Аппаратные средства персонального компьютера.

6.6. Файловые системы.

6.6.1. Назначение и функционирование файловой системы.

В операционных системах файловая система относится к основным понятиям и определяется как общая система, которая устанавливает правила присвоения имен файлам, хранение, организацию и обработку файлов на носителях информации. Носители информации (ЗУ) реализуются в виде соответствующих технических средств для хранения информации. В любой ОС имеются программные модули, управляющие файловой системой. Таким образом, файловая система – это часть операционной системы, которая обеспечивает запись и чтение файлов на носителях информации (внешних ЗУ), т. е. представляет пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на ЗУ. Кроме того, файловая система определяет логическую и физическую (при реализации процедуры физического форматирования) структуру ЗУ, осуществляет поиск файлов и служебных данных файла, организует файлы в каталоги или папки. Как уже отмечалось, файловая система определяет способ размещения данных на ЗУ, поэтому остановимся подробнее на существующих файловых системах, разработанных фирмой Microsoft.

Фирма Microsoft разработала несколько файловых систем для персональных компьютеров, таких как FAT, FAT16, FAT32, NTFS и т. д. Файловые системы, разработанные другими фирмами, поддерживаются ОС с помощью специальных модулей. Функционирование файловой системы реализуется в виде многоуровневого процесса, где каждый уровень представляет набор функций предшествующему уровню и обращается к последующему с соответствующим запросом.

Общая модель процесса функционирования файловой системы представлена на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Общая модель функционирования файловой системы

К процессам первого уровня можно отнести процессы, связанные с определением по символьному имени файла его уникального имени, процессы второго уровня связаны с определением характеристик файла по его уникальному имени, а процессы третьего уровня – с проверкой допустимости заданной операции к искомому файлу и т. д. Процессы n-го уровня связаны с определением номера физического блока, содержащего логическую запись.

6.6.2. Файловая система FAT.

Файловая система FAT используется ОС MS DOS и ОС Windows для упорядочения файлов и управления ими. В основу данной файловой системы положена таблица размещения FAT (File Allocation Table), которая представляет собой структуру данных, создаваемую ОС при форматировании данных на ЗУ. ОС хранит в таблице размещения файлов сведения о каждом файле, чтобы при необходимости можно было извлечь нужный файл.

Файловая система FAT использовалась во всех версиях ОС MS-DOS, а также в первых версиях ОС Windows 95. Указанная файловая система вполне удовлетворяла требованиям своего времени в основном потому, что сама по себе очень компактна и проста. Благодаря этому она успешно использовалась и используется в НГМД. Для хранения файла в FAT может использоваться один или несколько кластеров, стандартный размер кластера 512 байт. Минимальной единицей информации в файловой системе является кластер, который может включать в себя несколько секторов. Каждому кластеру диска в таблице FAT соответствует отдельная запись, которая либо указывает на следующий кластер файла, либо содержит метку конца файла. Кроме того, файловая система создает на диске каталог, представляющий собой базу данных имен файлов. В каталоге хранятся имена входящих в него файлов. Вместе с именем файла хранится и указатель на первый кластер этого файла. Помимо этого в каталоге хранятся дата создания файла, его размер и атрибуты. Атрибуты могут указывать на то, что файл является скрытым, зарезервированным для использования операционной системой, требует архивирования (резервного копирования) или предназначен только для чтения.

Файловая система FAT универсальна, распознается практически любой операционной системой, установленной на персональных компьютерах и рабочих станциях.

Однако наряду с указанными преимуществами файловая система FAT имеет значительные ограничения и недостатки: под имя файла отводится всего 12 байт, а работа с НЖМД большого объема приводит к значительной фрагментации файлов, т. е. фрагменты файлов хранятся в различных, удаленных друг от друга кластерах. Это обстоятельство приводит к замедлению работы компьютера при поиске или сохранении файла.

Существует несколько версий файловой системы FAT, среди которых наибольшее применение нашли файловые системы FAT 16 и FAT 32. Отличие этих файловых систем состоит в разрядности чисел, используемых в таблицах размещения файлов.

6.6.2.1. Файловая система FAT 16.

Файловая система FAT 16 поддерживается ОС MS DOS, Windows 95, Windows 98, Windows 2000, а также некоторыми версиями ОС UNIX.

Цифра 16 в названии файловой системы указывает на число бит (двоичных разрядов), необходимых для хранения информации о номерах кластеров, используемых файлом, т. е. в таблице размещения файлов можно разместить не более 65536 записей (N = 216 = 65 536, где N число записей).

Таким образом, файловая система FAT16 может осуществлять адресацию только к 65 536 кластерам, записанным на диске.

Файловая система FAT 16 имеет ряд существенных недостатков.

