Файловая система

Министерство образования Российской федерации Хабаровский государственный педагогический университет Кафедра математического анализа и информатики Файловая система Методическое пособие Выполнила студентка 251 гр. Авраменко А.А. Хабаровск, 2000г. Содержание.От автора .1 Понятие файловой системы .2 Файловая система MS-DOS .3 Файловая система Windows 95 9 4 Файловая система Windows NT .12 Заключение .15 От автора . В методическом пособии раскрыта сущность понятия файловая система, которое является одним из важнейших понятий в курсе Програмное обеспечение ЭВМ, а также представлена структура файловых систем таких операционных систем, как MS-DOS, Windows 95, Windows NT. Цель пособия помочь студентам 5 курса систематизировать свои знания по данной теме и успешно подготовиться к государственному экзамену по дисциплине Информатика . Попыткой достигнуть этой цели и определяется структура настоящего пособия материал темы разбит на 4 основных части части представлены в виде параграфоф, каждая из частей также по мере необходимости разбита на более мелкие детальные части, что позволит студентам при работе с данным пособием составить развернутый план ответа на экзамене. 1 Понятие файловой системы. 1. Определение файловой системы. Файл по английски File - папка,скоросшиватель.

Файл - это поименованная область памяти на каком-либо физическом носителе, предназначенная для хранения информации.

Совокупность средств операционной системы, обеспечивающих доступ к информации на внешних носителях называется системой управления файлами или файловой системой.

Файловая система file system функциональная часть операционной системы, которая отвечает за обмен данными с внешними запоминающими устройствами. 2. Файловая система FAT. Операционными системами Windows используется, разработанная еще для DOS файловая система FAT, в которой для каждого раздела и тома DOS имеется загрузочный сектор, а каждый раздел DOS содержит две копии таблицы размещения файлов file allocation table FAT. FAT представляет собой матрицу, которая устанавливает соотношение между файлами и папками раздела и их физическим местоположением на жестком диске. Перед каждым разделом жесткого диска последовательно расположены две копии FAT. Подобно загрузочным секторам, FAT располагается за пределами области диска, видимой для файловой системы.

При записи на диск файлы не обязательно занимают пространство, эквивалентное их размеру.

Обычно файлы разбиваются на кластеры определенного размера, которые могут быть разбросаны по всему разделу. В результате таблица FAT представляет собой не список файлов и их местоположения, а список кластеров раздела и их содержимого, а в конце каждого описания содержится ссылка на следующий занимаемый файлом кластер. Элементы таблицы FAT представляют собой 12 16- и 32-битовые шестнадцатьричные числа, размер которых определяется программой FDISK, а значение непосредственно создается программой FORMAT. Все гибкие диски, а также жесткие диски размером до 16 Мбайт используют в FAT 12-битовые элементы.

Жесткие и съемные диски, имеющие размер от 16 Мбайт и более, обычно используют 16-битовые элементы. FAT MS-DOS OS2 1.0 1.1. FAT FAT Mb. FAT FAT FAT Microsoft IBM FAT , c 2 Файловая система операционной системы MS-DOS. Одно из понятий файловой системы MS DOS - логический диск. Логические диски В некотором приближении можно считать, что, с точки зрения MS-DOS, каждый логический диск это отдельный магнитный диск. Каждый логический диск имеет свое уникальное имя. В качестве имени логического диска используются буквы английского алфавита от A до Z включительно.

Количество логических дисков, таким образом, не более 26. Буквы A и B - отведены строго под имеющиеся в IBM PC флоппи-диски FDD . Начиная с буквы C именуются логические дискиразделы HDD винчестер.

На рисунках дано изображение логического диска. В случае, если данный IBM PC имеет только один FDD, буква B пропускается рис.2 Только логические диски A и C могут быть системными. Файловая структура логического диска Чтобы обратиться к информации на дискенаходящейся в файле, надо знать физический адрес первого сектора NповерхностиNдорожкиNсектора, общее количество кластеров, занимаемое данным файлом, адрес следующего кластера, если размер файла больше, чем размер одного кластера и т.д. Все это очень туманно, трудно и не нужно.

