1321

данные. Количество дорожек зависит от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Когда диск вращается, элемент, называемый головкой, считывает двоичные данные с магнитной дорожки или записывает их на нее.

Головка может позиционироваться над заданной дорожкой. Головки перемещаются над поверхностью диска дискретными шагами, каждый шаг соответствует сдвигу на одну дорожку. Запись на диск осуществляется благодаря способности головки изменять магнитные свойства дорожки. В некоторых дисках вдоль каждой поверхности перемещается одна головка, а в других – имеется по головке на каждую дорожку. В первом случае для поиска информации головка должна перемещаться по радиусу диска. Обычно все головки закреплены на едином перемещающем механизме и двигаются синхронно. Поэтому, когда головка фиксируется на заданной дорожке одной поверхности, все остальные головки останавливаются над дорожками с такими же номерами. В тех же случаях, когда на каждой дорожке имеется отдельная головка, никакого перемещения головок с одной дорожки на другую не требуется, за счет этого экономится время, затрачиваемое на поиск данных.

Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин пакета называется цилиндром (англ. cylinder). Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (англ. sectors) или блоками (англ. blocks), 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.

Сектор – наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с ОП. Для того чтобы контроллер мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектораОперационная система при работе с диском использует, как правило, собственную единицу дискового пространства, называемую кластером. При создании файла место на диске ему выделяется кластерами. Например, если файл имеет размер 2560 байт, а размер кластера в файловой системе определен в 1024 байта, то файлу будет выделено на диске 3 кластера.

Дорожки и секторы создаются в результате выполнения процедуры физического, или низкоуровневого форматирования диска, предшествующей использованию диска. Для определения границ блоков на диск записывается идентификационная информация.

Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого, или логического,

форматирования. При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая для работы файловой системы, в том числе информация о доступном и неиспользуемом пространстве, о границах областей, отведенных под файлы и каталоги, информация о поврежденных областях.

Жесткий диск может содержать до четырех основных разделов. Это ограничение связано с характером организации данных на жестких дисках IBM-совместимых компьютеров.

В первом физическом секторе жесткого диска располагается головная запись загрузки и таблица разделов.

Головная запись загрузки (англ. master boot record, MBR) – первая часть данных на жестком диске. Она зарезервирована для программы начальной загрузки BIOS (ROM Bootstrap routine), которая при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (англ. Boot Sector).

Последние два байта таблицы разделов имеют значение 055AAh, то есть чередующиеся значения 0 и 1 в двоичном представлении данных. Эта сигнатура выбрана для того, чтобы проверить работоспособность всех линий передачи данных. Значение 055AAh, присвоенное последним двум байтам, имеется во всех загрузочных секторах.

5.2. Принципы построения файловой системы

Вопросы для рассмотрения: Интерфейс файловой системы. Функциональная схема организации файловой системы. Типовая структура файловой системы на диске. Способы выделения дискового пространства. Управление дисковым пространством. Размер логического блока.

Рекомендуемая литература: 6. Перечень дополнительных ресурсов: 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение литературы.

Файл – это именованный объект, который может хранить данные, программу или другую информацию.

Файловую систему можно определить как состоящую из двух составных частей:

1.Совокупность файлов и управляющей информации на диске для доступа к файлам.

2.Совокупность программных средств ОС для доступа к файлам,

осуществляется доступ.

При каждом переносе байтов ( чтении или записи ) указатель автоматически передвигается вперед на перенесенное число байтов. Достижение конца файла определяется ОС, которая сообщает об этом в программу передачей специального условия EOF – End Of File. Условие EOF регистрируется ОС только при чтении информации в тот момент, когда указатель чтения-записи достигает значения, равного размеру файла.

Для текстовых файлов условие EOF регистрируется при чтении специального символа EOF – это ASCII-символ 1Ah (символ Ctrl-Z), после которого, как правило, следует комбинация символов CR-LF (0Dh,0Ah).

Автоматическое приращение указателя записи-чтения позволяет осуществлять доступ к файлу байт за байтом. Это так называемый последовательный доступ (consequtive access). Наличие средств перемотки указателя на необходимую позицию в файле дает возможность осуществлять доступ к заданному месту в файле. Этот доступ называется прямым или произвольным ( direct or random access

).

