6 Внешние запоминающие устройства

Классифицируем внешние запоминающие устройства по типа носителя информации:

1. Дисковые накопители:

а) магнитные

-сменные носители (накопители на сменных жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли);

-несменные носители: накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на флоптических дисках (floptical-накопители), накопители сверх высокой плотности записи (VHD-накопители);

б) оптические: накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk ROM), накопители на оптических дисках однократная запись - многократное чтение СС WORM (Continuous Composite Write Once Read Many), накопители на магнитооптических дисках (НМОД), накопители на цифровых видеодисках DVD (Digital Versatile Disk);

в) смешанные

2) Ленточные накопители:

а) бобинные

б) кассетные (стримеры)

В магнитных дисках для записи информации используют магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, фиксирующие два магнитных состояния (направления намагниченности) 0 и 1.

Процесс записи/считывания информации на магнитные диски производятся магнитными головками на дорожки, при вращающемся вокруг своей оси диске. Количество дорожек на магнитных дисках и их емкость зависят от типа диска (жесткий или гибкий, сменный или встроенный в компьютер) и диаметра (форм-фактора): 3,5" (89 мм), 5,25" (133 мм).

Совокупность дорожек диска, находящихся на одинаковом расстоянии от центра, называется цилиндром.

Устройство для чтения/записи информации на магнитный диск называется дисководом, характеризуется важным параметром – время доступа.

Время доступа (access time) к информации - время, затрачиваемое дисководом до процесса чтения/записи данных и равняется сумме ряда временных характеристик:

-времени перемещения магнитной головки на нужную дорожку (seek time);

-времени установки головки и затухания ее колебаний (setting time);

-времени ожидания вращения (rotation latency);

-ожидания момента появления под головкой нужного сектора при вращении диска.

6.1 Логическая структура данных на диске

Файл - набор данных (программы, результаты вычислений и т.д.) расположенных на внешнем носителе информации с определенным именем.

Файловая система - совокупность программ для выполнения операций над файлами, бывают: для DOS и Windows 9x - FAT16, FAT32 и FAT12 для дискет, для Windows NT/2000/XP - NTFS, для Linux - Ext2FS и т. д.

При работе с файлами производятся следующие действия:

- чтение информации из файла;

- запись информации в файл;

-создание файла (присвоение имени, формирование атрибутов и т. д. );

- изменение атрибута файла;

-открытие (поиск файла на диске и перенос в ОЗУ атрибутов) и закрытие файла (сохранение атрибутов);

-переименование и удаление файла;

Существует два формата в которых создаются файлы:

-двоичный, в нем хранятся исполняемые программы и данные в кодовом виде;

-текстовый (файл ASCII), состоит из строк, в каждой из которых текстовые символы.

Каждый файл характеризуются : полным именем (имя файла и расширение), атрибутами, датой и временем создания, длиной.

Имя файла является обязательным элементом может состоять из 1 до 8 символов в DOS и из 1 до 255 символов в Windows. Расширение - необязательный элемент, определяющий тип файла, который отделяется от имени точкой и может состоять из 1 до 3 символов. Некоторые расширения являются стандартными для операционной системы: EXE, COM - файл-программа готовая к выполнению; ВАТ - пакетный исполняемый командный файл; SYS - системный файл; ТХТ - текстовый файл DOS; DOC - текстовый файл Word; XLS - файл электронных таблиц Excel; ВАК - копия файла; ARJ, ZIP - архивный файл и т.д.

Атрибут - это набор признаков, по которому задаются способы использования и права доступа к файлу. DOS допускает следующие атрибуты:

-R (Read only) - файл предназначен только для чтения и не может быть удален, изменен, предназначен для защиты от случайного изменения, уничтожения файла.

-Н (Hidden) - скрытый файл, сведения о котором не отображаются обычными средствами просмотра.

-S (System) - системный файл, обеспечивает работу внешних устройств.

