Файловые системы

 

Все современные дисковые операционные системы обес­печивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. При­нцип организации файловой системы — табличный. Поверх­ность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех до­рожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Физическая структура хранения данных представлена на рисунке 1.10.1

Рисунок 1.10.1 – Физическая структура хранения информации

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

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

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

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

* как хранятся файлы и каталоги на диске;

* какие хранятся сведения о файлах и каталогах;

* как можно узнать, какие участки диска свободны, а ка­кие — нет;

* формат каталогов и другой служебной информации на диске.

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

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

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

При разработке Windows 95 фирма Microsoft решила не вво­дить новую файловую систему, а залатать имеющуюся файловую систему FAT, позволив присваивать файлам и каталогам длинные имена. Эта файловая система стала называться FAT32. Приня­тый в Windows 95 подход хорош тем, что позволяет использовать старые диски с файловой системой FAT — на них просто начина­ют записываться длинные имена. Но все же это решение весьма искусственное, и многие программы — для починки файловой системы дисков, «сжатия» дисков, резервного копирования и т. д. — могут привести к потере длинных имен на диске. FAT 32 поддерживает меньшие размеры кластеров, что позволяет более эффективно использовать дисковое пространство.

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

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

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

 

Таблица 1.10.1 Сравнительные характеристики файловых систем

 

	NTFS	FAT 32	FAT
Поддержи-	Windows NT	MS-DOS,	MS-DOS,
ваемые опе-	с 4 пакетом	Windows 95	Windows 95
рационные	обновлений,	OSR2,	OSR2,
системы	Windows 2000,	Windows 98,	Windows 98,
	Windows XP	Windows Millen-	Windows Millenni-
		nium Edition,	um Edition,
		Windows NT,	Windows NT,
		Windows 2000,	Windows 2000,
		Windows XP	Windows XP
Возможные	Рекомендуемый	Логический диск	Логический диск
размеры	минимальный	(том) объемом	(том) объемом до
логических	размер логи-	от 512 МБ до	4 ГБ. Может ис-
дисков	ческого диска	2 ТБ. Может	пользоваться для
	(тома) равен	использоваться	гибких дисков
	примерно 10	для гибких
	МБ. Допускаются размеры томов свыше 2 ТБ.	дисков
	Не может использовать­ся для гибких
	дисков
Возможные	Максимальный	Максимальный	Максимальный
размеры	размер файла	размер файла	размер файла
хранимых	ограничен	равен 4 ГБ	равен 2 ГБ
файлов	только разме­ром тома

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

1.11 – Информатика. Место и роль понятия "информация" в курсе информатики

Основу современной информатики образуют три составные части, каждая из которых может рассматриваться как относи­тельно самостоятельная научная дисциплина (рисунок 1.11.1).

Теоретическая информатика— часть информатики, занимаю­щаяся изучением структуры и общих свойств информации и ин­формационных процессов, разработкой общих принципов пост­роения информационной техники и технологии. Она основана на использовании математических методов и включает в себя такие основные математические разделы, как теория алгоритмов и ав­томатов, теория информации и теория кодирования, теория фор­мальных языков и грамматик, исследование операций и др.

Средства информатизации(технические и программные) — раздел, занимающийся изучением общих принципов построе­ния вычислительных устройств и систем обработки и переда­чи данных, а также вопросов, связанных с разработкой систем программного обеспечения.

Информационные системы и технологии— раздел информа­тики, связанный с решением вопросов анализа потоков инфор­мации, их оптимизации, структурирования в различных слож­ных системах, с разработкой принципов реализации в данных системах информационных процессов.

Информатика находит широкое применение в различных областях современной жизни: в производстве, науке, образова­нии и других сферах деятельности человека.

Развитие современной науки предполагает проведение сложных и дорогостоящих экспериментов, таких, как, напри­мер, при разработке термоядерных реакторов. Информатика позволяет заменить реальные эксперименты машинными. Это экономит колоссальные ресурсы, дает возможность обработать полученные результаты самыми современными методами. Кро­ме того, такие эксперименты занимают гораздо меньше време­ни, чем настоящие. А в некоторых областях науки, например, в астрофизике, проведение реального эксперимента просто не возможно. Здесь в основном все исследования проводятся пос­редством вычислительных и модельных экспериментов.

 

Теоретическая	Средства информатизации
информация
Основные разделы:	технические	программные
• теория алгоритмов и автоматов	Средства обработки	Системное про-
• теория информации	информации	граммное обеспе- irauTie
• теория кодирова-	Средства передачи	ЧСпИС
ния	информации	Инструментарий
♦ математическая		технологии про-
логика • теория формальных	Средства хранения информации	граммирования
языков и грамматик	Средства предостав-	Пакеты приклад-
• исследование опе-	ления информации	ных программ
раций и др.
Информационные системы н технологии
• Ввода/вывода, сбора, хранения, передачи и обработки данных
• Подготовки текстовых и графических документов
• Программирования, проектирования, моделирования, обучения,
диагностики, управления объектами, процессами, системами (ин-
формационно-справочные, информационно-поисковые системы,
современные глобальные системы хранения и поиска информации
и др.)