MS DOS избавляет пользователя от такой работы и ведет ее сама. Для обеспечения доступа к файлам - файловая система MS DOS организует и поддерживает на логическом диске определенную файловую структуру. Элементы файловой структуры - стартовый секторсектор начальной загрузки, Boot-сектор таблица размещения файлов FAT - File Allocation Table корневой каталогRoot-Directory область данныхоставшееся свободным дисковое пространство Эти элементы создаются специальными программами в среде MS DOS в процессе инициализации диска.

Рис. 5 Стартовый секторсектор начальной загрузки, Boot-сектор Здесь записана информация, необходимая MS DOS для работы с диском - идентификатор OSесли диск системный размер сектора диска количество секторов в кластере количество резервных секторов в начале диска количество копий FAT на дискестандарт - две количество элементов в каталоге количество секторов на диске тип формата диска количество секторов в FAT количество секторов на дорожку количество поверхностей блок начальной загрузки OS, За стартовым сектором располагается FAT. FATтаблица размещения файлов Область данных дискасм.выше представлена в MS DOS как последо- вательность 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 - 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 спец.программы, которые контролируют состояние FAT и исправляют нарушения. Корневой каталог Это определенная область диска, создаваемая в процессе инициализации форматировании диска, где содержится информация о файлах и каталогах, хранящихся на диске. Корневой Каталог всегда существует на отформатированном диске.

На одном диске всегда бывает только один корневой каталог. Размер корневого каталога для данного диска - величина фиксированная, поэтому максимальное количество привязанных к нему файлов и других дочерних каталогов Подкаталогов - строго определенное. Итак, подытоживая все выше сказанное, можно сделать вывод MS-DOS - 16-разрядная операционная система, работающая в реальном режиме процессора. 4 Файловая система операционной системы Windows 95. 4.1. Предыстория создания FAT 32. В сфере персональных компьютеров в 1987 г. возник кризис.

Возможности файловой системы FAT, разработанной фирмой Microsoft за десять лет до этого для интерпретатора Standalone Disk Basic и позднее приспособленной для операционной системы DOS, были исчерпаны. FAT предназначалась для жестких дисков емкостью не свыше 32 Мбайт, а новые НЖМД большей емкости оказывались совершенно бесполезными для пользователей PC. Некоторые независимые поставщики предлагали собственные способы решения этой проблемы, однако лишь с появлением DOS 4.0 этот кризис был преодолен - на некоторое время.

Значительные изменения структуры файловой системы в DOS 4.0 позволили операционной системе работать с дисками емкостью до 128 Мбайт с внесением в последующем незначительных дополнений этот предел был поднят до 2 Гбайт. В то время казалось, что такой объем памяти превышает любые мыслимые потребности. Однако если история персональных компьютеров чему-то и научила, то именно тому, что емкость, превышающа любые мыслимые потребности, очень быстро становитс почти недостаточной для серьезных работ.

Действительно, в настоящее время в продаже имеютс жесткие диски емкостью, как правило, 2,5 Гбайт и выше, а когда-то очень высокий и избавивший нас от ограничений потолок в 2 Гбайт превратился в еще одно препятствие, которое предстоит преодолеть. 4.2. Описание FAT 32. Для систем Windows 95 фирма Microsoft разработала новое расширение системы FAT - FAT32, без каких-либо громких заявлений предусмотренное в пакете OEM Service Pack 2. Система FAT32 устанавливается только в новых PC, и не рассчитывайте получить ее при переходе к новой версии Windows 95, хотя, по утверждению Microsoft, это расширение станет составной частью основного пакета для модернизации Windows 4.2.1. Области диска Эта файловая система предусматривает ряд специальных областей на диске, выделенных для организации пространства диска в процессе его форматирования - головную запись загрузки, таблицу разбиения диска, запись загрузки, таблицу размещения файлов от которой система FAT и получила свое название и корневой каталог.

