Файловая система Windows 95

Файловая система (ФС) — это часть операционной системы, предназначенной для обеспечения пользователю удобного интерфейса при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечения совместного использования файлов несколькими пользователями и процессами. Она включает:

• 1) совокупность всех файлов на диске;
• 2) наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;
• 3) комплекс системных программ, 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. Все функции, связанные с деталями выполнения этих операций берет на себя ФС.

Таким образом, ФС 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.

Основной структурной единицей любой файловой системы является файл и каталог. Файл — минимальная структурированная именованная последовательность данных. Каталог (папка) является своеобразной объединяющей структурой для расположенных на диске файлов. Каталог может содержать в себе файлы и другие (вложенные) каталоги. Каталоги и файлы образуют на диске древовидную иерархическую структуру — дерево каталогов (Рис. 3.1). Единственный каталог не входящий ни в одну из директорий называется корневым каталогом.

Файловая система выполняет следующие функции:

задает возможные способы организации файлов, реализует методы доступа к содержимому файлов, определяет способы организации файловой структуры, предоставляет средства манипулирования файловой структурой, в том числе файлами.

Таким образом файловая система включает в себя, помимо самих файлов, правила образования имен файлов и способов обращения к ним, систему оглавления файлов и структуру хранения файлов на дисках.

Все файлы в компьютере хранятся на магнитных дисках, которые являются частью его конструкции. Магнитные диски являются устройствами произвольного доступа. В них каждая запись данных имеет свой уникальный адрес, обеспечивающий непосредственный доступ к ней, минуя все остальные записи. Для хранения данных служит диск (пакет из нескольких дисков), покрытый ферромагнитным слоем. Запись на магнитный диск и считывание данных с него осуществляется головками чтения/записи.

Поверхность диска разбита на дорожки представляющие собой окружности (Рис. 3.2). Дорожки разделены на секторы. Размер сектора обычно составляет 512 байт.

В большинстве файловых систем пространство на диске выделяется кластерами, которые состоят из нескольких секторов. Кластер — минимальный размер места на диске, которое может быть выделено для хранения одного файла. Перед тем, как диск может быть использован для записи данных, он должен быть размечен — на его дорожки должны быть записаны заголовки секторов с правильными номерами дорожки и сектора, а также, если это необходимо, маркеры. Как правило, при этом же происходит тестирование поверхности диска для поиска дефектов магнитного слоя. Современные жесткие диски обычно требуют физической разметки при их изготовлении.

Один физический жесткий диск может быть разделен на несколько разделов — логических дисков (томов). Каждый логический диск представляет собой как бы отдельное устройство. Следовательно, на нем может быть своя файловая система и свой корневой каталог.

В операционных системах MS-DOS и Windows каждое дисковое устройство обозначается латинской буквой. Для имени логического диска используются буквы от A до Z. Буквы A и B обозначают дисководы гибких магнитных дисков (FDD). Начиная с буквы C, именуются разделы жесткого диска (HDD), дисководы оптических дисков и виртуальные диски (Рис. 3.3). Для обращения к файлу используется следующая спецификация:

устройство:путьимя файла. расширение Здесь путь — список каталогов, входящих друг в друга, в последнем из которых и содержится указанный файл. Если путь не указан, следует что, файл находится в корневом каталоге данного диска. В MS-DOS имя файла состоит из 8 символов, точки и 3 символов расширения имени файла. Точка отделяет собственно имя от расширения. Имя файла может состоять из латинских букв, цифр 0 — 9, некоторых других символов, и не может содержать пробел.

Особенностью файловой системы Windows'95 является поддержка длинных имен. Теперь нет необходимости придумывать какие-то немыслимые сокращения для названий файлов. В именах файлов можно использовать до 255 символов, включая пробелы и знаки препинания. Запрещенными в именах являются только следующие знаки:

— обратный слэш (используется для обозначения пути).

/ - прямой слэш (исп. для подстановки ключей).

> - знак «больше» (исп. для указания направления вывода).

< - знак «меньше» (исп. для указания направления вывода).

: — двоеточие (исп. для обозначения имени диска).

• ? — вопросительный знак (исп. в масках поиска)
• * - знак «звездочка» (исп. в масках поиска)

" - кавычки (в них заключаются полные имена файлов и папок с длинными именами) Расширение имени необходимо для определения типа файла и связывания файла с определенной программой, с помощью которой он может быть открыт. Хотя имя файла может и не иметь расширения.