Рисунок 1.11.2 Структура информатики как научной дисциплины

 

Дальнейшее развитие информатики, как и любой другой науки, влечет за собой новые достижения, открытия, а, следо­вательно, и новые области применения, которые, может быть, трудно сегодня предположить.

Информатика — очень широкая сфера научных знаний, возникшая на стыке нескольких фундаментальных и приклад­ных дисциплин.

Как комплексная научная дисциплина информатика связа­на (рисунок 1.11.3):

• с философией и психологией — через учение об инфор­мации и теорию познания;

* с математикой — через теорию математического моделирования, дискретную математику, математичес­кую логику и теорию алгоритмов;

* с лингвистикой — через учение о формальных языках и о знаковых системах;

• с кибернетикой — через теорию информации и теорию управления;

• с физикой и химией, электроникой и радиотехникой — через «материальную» часть компьютера и информа­ционных систем.

 

Философия	Учение об		Учение о фор-	Лингвис-
и психология	информации и теория		мальных язы­ках и знаковых	тика
	познания	И Н	системах
Математика	Теория мате-	Ф	Теория инфор-	Киберне-
	матического	О	мации и теория	тика
	моделирова­ния Дискретная математика Матема­тическая логика Теория алго­ритмов	Р М А Т И К А	управления
Все аспекты разработки и создания
аппаратных средств информатизации
Физика, химия, электроника
и радиотехника

Рисунок 1.11.3 – Связь информатики с другими науками

 

Роль информатики в развитии общества чрезвычайно ве­лика. Она является научным фундаментом процесса информа­тизации общества. С ней связаны прогрессивное увеличение возможностей компьютерной техники, развитие информационных сетей, создание новых информационных технологий, кото­рые приводят к значительным изменениям во всех сферах об­щества: в производстве, науке, образовании, медицине и т. д.

Главная функция информатики состоит в разработке мето­дов и средств преобразования информации с использованием компьютера и в применении их при организации технологичес­кого процесса преобразования информации.

Выполняя свою функцию, информатика решает следующие задачи:

* исследует информационные процессы в социальных сис­темах;

* разрабатывает информационную технику и создает но­вейшие технологии преобразования информации на ос­нове результатов, полученных в ходе исследования ин­формационных процессов

* решает научные и инженерные проблемы создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах че­ло Термин информатика возник в 60-х годах во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин: informatique (информатика) = information (информация) + automatique (автоматика). В англоязычных странах этому термину соответствует синоним computer science (науки о компьютерной технике).

В России термин информатика получил распространение в начале 80-х годов. До этого совокупность направлений, называемых теперь информатикой, именовалась по-разному. Поэтому история информатики в России - это, по сути, и история отечественной кибернетики и частично прикладной математики и вычислительной техники. Она насыщена драматическими коллизиями и резкими изменениями приоритетов. В приложении 1 приведена некоторая хронология эволюции вычислительной науки и техники вообще в мире. А содержит очерки по истории советской вычислительной техники и школ программирования, собранные и опубликованные в связи с 50-летием информатики в России, отмечавшемся в 1998 году.

Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации главным образом с помощью компьютеров и телекоммуникационных средств связи во всех сферах человеческой деятельности. В узком смысле информатика состоит из трех взаимосвязанных частей: технических средств (hardware), программных средств (software), интеллектуальных средств (brainware). В свою очередь, информатику, как в целом, так и каждую ее часть обычно рассматривают с разных позиций: как отрасль народного хозяйства; как прикладную дисциплину; как фундаментальную науку.

Информатика как отрасль народного хозяйства включает в себя предприятия разных форм хозяйствования, где занимаются производством технических средств обработки и передачи информации, программных продуктов и разработкой современных технологий переработки информации.

Информатика как прикладная дисциплина занимается изучением закономерностей в информационных процессах (накопление, переработка, распространение); созданием информационных моделей коммуникаций в различных областях человеческой деятельности. Информатика как наука занимается разработкой методологии создания информационного обеспечения процессов управления любыми объектами на базе компьютерных информационных систем. Одна из главных задач этой науки - выяснение, что такое информационные системы, какое место они занимают, какую должны иметь структуру, как функционируют, какие общие закономерности им свойственны.

В отмечено, что история информатики связана с постепенным расширением области ее интересов. Возможность расширения диктовалась развитием компьютеров и накоплением моделей и методов их применения при решении задач различного типа. На протяжении полувековой истории информатики в ней неоднократно возникали и исчезали те или иные направления. В настоящее время в нее входят следующие основные области исследования:

1 теория алгоритмов (формальные модели алгоритмов, проблемы вычислимости, сложность вычислений и т.п.);

2 логические модели (дедуктивные системы, сложность вывода, нетрадиционные исчисления: индуктивный и абдуктивный вывод, вывод по аналогии, правдоподобный вывод, немонотонные рассуждения и т.п.);

3 базы данных (структуры данных, поиск ответов на запросы, логический вывод в базах данных, активные базы и т.п.);