На физическом уровне пространство диска разбивается на 512-байт области, называемые секторами.

В системе FAT место для файлов выделяется блоками, которые состоят из целого числа секторов и именуются кластерами. Число секторов в кластере должно быть кратно степени двойки. В Microsoft называют эти кластеры единицами выделения памяти allocation unit, а в отчете SCANDISK указывается их размер, например 16 384 байт в каждой единице выделения памяти. 4.2.2. Цепочка FAT FAT представляет собой базу данных, связывающую кластеры дискового пространства с файлами.

В этой базе для каждого кластера предусматривается только один элемент. Первые два элемента содержат информацию о самой системе FAT. Третий и последующие элементы ставятся в соответствие кластерам дискового пространства, начиная с первого кластера, отведенного для файлов. Элементы FAT могут содержать несколько специальных значений, указывающих, что кластер свободен, т.е. не использован ни одним файлом кластер содержит один или несколько секторов с физическими дефектами и не должен использоваться данный кластер - последний кластер файла. Для любого используемого файлом, но не последнего кластера элемент FAT содержит номер следующего кластера, занятого файлом.

Каждый каталог - независимо корневой или подкаталог - также представляет собой базу данных. В каталоге DOS для каждого файла предусмотрена одна главная запись В среде Windows 95 для длинных имен файлов введены дополнительные записи.

В отличие от FAT, где каждый элемент состоит из единственного поля, записи для файла в каталоге состоят из нескольких полей. Некоторые поля - имя, расширение, размер, дата и время - могут быть выведены на экран по команде DIR. Но в системе FAT предусмотрено поле, которое не отображаетс командой DIR поле с номером первого кластера, отведенного под файл. Когда программа отправляет запрос к операционной системе с требованием предоставить ей содержимое какого-то файла ОС просматривает запись каталога дл него, чтобы найти первый кластер этого файла.

Затем она обращается к элементу FAT для данного кластера, чтобы найти следующий кластер в цепочке. Повторяя этот процесс, пока не обнаружит последний кластер файла, ОС точно определяет, какие кластеры принадлежат данному файлу и в какой последования. Таким путем система может предоставить программе любую часть запрашиваемого ею файла.

Такой способ организации файла носит название цепочки FAT. В системе FAT файлам всегда выделяется целое число кластеров. На 1,2-Гбайт жестком диске с 32-Кбайт кластерами в каталоге может быть указано, что размер текстового файла, содержащего слова hello, world, составляет всего 12 байт, но на самом деле этот файл занимает 32 Кбайт дискового пространства. Неиспользованная часть кластера называется потерянным местом slack. В небольших файлах почти весь кластер может быть потерянным местом, а в среднем потери составляют половину размера кластера.

На 850-Мбайт жестком диске с 16-Кбайт кластерами при среднем размере файлов порядка 50 Кбайт около 16 отведенного под файлы дискового пространства будет потеряно на неиспользуемые, но выделенные файлам области. Один из способов высвобождения пространства на диске - с помощью программ сжатия диска, например DriveSpace, которая выделяет потерянные места для использования другими файлами. 4.2.3. Другие изменения в FAT32 Чтобы обеспечить возможность работы с возросшим числом кластеров, в записи каталога для каждого файла должно выделяться 4 байт для начального кластера файла вместо 2 байт в системе FAT16. Традиционно кажда запись в каталоге состоит из 32 байт рис. 1. В середине этой записи 10 байт не используются байты с 12-го по 21-й, которые Microsoft зарезервировала дл своих собственных нужд в будущем.

Два из них теперь отводятся как дополнительные байты, необходимые дл указания начального кластера в системе FAT32. Операционная система всегда предусматривала наличие на диске двух экземпляров FAT, но использовался только один из них. С переходом к FAT32 операционная система может работать с любой из этих копий.

Еще одно изменение состоит в том, что корневой каталог, раньше имевший фиксированный размер и строго определенное место на диске, теперь можно свободно наращивать по мере необходимости подобно подкаталогу. Теперь не существует ограничений на число записей в корневом каталоге.