Первый и основной – это ограничение, которое накладывает файловая система FAT16 на максимальный объем тома (раздела) диска. Например, если учесть то обстоятельство, что максимальный объем кластера К = 32 Кбайта, то максимальный (теоретический) информационный объем дискового тома найдем из выражения V = К · N = 32 · 65536/1024 · 1024 = 2 Гбайта.

Современные НЖМД имеют объем памяти несколько десятков гигабайт, поэтому применение файловой системы FAT16 для них неэффективно.

Второй недостаток заключается в том, что для хранения всех файловых атрибутов система FAT использует всего 1 байт. Поэтому просто не представляется возможности хранить данные о правах доступа к файлу, его владельце и т. д.

Третий недостаток: при использовании большего размера диска необходимо использовать больший размер кластера. В файловой системе файлам всегда выделяется целое число кластеров и один файл занимает, как минимум, один кластер. Например, для диска объемом 40 Гбайт размер кластера будет равен: 40 Гбайт/65536 = 640 Кбайт, а так как файлам выделяется целое число кластеров, то текстовый файл, содержащий (например) слово «кластер» и имеющий объем 7 байт, будет на диске занимать целиком кластер, т. е. 640 Кбайт дискового пространства. Получается, что физически файл занимает не 7 байт, а 640 Кбайт. Таким образом, использование файловой системы FAT 16 для дисков больших объемов памяти приводит к большим потерям свободного дискового пространства.

Четвертый недостаток: сведения о физическом расположении файлов хранятся в одном месте – таблице размещения файлов FAT. Это увеличивает вероятность повреждения и потери всей информации, хранящейся на диске. Кроме того, снижается скорость поиска файлов, так как для поиска определенного файла нужно обработать всю таблицу целиком.

Пятый недостаток заключается в том, что в файловой системе FAT 16 не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие.

Таким образом, использование файловой системы FAT 16 в настоящее время неэффективно. Однако следует заметить, что она была создана достаточно давно и удовлетворяла требованиям того времени.

В табл. 6.3 показано соотношение между информационным объемом НЖМД и объемом кластера для файловой системы FAT16.

Таблица 6.3.

6.6.2.2. Файловая система FAT32.

Файловая система FAT32 является расширенной версией файловой системы FAT16, поддержка которой была впервые реализована в Windows 95В (известной также как OEM Service Release 2), выпущенной в августе 1996 г. Файловая система FAT32 поддерживается также ОС Windows 98, Windows 2000 и Windows ХР. Оригинальная версия Windows 95 и различные версии Windows NT не поддерживают FAT 32.

Файловая система FAT32 пришла на смену файловой системы FAT16. Основное отличие файловой системы FAT32 от файловой системы FAT16 заключается в том, что в таблице размещения файлов FAT можно разместить не 65 536 записей о номерах кластерах, а 268435445 (N = 228 = 268435456, где N – число записей; первые четыре двоичных разряда таблицы FAT используются файловой системой для служебных целей; кроме того, 11 чисел являются зарезервированными и не могут быть присвоены фактическим кластерам жесткого диска).

Таким образом, файловая система FAT32 может осуществлять адресацию к 268 435 445 кластерам, записанным на диске.

Одна из основных причин создания FAT32 состояла в необходимости более эффективно использовать дисковое пространство. В этой файловой системе используются кластеры меньшего размера для накопителей, емкость которых не превышает 8 Гбайт (размер кластеров при этом составляет 4 Кбайт), что позволяет на 10–15 % повысить эффективность использования дискового пространства накопителя по сравнению с накопителем в файловой системе FAT16. Кроме того, в файловой системе FAT32 увеличивается максимальный размер тома (раздела) диска. Так, если учесть, что максимальный объем кластера К = 32 Кбайт, то максимальный (теоретический) объем дискового тома найдем из выражения: V = К · N = 32 · 268 435 445/1024 · 1024 · 1024 = 8 Тбайт.

Следовательно, в файловой системе FAT32 существенно увеличивается максимальный объем тома (раздела) диска. По другим признакам файловая система FAT32 осталась практически такой же, как FAT16.

В табл. 6.4 показано соотношение между информационным объемом НЖМД и информационным объемом кластера для файловой системы FAT32.

Таблица 6.4.

Перечислим преимущества и недостатки файловой системы FAT32.

Основные преимущества:

• более эффективное использование дискового пространства, на 10–15 % больше, чем в файловой системе FAT16;

• большая надежность, поскольку система FAT32 поддерживает возможность перемещения корневого каталога и использование резервной копии FAT. Корневой каталог (папка) сохраняется в виде обычного файла, который может быть расположен в любом месте жесткого диска;

• идеальный формат для внешних накопителей информации, подключаемых через порты USB и Fire Wire.

