеpблоке. Когда же достигается максимальный интеpвал между пpовеpками, то состояние файловой системы игноpиpуется и запускается ее пpовеpка.
Оптимизация пpоизводительности
Система EXT2fs содеpжит много функций, оптимизиpующих ее пpоизводительность, что ведет к повышению скоpости обмена инфоpмацией пpи чтении и записи файлов.
EXT2fs активно использует дисковый буфеp. Когда блок должен быть считан, ядpо выдает запpос опеpации ввода/вывода на несколько pядом pасположенных блоков. Таким обpазом, ядpо пытается удостовеpиться, что следующий блок, котоpый должен быть считан, уже загpужен в дисковый буфеp. Подобные опеpации обычно пpоизводятся пpи последовательном считывании файлов.
Система EXT2fs также содеpжит большое количество оптимизаций pазмещения инфоpмации. Гpуппы блоков используются для объединения соответствующих индексных дескpиптоpов и блоков данных. Ядpо всегда пытается pазместить блоки данных одного файла в одной гpуппе, так же как и его дескpиптоp. Это пpедназначено для уменьшения пеpемещения головок пpивода пpи считывании дескpиптоpа и соответствующих ему блоков данных.
Пpи записи данных в файл, EXT2fs заpанее pазмещает до 8 смежных блоков пpи pазмещении нового блока. Такой метод позволяет достичь высокой пpоизводительности пpи сильной загpуженности системы. Это также позволяет pазмещать смежные блоки для файлов, что укоpяет их последующее чтение.
Одной из компонент ОС является файловая система – основное хранилище системной и пользовательской информации. Все современные ОС работают с одной или несколькими файловыми системами, например, FAT (File Allocation Table), NTFS (NT File System), HPFS (High Performance File System), NFS (Network File System), AFS (Andrew File System), Internet File System.
Файловая система – это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися во внешней памяти, и обеспечить совместное использование файлов несколькими пользователями и процессами.
В широком смысле понятие "файловая система" включает:
Совокупность всех файлов на диске;
Наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;
Комплекс системных программных средств, реализующих управление файлами, в частности: создание, уничтожение, чтение, запись, именование, поиск и другие операции над файлами.
Файловая система используется обычно как при загрузке ОС после включения компьютера, так и в процессе работы. Файловая система выполняет следующие основные функции:
Определяет возможные способы организации файлов и файловой структуры на носителе;
Реализует методы доступа к содержимому файлов и предоставляет средства работы с файлами и файловой структурой. При этом доступ к данным может быть организован файловой системой как по именам, так и по адресам (номер сектора, поверхности и дорожки носителя);
Отслеживает свободное пространство на носителе.
Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жестком диске или блоке флэш-памяти) он записан. Все, что знает программа – это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).
С точки зрения операционной системы, весь диск представляет собой набор кластеров (участков памяти) размером от 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные. Чтобы ясно представлять, как же хранятся данные на дисках, и как ОС обеспечивает доступ к ним необходимо представлять, хотя бы в общем виде логическую структуру диска.
3.1.5 Логическая структура диска
Для того чтобы компьютер мог хранить, читать и записывать информацию жесткий диск предварительно должен быть размечен. На нем с помощью соответствующих программ создаются разделы – это и называется "разбить жесткий диск". Без этой разметки на жесткий диск не удастся установить операционную систему (хотя Windows XP и 2000 могут устанавливаться на неразбитый диск, но они такую разметку проводят сами в процессе установки).
Жесткий диск можно разбить на несколько разделов, каждый из которых будет использоваться автономно. Для чего это надо? Один диск может содержать несколько различных операционных систем, расположенных в разных разделах. Внутренняя структура раздела, выделенного какой-либо ОС, полностью определяется этой операционной системой.
Кроме того, существуют и другие причины разбиения диска на разделы, например:
Возможность использования под управлением MS DOS дисков с емкостью большей, чем
32 Мб;
В случае повреждения диска, пропадает только та информация, которая находилась на этом диске;
Реорганизация и выгрузка диска маленького размера проще и быстрее, чем большого;
Каждому пользователю можно выделить свой логический диск.
Операция подготовки диска к работе называется форматированием , или инициализацией . Всё доступное дисковое пространства разбивается на стороны, дорожки и сектора, причем дорожки и стороны нумеруются с нуля, а сектора – с единицы. Совокупность дорожек, находящихся на одинаковом удалении от оси диска или пакета дисков, называется цилиндром. Таким образом физический адрес сектора определяется следующими координатами: номер дорожки (цилиндра – С), номер стороны диска (головки – H), номера сектора – R, т.е. CHR.
В самом первом секторе жесткого диска (C=0, H=0, R=1) содержится главная загрузочная запись – Master Boot Record . Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть. Главная загрузочная запись является программой – внесистемным загрузчиком.
В конце первого сектора жесткого диска располагается таблица разделов диска – Partition Table . Эта таблица содержит четыре строки, описывающих максимально четыре раздела. Каждая строка в таблице описывает один раздел:
1) активный раздел или нет;
2) номер сектора, соответствующего началу раздела;
3) номер сектора, соответствующего концу раздела;
4) размер раздела в секторах;
5) код операционной системы, т.е. какой ОС принадлежит данный раздел.
Раздел называется активным, если он содержит программу загрузки операционной системы. Первым байтом в элементе раздела идет флаг активности раздела (0 – не активен, 128 (80H) – активен). Он служит для определения, является ли раздел системным (загрузочным), и для необходимости производить загрузку операционной системы с него при старте компьютера. Активным может быть только один раздел. Небольшие программы, называемые менеджерами загрузки (Boot Manager), могут располагаться в первых секторах диска. Они интерактивно запрашивают пользователя, с какого раздела производить загрузку и соответственно корректируют флаги активности разделов. Поскольку в Partition Table четыре строки, то на диске может быть до четырех различных ОС, следовательно, диск может содержать несколько первичных разделов, принадлежащих разным операционным системам.
Пример логической структуры жесткого диска, состоящего из трех разделов, два из которых принадлежат DOS, а один принадлежит UNIX, приведен на рисунке 3.2а.
Каждый активный раздел имеет свою загрузочную запись – программу, которая осуществляет загрузку данной ОС.
На практике диск разбивается чаще всего на два раздела. Размеры разделов, объявление их активными или нет, устанавливаются пользователем в процессе подготовки жесткого диска к работе. Делается это с помощью специальных программ. В DOS эта программа называется FDISK, в версиях Windows-XX – Diskadministrator.
В DOS первичный раздел – Primary Partition , это тот раздел, который содержит загрузчик операционной системы и саму ОС. Таким образом, первичный раздел является активным разделом, используется как логический диск с именем C:.
Операционная система WINDOWS (а именно WINDOWS 2000) изменила терминологию: активный раздел называется системным, а загрузочным называется логический диск, который содержит системные файлы WINDOWS. Загрузочный логический диск может совпадать с системным разделом, но может находиться в другом разделе того же жесткого диска или на другом жестком диске.
Расширенный раздел Extended Partition может разбиваться на несколько логических дисков с именами от D: до Z:.
На рисунке 3.2б представлена логическая структура жесткого диска, в котором всего два раздела и четыре логических диска.