Это особенно важно, поскольку под каждое длинное имя файла используется несколько записей каталога. Сочетание перемещаемого корневого каталога и возможности использования обеих копий FAT - неплохие предпосылки для беспрепятственного динамического изменения размеров разделов диска, например уменьшени раздела с целью высвобождения места для другой операционной системы. Этот новый подход менее опасен, чем применявшиеся в программах независимых поставщиков для изменения разделов диска при работе с FAT16. Из всего выше сказанного можно сделать вывод MS-DOS была чисто 16-разрядной операционной системой и работала в реальном режиме процессора.

В версиях Windows 3.1 часть кода была 16-разрядной, а часть 32-разрядной. Windows 3.0 поддерживала реальный режим работы процессора, при разработке версии 3.1 было решено отказаться от его поддержки. Windows 95 является 32 -разрядной операционной системой, которая работает только в защищенном режиме процессора. Ядро, включающее управление памятью и диспетчеризацию процессов, содержит только 32-разрядный код. Это уменьшает издержки и ускоряет работу.

Только некоторые модули имеют 16-разрядный код для совместимости с режимом MS-DOS. Windows 95 32-разрядный код используется везде, где только возможно, что позволяет обеспечить повышенную надежность и отказоустойчивость системы. Помимо этого, для совместимости с устаревшими приложениями и драйверами используется и 16-разрядный код. 5 Файловая система операционной системы Windows NT. 5.1. Краткое описание операционной системы Windows NT. На данный момент мировая компьютерная индустрия развивается очень стремительно. Производительность систем возрастает, а следовательно возрастают возможности обработки больших объмов данных. Операционные системы класса MS-DOS уже не справляются с таким потоком данных и не могут целиком использовать ресурсы современных компьютеров.

Поэтому в последнее время происходит переход на более мощные и наиболее совершенные операционные системы класса UNIX , примером которых и является Windows NT, выпущенная корпорацией Microsoft Когда пользователь впервые видит операционную систему Microsoft Windows NT, ему в глаза бросается отчтливое внешнее сходство с полюбившимся интерфейсом системы Windows 3. .Однако это видимое сходство является лишь незначительной частью Windows NT . Windows NT является 32-ух разрядной операционной системой с приоритетной многозадачностью. В качестве фундаментальных компонентов в состав операционной системы входят средства обеспечения безопасности и развитый сетевой сервис.

Windows NT также обеспечивает совместимость со многими другими операционными и файловыми системами, а также с сетями.

Как показано на следующем рисунке , Windows NT представляет из себя модульную более совершенную, чем монолитная операционную систему, которая состоит из отдельных взаимосвязанных относительно простых модулей. Основными модулями Windows NT являются перечислены в порядке следования от нижнего уровня архитектуры к верхнему уровень аппаратных абстракций HAL Hardware Abstraction Layer, ядро Kernel, исполняющая система Executive, защищенные подсистемы protected subsystems и подсистемы среды environment subsystems. Модульная структура Windows NT 5.2.

Файловая система Windows

Файловая система Windows NT. Когда Windows NT впервые вышла в свет, в ней была предусмотрена поддержка трех файловых систем.

Это таблица размещения файлов FAT, обеспечивавшая совместимость с MS-DOS, файловая система повышенной производительности HPFS, обеспечивавшая совместимость с LAN Manager, и новая файловая система, носившая название Файловой системы новых технологий NTFS. NTFS обладала рядом преимуществ в сравнении с использовавшимися на тот момент для большинства файловых серверов файловыми системами.

Для обеспечения целостности данных в NTFS имеется журнал транзакций. Подобный подход не исключает вероятности утраты информации, однако, значительно увеличивает вероятность того, что доступ к файловой системе будет возможен даже в том случае, если будет нарушена целостность системы сервера.