Основные недостатки:

• ограничение объема тома (раздела) диска. Операционные системы Windows 2000 и Windows ХР форматируют только те разделы FAT32, информационный объем которых не превышает 32 Гбайт. Для форматирования разделов FAT32 большего информационного объема (т. е. более 32 Гбайт) придется отформатировать разделы в Windows 98 или Windows Millennium Edition;

• отсутствие встроенных функций, обеспечивающих безопасность (защиту) файлов и их сжатие. В файловой системе FAT32 все пользователи имеют доступ ко всем файлам на жестком диске независимо от типа учетной записи;

• невозможность эффективно работать с каталогами, содержащими большое количество файлов.

6.6.3. Файловая система NTFS.

Файловая система NTFS является улучшенной файловой системой. Она обеспечивает уровень быстродействия и безопасности, а также дополнительные возможности, недоступные ни в одной из версий файловой системы FAT. Файловая система NTFS (New Technology File System) предназначена только для операционных систем, созданных на основе операционной системы Windows NT, т. е. может использоваться ОС Windows 2000 и Windows ХРи не поддерживается ОС Windows 98и Windows Millennium Edition.

В отличие от файловых систем FAT файловая система NTFS поддерживает разделы большего информационного объема до 16 Тбайт. Кроме того, в NTFS используются кластеры меньшего, чем в FAT32, объема, что позволяет более эффективно использовать дисковое пространство. Например, в разделе NTFS объемом 30 Гбайт используются кластеры размером 4 Кбайт, тогда как в разделе такого же объема, отформатированном в FAT32, используются кластеры размером 16 Кбайт. Использование кластеров меньшего размера позволяет уменьшить потери дискового пространства.

В табл. 6.5 показано соотношение между информационным объемом НГМД и объемом кластера для файловой системы NTFS.

Таблица 6.5.

В NTFS используется специальная файловая структура, которая включает в себя главную файловую таблицу MFT (Master File Table) и файлы метаданных. Главная файловая таблица MFT представляет собой реляционную базу данных, состоящую из строк и столбцов, в которых содержатся записи и атрибуты файлов. Эта таблица содержит записи практически всех файлов, расположенных в разделе NTFS. Файловая система NTFS создает записи файлов и каталогов (папок) для каждого файла или каталога, созданного в разделе NTFS. Эти записи хранятся в MFT, причем каждая из них занимает 1 Кбайт. Записи файлов содержат данные о местоположении записи в MFT, а также атрибуты файлов и другую информацию, относящуюся к этим файлам.

Файловая система NTFS предназначена для управления кластерами с помощью 64-разрядных двоичных чисел, но в существующих версиях используются только 32-разрядные двоичные числа. Использование 32-разрядных чисел позволяет обеспечить адресацию к 4294967295 кластерам, каждый из которых обычно занимает объем 4 Кбайта.

Теоретически объем тома (раздела) NTFS равен 16 Тбайт. Однако практически из-за ограничений, налагаемых файловой системой NTFS, эта величина уменьшается до 2,2 Тбайт.

Перечислим основные преимущества и недостатки файловой системы NTFS.

Основные преимущества:

• более эффективное использование дискового пространства;

• обеспечение целостности данных тома (раздела) за счет использования стандартных технологий записи и восстановления информации. Например, в случае сбоя компьютера целостность файловой системы восстанавливается с помощью файла журнала NTFS и данных о контрольных точках;

• наличие встроенных средств защиты, которые дают возможность устанавливать разрешения для каждого файла или каталога. NTFS имеет встроенную файловую систему кодирования EFS (Encrypted File System), которая проводит динамическое кодирование и декодирование в процессе работы с зашифрованными файлами или папками, не позволяя другим пользователям обращаться к этим файлам;

• возможность указывать дисковые квоты, т. е. отслеживать и контролировать использование различными пользователями дискового пространства в разделах NTFS;

• наличие функции встроенного динамического сжатия, которая позволяет сжимать и разархивировать файлы по мере их использования.

Основные недостатки:

• тома (разделы) диска, отформатированные с помощью файловой системы NTFS, недоступны при использовании ОС MS DOS, Windows 95 и Windows 98;

• для томов (разделов) диска небольшого объема, содержащих много файлов небольшого объема, происходит снижение производительности по сравнению с файловой системой FAT.

Рассмотренные выше файловые системы имеют свои преимущества и недостатки, поэтому при форматировании жесткого диска компьютера, работающего под управлением ОС Windows ХР, можно выбрать для раздела жесткого диска одну из рассмотренных файловых систем: NTFS, FAT, FAT 16 или FAT32. Однако многие разработчики компьютерных систем рекомендуют использовать файловую систему NTFS при форматировании жесткого диска большого информационного объема, если на компьютере планируется работа только с ОС Windows ХР.