-A (Archive) - не архивированный файл, присваивается каждому создаваемому файлу и сбрасывается при архивировании.

Замечание

Архивация файла - создание его резервной копии в специальном формате.

Каждый файл или подкаталог имеет размер 32 байт (8 полей): имя файла (8 байт); расширение имени файла (3 байта); атрибут файла (1 байт); резерв (10 байт); время создания или последней модификации файла: час, минута, секунда (8 байт); дата создания или последней модификации файла: год, месяц, день (2 байта), номер кластера, с которого начинается файл на диске (2 байта); фактическая длина файла в байтах – (4 байта).

Каталог – специальный файл в котором содержится информация о файлах и подчиненных каталогах.

Сформулируем правила формирования файловой структуры на диске:

-файл (каталог) не может иметь имя совпадающее с другим в одном и том же каталоге;

-файлы (каталоги) с одинаковыми именами допускаются, но в различных каталогах;

-порядок расположения файлов и подкаталогов в каталоге произвольный;

Размещение информации на дисках

Перед размещением информации на диске необходимо его разбить на дорожки, которые в свою очередь на секторы, по 512 байт. Обмен данными между дисковой системой и оперативной памятью осуществляется кластерами (два или более смежных сектора дорожки). Количество секторов в кластере равно целой степени 2, так в FAT 16 количество кластеров на диске не больше 2¹⁶ = 65 525, а размер кластера зависит от объема диска. Так, для диска емкостью 1,2 Гбайт размер кластера равен: 1200/64 = 19, 2 Кбайт, после округления получим 32 Кбайт. Из расчета видно, что FAT 16 функционирует только для дисков емкостью не более 2 Гбайт, в связи с этим была разработана FAT32, имеющая следующие размеры кластера: 4, 8, 15, 32 Кбайт для дисков емкостью до 8, 16, 32 и более Гбайт соответственно.

Физическая организация FAT.

Логический раздел, отформатированный под файловую систему FAT, состоит из следующих областей:

-Загрузочный сектор содержит программу начальной загрузки операционной системы. Вид этой программы зависит от типа операционной системы, которая будет загружаться из этого раздела.

-Основная копия FA Т содержит информацию о размещении файлов и каталогов на диске..

-Резервная копия FAT.

Корневой каталог занимает фиксированную область размером в 32 сектора (16 Кбайт), что позволяет хранить 512 записей о файлах и каталогах, так как каждая запись каталога состоит из 32 байт.

-Область данных предназначена для размещения всех файлов и всех каталогов, кроме корневого каталога.

Файловая система FAT поддерживает всего два типа файлов: обычный файл и каталог. Файловая система распределяет память только из области данных, причем использует в качестве минимальной единицы дискового пространства кластер.

Таблица FAT (основная копия и резервная) состоит из массива индексных указателей, количество которых равно количеству кластеров области данных. Между кластерами и индексными указателями имеется взаимно однозначное соответствие — нулевой указатель соответствует нулевому кластеру и т. д.

Индексный указатель может принимать следующие значения, характеризующие состояние связанного с ним кластера:

-кластер свободен (не используется);

-кластер используется файлом и не является последним кластером файла; в этом случае индексный указатель содержит номер следующего кластера файла;

-последний кластер файла;

-дефектный кластер;

-резервный кластер.

Таблица FAT является общей для всех файлов раздела. В исходном состоянии (после форматирования) все кластеры раздела свободны и все индексные указатели (кроме тех, которые соответствуют резервным и дефектным блокам) принимают значение «кластер свободен». При размещении файла ОС просматривает FAT, начиная с начала, и ищет первый свободный индексный указатель. После его обнаружения в поле записи каталога «номер первого кластера» фиксируется номер этого указателя. В кластер с этим номером записываются данные файла, он становится первым кластером файла. Если файл умещается в одном кластере, то в указатель, соответствующий данному кластеру, заносится специальное значение «последний кластер файла». Если же размер файла больше одного кластера, то ОС продолжает просмотр FAT и ищет следующий указатель на свободный кластер. После его обнаружения в предыдущий указатель заносится номер этого кластера, который теперь становится следующим кластером файла. Процесс повторяется до тех пор, пока не будут размещены все данные файла. Таким образом создается связный список всех кластеров файла.