Различают следующие типы файлов:

• 1) Текстовые файлы. Текстовые файлы могут содержать простой или размеченный текст, в кодировке ASCII, ANSI или UNICODE. Текст без разметки содержит только отображаемые символы и простейшие управляющие символы (возврат каретки и табуляции). Размеченный текст содержит бинарную и символьную разметку (межстрочный интервал, новая страница и т. п.), может содержать таблицы и рисунки;
• 2) Графические файлы — файлы, содержащие точечные или векторные изображения;
• 3) Файлы мультимедиа — различают файлы содержащие оцифрованный звук (файлы аудио) и фалы видео (содержат изображение и звук);
• 4) Исполняемые файлы — программы готовые к исполнению (файлы с расширением exe и com).
• 5) Архивные файлы — файлы архивов rar, tar, zip, cab и т. п.
• 6) Файлы библиотек — файлы с расширением DLL, OCX и LIB;
• 7 Файлы данных — бинарные или текстовые файлы с различным расширением, используемые программами во время работы.

Информация о логической организации физического жесткого диска.

(числе логических дисков, их размере) расположена в главной загрузочной записи (MBR). MBR расположена в самом первом секторе жесткого диска и не входит в структуру файловой системы.

Современные операционные системы имеют возможность работать с несколькими файловыми системами одновременно. Прежде чем операционная система сможет использовать файловую систему, она должна выполнить над этой системой операцию, называемую монтированием. В общем случае операция монтирования включает следующие шаги:

• 1) Проверку типа монтируемой файловой системы; проверку целостности файловой системы;
• 2) Считывание системных структур данных и инициализацию соответствующего модуля файлового менеджера (драйвера файловой системы). В некоторых случаях — модификацию файловой системы с тем, чтобы указать, что она уже смонтирована;
• 3) Включение новой файловой системы в общее пространство имен.

Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году.

Свое название FAT получила от одноименной таблицы размещения файлов. В таблице размещения файлов хранится информация о кластерах логического диска. Каждому кластеру в FAT соответствует отдельная запись, которая показывает, свободен ли он, занят ли данными файла, или помечен как сбойный (испорченный).

В этой таблице каждому блоку, предназначенному для хранения данных, соответствует 16-битовое значение. Если блок свободен, то значение будет нулевым. Если же блок принадлежит файлу, то значение равно адресу следующего блока этого файла. Если это последний блок в файле, то значение — OxFFF (Рис. 3.4).

Если кластер занят под файл, то в соответствующей записи в таблице размещения файлов указывается адрес кластера, содержащего следующую часть файла. Из-за этого FAT называют файловой системой со связанными списками. Оригинальная версия FAT, разработанная для DOS 1.00, использовала 12-битную таблицу размещения файлов и поддерживала разделы объемом до 16 Мб (в DOS можно создать не более двух разделов FAT). Для поддержки жестких дисков размером более 32 Мб разрядность FAT была увеличена до 16 бит, а размер кластера — до 64 секторов (32 Кб). Так как каждому кластеру может быть присвоен уникальный 16-разрядный номер, то FAT поддерживает максимально 216, или 65 536 кластеров на одном томе.

Поскольку загрузочная запись слишком мала для хранения алгоритма поиска системных файлов на диске, то системные файлы должны находиться в определенном месте, чтобы загрузочная запись могла их найти. Фиксированное положение системных файлов в начале области данных накладывает жесткое ограничение на размеры корневого каталога и таблицы размещения файлов. Вследствие этого общее число файлов и подкаталогов в корневом каталоге на диске FAT ограничено 512.

Каждому файлу и подкаталогу в FAT соответствует 32-байтный элемент каталога (directory entry), содержащий имя файла, его атрибуты (архивный, скрытый, системный и «только для чтения»), дату и время создания (или внесения в него последних изменений), а также прочую информацию.

Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет самый первый свободный кластер в таблице размещения файлов. Если в процессе работы одни файлы были удалены, а другие изменились в размере, то появляющиеся в результате пустые кластеры будут рассеяны по диску. Если кластеры, содержащие данные файла, расположены не подряд, то файл оказывается фрагментированным. Сильно фрагментированные файлы значительно снижают эффективность работы, так как головки чтения/записи при поиске очередной записи файла должны будут перемещаться от одной области диска к другой. В состав операционных систем, поддерживающих FAT, обычно входят специальные утилиты дефрагментации диска, предназначенные повысить производительность файловых операций.

Еще один недостаток FAT заключается в том, что ее производительность сильно зависит от количества файлов, хранящихся в одном каталоге. При большом количестве файлов (около тысячи), выполнение операции считывания списка файлов в каталоге может занять несколько минут. Это обусловлено тем, что в FAT каталог имеет линейную неупорядоченную структуру, и имена файлов в каталогах идут в порядке их создания. В результате, чем больше в каталоге записей, тем медленнее работают программы, так как при поиске файла требуется просмотреть последовательно все записи в каталоге.