Для проверки правильности работы перечисленных выше файловых систем существуют специальные программы. В ОС Windows ХР такой программой является служебная программа «Проверка диска». Для запуска данной программы и проверки диска выполним следующие действия:

1. Откроем папку «Мой компьютер».

2. Выполним щелчок правой кнопкой мыши по диску, который необходимо проверить.

3. В открывшемся контекстном меню, выполним щелчок левой кнопкой мыши по опции (пункту) «Свойства».

4. В открывшемся окне «Свойства: Локальный диск» выберем вкладку «Сервис».

5. Выполним щелчок левой кнопкой мыши по кнопке «Выполнить проверку…», при этом откроется окно (рис. 6.4).

6. В этом окне не будем включать опции автоматического исправления системных ошибок и проверки и восстановления поврежденных секторов.

7. Выполним щелчок левой кнопкой мыши по кнопке «Запуск», программа запустится и можно наблюдать ход проверки.

После окончания проверки выдается соответствующий отчет.

Рис. 6.4. Окно «Проверка диска»

6.6.4. Файловая система CDFS.

В настоящее время для записи и считывания данных с оптических дисков (компакт-дисков) используются различные файловые системы и форматы записи информации. Наибольшее распространение получила файловая система CDFS (Compact Disk File System), отвечающая стандарту ISO 9660 (ISO – International Organization for Standartization, международная организация по стандартизации, созданная в 1947 г. для разработки стандартов в различных областях техники).

Данный стандарт описывает размещение информации на компакт-дисках и имеет два уровня ограничений на длину имен файлов и директорий, поэтому иногда в технической литературе вместо файловой системы CDFS говорят о файловой системе ISO Level 1 и ISO Level 2.

Файловая система CDFS (ISO Level 1) поддерживается многими ОС (см. табл. 6.6), однако в ней можно использовать имена файлов длиной не более 11 символов (11 = 8 + 3).

Файловая система CDFS (ISO Level 2) допускает использование имен файлов длиной не более 31 символа, буквы для написания имен файлов используются строчные, глубина вложения каталогов – не более 8 уровней.

В ОС Windows ХР встроены программные средства (мастер записи компакт-дисков) для записи оптических дисков с использованием данной файловой системой.

Для ОС семейства Windows (Windows 95, Windows 98, Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows Me, Windows ХР) используется файловая система Joliet, в которой возможности размещения и обработки файлов превышают ограничения стандарта ISO 9660. Данная файловая система позволяет использовать в именах файлов и папок все возможности ОС Windows. К таким возможностям относятся, например, наличие в именах файлов пробелов, русских букв и специальных символов в длинных именах файлов. Многие программные средства, предназначенные для записи оптических дисков, поддерживают файловую систему Joliet.

Однако при создании компакт-дисков и использовании их в других ОС желательно использовать стандарт ISO 9660. Поэтому если планируется использовать создаваемый компакт-диск только при работе с ОС семейства Windows, то лучше использовать файловую систему Joliet.

Перечисленные выше файловые системы позволяют выбрать формат записи информации на компакт-диск. Различают варианты форматов записи компакт-дисков Mode 1: CDROM и Mode 2: CDROM ХА. По умолчанию предлагается второй вариант формата записи компакт-дисков Mode 2: CDROM ХА, который обеспечивает более гибкий подход к записи информации и поэтому является предпочтительным.

6.6.5. Файловая система UDF.

Файловая система UDF (Universal Disk Format) разработана в соответствие со стандартом ISO 13346 и используется для размещения информации на CD– и DVD-накопителях, а также для обмена информации между ними. Файловая система UDF позволяет использовать CD и DVD как НЖМД, записывая, редактируя и удаляя любые файлы. Однако CD и DVD, на которых размещена информация с использованием данной файловой системы, не будет читаться в большинстве операционных систем, если не установлено специальное программное обеспечение (дополнительный драйвер). Данное программное обеспечение входит в состав системных программ начиная с ОС Windows 2000.

Многие программные средства, такие как «Мастер записи компакт-дисков» ОС Windows ХР, Nero Burning Rom, Easy CD Creator, WinOnCD и т. д., предназначенные для записи оптических дисков, поддерживают различные файловые системы и позволяют записывать информацию на оптические диски в разных форматах. Поэтому при записи оптического диска необходимо знать, какую файловую систему и формат записи выбрать. При неправильном выборе в дальнейшем прочитать информацию с записанного оптического диска будет очень затруднительно и заготовка («болванка») оптического диска будет испорчена.

В заключение приведем табл. 6.6, в которой указаны ОС и поддерживаемые ими файловые системы.

Таблица 6.6.

* Поддерживается только ОС Windows 95В, одной из версий ОС Windows 95, известной также как OEM Service Release 2.