1.5. Ввод-вывод и файловая система

Одной из главных задач ОС является обеспечение обмена данными между приложениями и периферийными устройствами. В современных ОС эти функции выполняет подсистема ввода-вывода. Основными ее компонентами являются драйверы, управляющие внешними устройствами и файловая система.

Ниже файловая система рассматривается совместно с другими компонентами подсистемы ввода-вывода по двум причинам:

— файловая система активно использует остальные части подсистемы ввода-вывода;

— модель файла лежит в основе большинства механизмов доступа к устройствам, используемым в современной подсистеме ввода-вывода.

Задачи ОС по управлению файлами и устройствами:

— организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора;

— согласование скоростей обмена и кэширование данных;

— разделение устройств и данных между процессами;

— обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы;

— поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера;

— динамическая загрузка и выгрузка драйверов;

— поддержка нескольких файловых систем;

— поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.

Логическая организация файловой системы

Одной из основных задач ОС является предоставление удобств пользователю при работе с данными, хранящимися на дисках. Для этого ОС подменяет физическую структуру хранящихся данных некоторой удобной для пользователя логической моделью.

Логическая модель файловой системы материализуется в виде дерева каталогов, выводимого на экран специальными утилитами, в символьных составных именах файлов, в командах работы с файлами. Базовым элементом этой модели является файл, который так же, как и файловая система в целом, может характеризоваться как логической, так и физической структурой. Файл — это именованная область внешней памяти, в нее можно записывать и считывать данные. Файлы хранятся в памяти, не зависящей от электропитания.

Основные цели использования файла: долговременное и надежное хранение информации, а также совместное использование.

Файлы обеспечивают естественный и легкий способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет понятного человеку символьного имени и расположения файла с хранящейся информацией.

Средства работы с файлами обеспечивает файловая система — часть ОС, включающая:

— совокупность всех файлов на диске;

— наборы структур данных, используемых для управления файлами (каталоги, дескрипторы, таблицы распределения пространства на диске);

— комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

Файловая система распределяет дисковую память, поддерживает именование файлов, отображает имена файлов в соответствующие адреса во внешней памяти, обеспечивает доступ к данным, поддерживает разделение, защиту и восстановление файлов. Таким образом, файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирующего все сложности физической организации долговременного хранилища данных, и создает более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляет им набор удобных в использовании команд для манипулирования файлами.

Задачи, решаемые файловой системой, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом.

Основные функции файловой системы для однопользовательской и однопрограммной ОС:

— именование файлов;

— программный интерфейс для приложений;

— отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

— устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств.

В однопользовательской мультипрограммной ОС добавляется совместный доступ к файлу из нескольких процессов; во многопользовательских системах появляется еще одна задача — защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого.

Типы файлов

Обычные файлы — содержат информацию произвольного характера.

Каталоги — особый тип файлов, содержащий системную справочную информацию о наборе файлов.

Специальные файлы — фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам.

Иерархическая структура файловой системы может быть сетью или деревом. Файлы в такой системе имеют различные имена: простые, составные (полные), относительные; а также атрибуты.

Логическая модель файла — это структурированная либо неструктурированная последовательность байт.

Физическая организация файловой системы

Физическая организация файловой системы описывает принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на реальном устройстве.

Диски в общем случае состоят из пакета пластин. Дорожки (traks) — тонкие концентрические кольца на каждой стороне каждой пластины. Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин пакета называется цилиндром. Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами или блоками, так что все дорожки имеют равное число секторов, в которые можно максимально записать одно и то же число байт. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, выражающийся степенью двойки (512, 1024 байт). ОС при работе с диском использует собственную единицу дискового пространства, называемую кластером.

Дорожки и секторы создаются в результате выполнения процедуры физического, или низкоуровневого, форматирования диска. Низкоуровневый формат диска не зависит от типа ОС, которая будет этот диск использовать. Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого, или логического, форматирования. При этом определяется размер кластера.

Физическая организация и адресация файла

Виды физической организации:

— непрерывное размещение;

— связанный список кластеров;

— связанный список индексов;

— перечень номеров кластеров.

В настоящее время эти виды реализуются с помощью: FAT, s5, ufs, NTFS, подробную информацию о которых можно найти в [1].