В начальный период после форматирования файлы будут размещаться в последовательных кластерах области данных, однако после определенного количества удалений файлов кластеры одного файла окажутся в произвольных местах области данных, чередуясь с кластерами других файлов.

Размер таблицы FAT и разрядность используемых в ней индексных указателей определяется количеством кластеров в области данных. Для уменьшения потерь из-за фрагментации желательно кластеры делать небольшими, а для сокращения объема адресной информации и повышения скорости обмена наоборот — чем больше, тем лучше. При форматировании диска под файловую систему FAT обычно выбирается компромиссное решение и размеры кластеров выбираются из диапазона от 1 до 128 секторов, или от 512 байт до 64 Кбайт.

Очевидно, что разрядность индексного указателя должна быть такой, чтобы в нем можно было задать максимальный номер кластера для диска определенного объема. Существует несколько разновидностей FAT, отличающихся разрядностью индексных указателей, которая и используется в качестве условного обозначения: FAT12, FAT16 и FAT32. В файловой системе FAT12 используются 12-разрядные указатели, что позволяет поддерживать до 4096 кластеров в области данных диска1, в FAT16 - 16-разрядные указатели для 65 536 кластеров и в FAT32 -32-разрядные для более чем 4 миллиардов кластеров.

Таблица FAT при фиксированной разрядности индексных указателей имеет переменный размер, зависящий от объема области данных диска.

При удалении файла из файловой системы FAT в первый байт соответствующей записи каталога заносится специальный признак, свидетельствующий о том, что эта запись свободна, а во все индексные указатели файла заносится признак «кластер свободен». Остальные данные в записи каталога, в том числе номер первого кластера файла, остаются нетронутыми, что оставляет шансы для восстановления ошибочно удаленного файла. Существует большое количество утилит для восстановления удаленных файлов FAT, выводящих пользователю список имен удаленных файлов с отсутствующим первым символом имени, затертым после освобождения записи. Очевидно, что надежно можно восстановить только файлы, которые были расположены в последовательных кластерах диска, так как при отсутствии связного списка выявить принадлежность произвольно расположенного кластера удаленному файлу невозможно (без анализа содержимого кластеров, выполняемого пользователем «вручную»).

Резервная копия FAT всегда синхронизируется с основной копией при любых операциях с файлами, поэтому резервную копию нельзя использовать для отмены ошибочных действий пользователя, выглядевших с точки зрения системы вполне корректными. Резервная копия может быть полезна только в том случае, когда секторы основной памяти оказываются физически поврежденными и не читаются.

Используемый в FAT метод хранения адресной информации о файлах не отличается большой надежностью — при разрыве списка индексных указателей в одном месте, например из-за сбоя в работе программного кода ОС по причине внешних электромагнитных помех, теряется информация обо всех последующих кластерах файла.

Адресация информации на диске

На магнитном диске используются следующие системы адресации:

-в BIOS: номер цилиндра, магнитной головки, сектора;

-в DOS - сквозная нумерация секторов с внешнего нулевого цилиндра, нулевой головки, первого сектора.

На диске располагаются область данных и системная область, в которой расположены:

-главная загрузочная запись (MBR - main boot record), содержащая информацию о конфигурации диска: имя системного раздела, общее количество разделов на диске и размер каждого из них.

-таблица размещения файлов (FAT - file allocation table) - содержит таблицу принадлежности секторов файлам, без нее невозможно прочитать файл на диске, особенно если кластеры файла записаны не подряд. Поэтому для надежности FAT на диске дублируется.

-корневой каталог диска - содержит список файлов (подкаталогов) с их параметрами: имя, расширение, атрибут, размер в байтах, дата и время создания или последнего обновления, номер начального кластера.