Поскольку FAT изначально проектировалась для однопользовательской операционной системы DOS, то она не предусматривает хранения такой информации, как сведения о владельце или полномочия доступа к файлу/каталогу.

FAT является наиболее распространенной файловой системой и ее в той или иной степени поддерживают большинство современных ОС. Благодаря своей универсальности FAT может применяться на томах, с которыми работают разные операционные системы.

Хотя нет никаких препятствий использовать при форматировании дискет любую другую файловую систему, большинство ОС для совместимости используют FAT. Отчасти это можно объяснить тем, что простая структура FAT требует меньше места для хранения служебных данных, чем остальные системы. Преимущества других файловых систем становятся заметны только при использовании их на носителях объемом более 100 Мб.

Надо отметить, что FAT — простая файловая система, не предотвращающая порчи файлов из-за ненормального завершения работы компьютера. В состав операционных систем, поддерживающих FAT, входят специальные утилиты проверяющие структуру и корректирующие несоответствия в файловой системе.

Файловая система VFAT (Virtual FAT), реализованная в Windows NT 3.5, Windows 95 (DOS 7.0), — это файловая система FAT, включающая поддержку длинных имен файлов (Long File Name, LFN) в кодировке UNICODE (каждый символ имени кодируется 2 байтами). VFAT использует ту же самую схему распределения дискового пространства, что и файловая система FAT, поэтому размер кластера определяется величиной раздела.

В VFAT ослаблены ограничения, устанавливаемые соглашениями по именам файлов FAT: имя может быть длиной до 255 символов, также в имя можно включать несколько пробелов и точек, однако, текст после последней точки рассматривается как расширение. Регистр символов в именах не различается, но сохраняется.

Длинное имя файла в VFAT представлено следующим образом.

Первые 11 байт элемента каталога DOS используются для хранения имени файла. Такое имя состоит из двух частей: в первых восьми байтах хранятся символы собственно имени, а в последних трех — символы расширения имени файла. Если имя состоит менее чем из восьми символов, то в элементе каталога оно дополняется символами пробела, для того чтобы полностью заполнить все восемь байтов. При работе с именем файла необходимость в отображении точки, которая используется для отделения имени файла от расширения, отпадает. В 12-ом байте элемента каталога хранятся атрибуты файла:

• 1) А — архив. Показывает, что файл был открыт программой имеющей возможность изменить его содержимое.
• 2) D — каталог. Показывает, что данный элемент указывает на подкаталог (папку), а не на файл.
• 3) V — том (volume). Применяется только к одному элементу каталога в корневом каталоге. В нем собственно и хранится имя дискового тома.
• 4) S — системный. Показывает, что файл является частью операционной системы или специально помечен подобным образом.
• 5) H — скрытый. К скрытым файлам относятся также системные файлы.
• 6) R — только для чтения. Указывает, что данный файл не следует изменять. Этот атрибут используется для примитивной защиты от ошибок пользователя.

Основной задачей при разработке VFAT была необходимость корректной работы старых программ, не поддерживающих длинные имена файлов. Как правило, прикладные программы для доступа к файлам используют функции ОС. Если у элемента каталога установить «нереальную» комбинацию битов атрибутов: «только для чтения», «скрытый», «системный», «метка тома» — то любые файловые функции старых версий DOS и Windows не заметят такого элемента каталога. В итоге для каждого файла и подкаталога в VFAT хранится два имени: длинное и короткое в формате 8.3 для совместимости со старыми программами. Длинные имена (LFN) хранятся в специальных записях каталога, байт атрибутов, у которых равен 0Fh. Для любого файла или подкаталога непосредственно перед единственной записью каталога с его именем в формате 8.3 находится группа из одной или нескольких записей, представляющих длинное имя. Каждая такая запись содержит часть длинного имени файла не более 13 символов, из всех таких записей ОС составляет полное имя файла. Поскольку одно длинное имя файла может занимать до 21 записи, а корневой каталог FAT ограничен 512 записями, желательно ограничить использование длинных имен в корневом каталоге.

Короткое имя генерируется файловой системой автоматически в формате 8.3. Для создания коротких имен (псевдонимов) файлов используется следующий алгоритм:

Из длинного имени удалить все символы не допустимые в именах FAT. Удалить точки в конце и начале имени. После этого удалить все точки, находящиеся внутри имени кроме последней.