Это становится возможным при использовании журнала транзакций для отслеживания незавершенных попыток записи на диск при последующей загрузке Windows NT. Журнал транзакций также используется для проверки диска на наличие ошибок вместо проверки каждого файла, в случае использования таблицы размещения файлов. Одним из основных преимуществ NTFS является безопасность. NTFS предоставляет возможность вносить записи контроля доступа Access Control Entries, ACE в список контроля доступа Access Control List, ACL. ACE содержит идентификационное имя группы или пользователя и маркер доступа, который может быть использован для ограничения доступа к определенному каталогу или файлу. Этот доступ может предполагать возможность чтения, записи, удаления, выполнения и даже владения файлами.

С другой стороны, ACL представляет собой контейнер, содержащий одну или более записей ACE. Это позволяет ограничить доступ отдельных пользователей или групп пользователей к определенным каталогам или файлам в сети. Кроме того NTFS поддерживает работу с длинными именами, имеющими длину до 255 символов и содержащими заглавные и строчные буквы в любой последовательности. Одной из главных характеристик NTFS является автоматическое создание эквивалентных имен, совместимых с MS-DOS. Также NTFS имеет функцию сжатия, впервые появившуюся в NT версии 3.51. Она обеспечивает возможность сжатия любого файла, каталога или диска NTFS. В отличии от программ сжатия MS-DOS, создающих виртуальный диск, имеющий вид скрытого файла и подвергающий сжатию все данные на этом диске, Windows NT использует дополнительный уровень файловой подсистемы для сжатия и разуплотнения требуемых файлов без создания виртуального диска.

Это оказывается полезным при сжатии либо определенной части диска например, пользовательского каталога, либо файлов, имеющих определенный тип например, графических файлов.

Единственным недостатком сжатия NTFS является невысокий, в сравнении со схемами сжатия MS-DOS, уровень компрессии.

Зато NTFS отличается более высокой надежностью и производительностью. Итак, из всего вышесказанного можно сделать вывод Чтобы быть совместной с различными операционными системами, Windows NT содержит файловую систему FAT 32. Кроме этого, Windows NT содержит свою собственную файловую систему NTFS, которая не совместима с FAT 16. Данная файловая система имеет ряд преимуществ по сравнению с FAT, а также отличается более высокой надежностью и производительностью.

Заключение

Заключение . MS-DOS - 16-разрядная операционная система, работает в реальном режиме процессора. В версиях Windows 3.1 часть кода - 16-разрядная, а часть 32-разрядная. Windows 3.0 поддерживала реальный режим работы процессора, при разработке версии 3.1 было решено отказаться от его поддержки. Windows 95 является 32-разрядной операционной системой, которая работает только в защищенном режиме процессора. Ядро, включающее управление памятью и диспетчеризацию процессов, содержит только 32-разрядный код. Это уменьшает издержки и ускоряет работу.

Только некоторые модули имеют 16-разрядный код для совместимости с режимом MS-DOS. В Windows 95 32-разрядный код используется везде, где только возможно, что позволяет обеспечить повышенную надежность и отказоустойчивость системы. Помимо этого, для совместимости с устаревшими приложениями и драйверами используется и 16-разрядный код. Система Windows NT не является дальнейшим развитием ранее существовавших продуктов. Е архитектура создавалась с нуля с учтом предъявляемых к современной операционной системе требований. Стремясь обеспечить совместимость compatible новой операционной системы, разработчики Windows NT сохранили привычный интерфеис Windows и реализовали поддержку существующих файловых систем таких, как FAT и различных приложений написанных для MS - Dos , Windows 3.x. Разработчики также включили в состав Windows NT средства работы с различными сетевыми средствами. Наджность и отказоустойчивость reliability and robustness обеспечивают архитектурными особенностями, которые защищают прикладные программы от повреждения друг другом и операционной системой. Windows NT использует отказоустойчивую структурированную обработку особых ситуаций на всех архитектурных уровнях, которая включает восстанавливаемую файловую систему NTFS и обеспечивает защиту с помощью встроенной системы безопасности и усовершенствованных методов управления памятью.