4 искусственный интеллект (представление знаний, вывод на знаниях, обучение, экспертные системы и т.п.);

5 бионика (математические модели в биологии, модели поведения, генетические системы и алгоритмы и т.п.);

6 распознавание образов и обработка зрительных сцен (статистические методы распознавания, использование признаковых пространств, теория распознающих алгоритмов, трехмерные сцены и т.п.);

7 теория роботов (автономные роботы, представление знаний о мире, децентрализованное управление, планирование целесообразного поведения и т.п.);

8. инженерия математического обеспечения (языки программирования, технологии создания программных систем, инструментальные системы и т.п.);

9 теория компьютеров и вычислительных сетей (архитектурные решения, многоагентные системы, новые принципы переработки информации и т.п.);

10. компьютерная лингвистика (модели языка, анализ и синтез текстов, машинный перевод и т.п.);

11 числовые и символьные вычисления (компьютерно-ориентированные методы вычислений, модели переработки информации в различных прикладных областях, работа с естественно-языковыми текстами и т.п.);

12 системы человеко-машинного взаимодействия (модели дискурса, распределение работ в смешанных системах, организация коллективных процедур, деятельность в телекоммуникационных системах и т.п.);

13 нейроматематика и нейросистемы (теория формальных нейронных сетей, использование нейронных сетей для обучения, нейрокомпьютеры и т.п.);

14 использование компьютеров в замкнутых системах (модели реального времени, интеллектуальное управление, системы мониторинга и т.п.).

Информатику относят к фундаментальным наукам, поскольку понятие информации и процессы ее переработки носят общенаучный характер. Использование подходов, средств и методов информатики в различных областях привело к появлению целого ряда междисциплинарных в большей или меньшей степени автономных направлений: социальная информатика, экономическая информатика, биоинформатика, историческая информатика, правовая информатика и т.д.

Социальная информатика - наука о закономерностях и формах движения информации в обществе.

Термин социальная информатика (СИ) был впервые предложен профессором А.В. Соколовым в середине 70-х годов для обозначения новой научной дисциплины, (изучающей посредством информационного подхода общественное знание, социальную коммуникацию и управление обществом. По Соколову, предметная область СИ формируется за счет расширения в социологическую сторону предметной области традиционной информатики, которая, в свою очередь, понималась тогда лишь как наука о методах и средствах движения в обществе научной информации.

Современное представление сформулировано акад. А.Д. Урсулом, связавшим цели и задачи СИ с проблемой глобальной информатизации общества, в процессе которой происходит социализация информатики в ее новом - компьютерном понимании. В своих работах А.Д. Урсул показал социальный по своей сути характер процесса информатизации общества, в котором вычислительная техника и новые информационные технологии являются лишь средствами для более эффективного овладения информацией в целях социального прогресса.

Объект исследования СИ есть проявление информационной реальности окружающего нас мира в социальной сфере общества, т.е., это совокупность всех видов и форм проявления информации в обществе, информационных процессов, систем и коммуникаций, которые имеют социальную значимость для его функционирования и развития.

Предмет исследований СИ - определенная совокупность свойств указанного объекта исследований. Такой совокупностью на данном этапе развития СИ является глобальный процесс информатизации общества и его воздействие на социальные структуры общества, а также на проблемы и положение в обществе самого человека. Влияние это является двусторонним, т.е. социальные структуры общества и отношение людей к процессу информатизации, в свою очередь, оказывает существенное воздействие на характер и темпы развития этого процесса.

Фундаментальной проблемой СИ как науки является проблема согласованного развития (коэволюции) общества и процесса его глобальной информатизации. Эта проблема сейчас является стратегически важной и актуальной, так как она самым тесным образом связана с проблемой преодоления кризиса современной цивилизации и ее перехода на путь устойчивого и безопасного развития на основе овладения информацией и широкомасштабного использования новых знаний и технологий.

Четыре основных направления научных исследований в социальной информатике:

1. Информационные ресурсы общества, их свойства, структура и топология. Изучение потребностей общества в информационных ресурсах для достижения целей общественного развития (проблема достаточности информации).

2. Информационный потенциал общества, определяющий его возможности по формированию и эффективному использованию информационных ресурсов. Сюда следует отнести все проблемы, связанные с формированием информационной инфраструктуры и информационной среды общества, т.е. создания и функционирования центров генерации, хранения и распространения информационных ресурсов, а также развития информационной техносферы, инструментальных средств, обеспечивающих активизацию и эффективное использование информационных ресурсов, решения проблемы доступности информации.

3. Информационное общество, закономерности и проблемы его формирования и развития. Сюда входят проблемы развития информационной экономики, проблемы изменения структуры занятости населения в информационном обществе и т.д.

4. Человек в информационном обществе. Новые возможности и новые проблемы развития личности в информационном обществе, информатизация процессов образования и воспитания человека, развития его творческих способностей на основе использования достижений информатики и креативных информационных технологий. Проблема информационной свободы и обеспечения информационной безопасности человека в информационном обществе, преодоления им технологического и лингвистического барьера в новом информационном пространстве.