Обрезать строку, расположенную перед точкой, до 6 символов и добавить в ее конец «~1». Обрезать строку за точкой до 3 символов.

Полученные буквы преобразовать в прописные. Если сгенерированное имя совпадает с уже существующим, то увеличить число в строке «~1» .

Данный алгоритм зависит от версии операционной системы и в будущих версиях может меняться.

Файловая система VFAT имеет совместимость с FAT 16. Поэтому при работе с VFAT необходимо использовать утилиты обслуживающие именно её. Более ранние файловые утилиты DOS запросто модифицируют то, что кажется им исходной структурой FAT. Редактирование файлов программами, не поддерживающими длинные имена файлов, может приводить к потере длинных имен. Windows обнаруживает подобные элементы каталога, так как их контрольная сумма не соответствует больше тому, что записано в последующей записи каталога в формате 8.3. Однако такие записи не удаляются системой автоматически, они занимают дисковое пространство, до тех пор, пока вы не запустите программу ScanDisk, входящую в состав операционной системы. Большинство старых дисковых утилит воспримут записи, соответствующие длинным именам, как ошибки логической структуры диска. Попытки использовать данные утилиты, в лучшем случае приведет к потере длинных имен, а в худшем — к потере информации на диске.

Основными недостатками файловых систем FAT 16 и VFAT, которые привели к необходимости создания новой файловой системы, являются большие потери на кластеризацию и ограничения на размер логического диска.

Файловая система FAT 32 является полностью самостоятельной 32-разрядной файловой системой и имеет более совершенную структуру. FAT32 — усовершенствованная версия файловой системы VFAT, поддерживающая жесткие диски объемом до 2 терабайт. Впервые файловая система FAT32 была включена в состав ОС Windows 95 OSR 2. В FAT32 были расширены атрибуты файлов, позволяющие теперь хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу. Из-за требования совместимости с ранее созданными программами структура FAT32 содержит минимальные изменения. Главные отличия от предыдущих версий FAT состоят в следующем. Блок начальной загрузки на разделах с FAT32 был увеличен до 2 секторов и включает в себя резервную копию загрузочного сектора, что позволяет системе быть более устойчивой к возможным сбоям на диске. Объем, занимаемый таблицей размещения файлов, увеличился, поскольку теперь каждая запись в ней занимает 32 байта, и общее число кластеров на разделе FAT32 больше, чем на разделах FAT. Соответственно, выросло и количество зарезервированных секторов.

FAT 32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. Кластеры в этой файловой системе меньше, чем кластеры в предыдущих версиях FAT. Следовательно, для дисков размером до 8 Гб FAT 32 может использовать кластеры размером 4 Кб. Таблица размещения файлов в FAT 32 может содержать до.

кластеров (в 32-разрядном коде, используемом для представления номера кластера, фактически используются только 28 разрядов). Система FAT 32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись позволяет создавать копии важных структур данных. Это повышает устойчивость файловой системы к нарушениям структуры таблицы размещения данных. Корневой каталог представлен в виде обычной цепочки кластеров и может находиться в произвольном месте диска. Файловая система FAT 32 имеет ряд усовершенствований структуры корневого каталога. Для представления длинных имен используются элементы корневого каталога.

Для этого число файлов в нем увеличено с 512 до 2048. Кроме того, для того чтобы снизить расход элементов каталога на описание файлов с длинными именами, рекомендуется не давать файлам слишком длинные имена.

Для длинного имени файла используется несколько элементов каталога. Таким образом, применение длинных имен приводит к уменьшению количества файлов, находящихся в корневом каталоге. Длинное имя может содержать до 256 символов и всего один файл с полным длинным именем займет до 25 элементов таблицы FAT. При этом на диске с файловой системой FAT 16 максимальное число файлов в корневом каталоге сократится до 21. Поэтому необходимо избегать длинных имен файлов в корневом каталоге. Длинна полной спецификации файла, включающая в себя путь к файлу и его имя, также ограничена. В файловой системе FAT 32 успешно решена проблема длинных имен в корневом каталоге, но проблема с ограничением длинны полной файловой спецификации остается. Поэтому рекомендуется ограничивать длинные имена 75−80 символами, для того чтобы оставить достаточно места для пути к файлу.

Корневой каталог в FAT32 больше не располагается в определенном месте, вместо этого в блоке BPB хранится указатель на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге.

Кроме того, для учета свободных кластеров, в зарезервированной области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число свободных кластеров и номер самого последнего использованного кластера. Это позволяет системе при выделении следующего кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файла.