Чтобы получить доступ к файлу, он должен быть открыт. Открытие файла выполняется специальными функциями ОС и связано с созданием ОС управляющей информации о файле. Эта информация сведена в специальную внутреннюю системную таблицу.

Если файл больше не нужен, он закрывается, при этом разрушается внутренняя информация о файле и обновляется информация о файле в директории, если выполнялась запись в файл.

5.3. Особенности загрузки ОС

Вопросы для рассмотрения: Этапы загрузки ОС. Особенности загрузки различных ОС.

Рекомендуемая литература: 6. Перечень дополнительных ресурсов: 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение литературы.

Первый этап загрузки ОС. В системном блоке компьютера находится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, постоянная память, ROM-Read Only Memory - память с доступом только для чтения), в котором содержатся программы тестирования блоков компьютера и первого этапа загрузки ОС. Они начинают выполнятся с первым импульсом тока при включении компьютера. На этом этапе

процессор обращаются к диску и проверяет наличие на определенном месте (в начале диска) очень небольшой программы - загрузчика. Если эта программа обнаружена, то она считывается в ОЗУ и ей передается управление.

Второй этап загрузки ОС. Программа - загрузчик, в свою очередь, ищет на диске базовый модуль ОС, переписывает его память и передает ему управление.

Третий этап загрузки ОС. В состав базового модуля входит основной загрузчик, который ищет остальные модули ОС и считывает их в ОЗУ. После окончания загрузки ОС управление передается командному процессору и на экране появляется приглашение системы к вводу команды пользователя.

Заметим, что в оперативной памяти во время работы компьютера обязательно должны находится базовый модуль ОС и командный процессор. Следовательно, нет необходимости загружать в оперативную память все файлы ОС одновременно. Драйверы устройств и утилиты могут подгружаться в ОЗУ по мере необходимости, что позволяет уменьшать обязательный объем оперативной памяти, отводимый под системное программное обеспечение.

5.4. Файлы и файловая система

Вопросы для рассмотрения: Имена файлов. Типы файлов:

обычные файлы, специальные файлы, каталоги. Логическая организация файла. Физическая организация и адрес файла. Дескриптор файла. Управление доступом к файлам и каталогам. Защита от несанкционированного доступа. Многоуровневая модель файловой системы. Отображение файлов в адресное пространство выполняемого процесса. Архитектура современной файловой системы. Цели и задачи файловой системы. Типы файлов. Атрибуты файла. Доступ к файлам. Операции над файлами. Иерархическая структура каталогов. Операции над директориями.

Рекомендуемая литература: 6. Перечень дополнительных ресурсов: 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение литературы.

Все программы данные хранятся в долговременной (внешней) памяти компьютера в виде файла.

Файл -это определенное количество информации (программа или данные), имеющие имя и хранящееся в долговременной (внешней)

памяти.

Имя файла. Полное имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственного имя файла и расширение, определяющее его тип (программа, данные и т.д.). Собственно имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании.

Вразличных операционных системах существуют различные форматы имен файлов. В операционной системе МS-DOSсобственно имя файла должно содержать не более 8 букв латинского алфавита и цифр, а расширение состоит из трех латинских букв,

например:proba.txt.

Воперационной системе Windowsимя файла может иметь до 255 символов, причем можно использовать русский алфавит, например: Единицы измерения информации.Doc.

Файловая система. На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется используемой файловой системой.

Каждый диск разбивается на две области: область хранения файлов и каталог. Каталог содержит название файла и указание на начало его размещения на диске. Если провести аналогию диска с книгой, то область хранения файлов соответствует тексту книги, а каталог – ее оглавлению. Причем книга состоит из страниц, а диск – из секторов.

Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) может использоваться одноуровневая файловая система, когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов. Такой каталог можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит только названия отдельных рассказов.

Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска файлы хранятся в многоуровневой иерархической файловой системе, которая имеет “древовидную” структуру. Такую иерархическую систему можно сравнить, например, с оглавлением данного учебника, которое содержит иерархическую систему разделов, глав, параграфов и пунктов. Начальный, корневой, каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь, каждый из них может содержать вложенные каталоги 2-го уровня и т.д. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.

Файловая система– это система хранения файлов и организации каталогов.

Воперационных системах с графическим интерфейсом

иерархическая файловая система представляется в виде иерархической системы папок.

Имя файла обычно состоит из собственного имени и так называемого расширения, служащего для определения типа данных, хранящихся в файле (типа файла). Имя файла и его расширение разделяются точкой.

Кроме имени, файл имеет атрибуты(дата создания, дата изменения, пользователь прав доступа и т.д.).

Файловая система позволяет организовывать файлы в иерархические древовидные каталоги. Каталог самого верхнего уровня называетсякорневым каталогом. Во многих операционных системах корневой каталог обозначается именем логического источника данных

– латинской буквой с двоеточием.

Остальные каталоги делятся на системные и пользовательские. Системные каталоги имеют служебные имена, назначенные операционной системой при установке. Имена пользовательских каталогов задаются пользователем по его усмотрению.

Тот каталог, в котором пользователь находится в настоящий момент, называется текущим каталогом.

Последовательность имен каталогов, проходимых от некоторого каталога до нужного файла, называется путем к этому файлу. Имена каталогов в этой последовательности принято разделять знаком «\».

Абсолютное имяфайла складывается из пути к файлу от корневого каталога и имени файла.Относительное имя– из пути к файлу из текущего каталога и имени файла.

5.5. Особенности организации некоторых файловых систем

Вопросы для рассмотрения: FAT, FAT32, VFAT, NTFS, HPFS,

UFS. Назначение и функции операционных оболочек. Norton Commander. Возможности Norton Commander 5.0. Windows Commander. Возможности Windows Commander 4. Пакет сервисных программ Norton Utilities: назначение, основные возможности.

Рекомендуемая литература: 5, 6. Перечень дополнительных ресурсов: 3, 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение литературы.

Файловая система FAT (от англ. File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом (англ. Bill Gates) и Марком МакДональдом (англ. Mark McDonald) в 1977 году и первоначально использовалась в ОС 86-DOS. Чтобы добиться переносимости

программ из ОС CP/M в 86-DOS, в ней были сохранены ранее принятые ограничения на имена файлов. В дальнейшем 86-DOS была приобретена Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. Файловая система FAT была предназначена для работы с гибкими дисками размером менее 1 Мбайт, и вначале не предусматривала поддержки жестких дисков. В настоящее время FAT поддерживает файлы и разделы размером до 2 Гбайт.

Файловая система Virtual FAT (VFAT), 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). Система 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; в имя можно включать несколько пробелов и точек, однако, текст

после последней точки рассматривается как расширение; регистр символов в именах не различается, но сохраняется.

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 комбинацию битов атрибутов «только для чтения», «скрытый», «системный», «метка тома» – то любые файловые функции старых версий ОС DOS и Windows не заметят такого элемента каталога. Поэтому для каждого файла и подкаталога в VFAT хранится два имени: длинное и короткое в формате 8.3 для совместимости со старыми приложениями. Длинные имена 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.

Файловая система NTFS (New Technology File System) – наиболее предпочтительная файловая система при работе с ОС Windows NT, поскольку она была специально для нее разработана.

Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону (Master File Table или главная файловая таблица) – пространство, в котором происходит рост метафайла MFT.

Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов, причем свободное место диска включает в себя всё физически свободное место, включая незаполненные фрагменты MFT-зоны.

Высокопроизводительная файловая система (англ. High Performance File System – HPFS) была представлена фирмой IBM в 1989 году вместе с ОС OS/2 1.20. Файловая система HPFS также поддерживалась ОС Windows NT до версии 3.51 включительно. По производительности эта система существенно опережает FAT. Система HPFS позволяет использовать жесткие диски объемом до 2 Терабайт (первоначально до 4 Гбайт). Кроме того, она поддерживает разделы диска размером до 512 Гб и позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов (на каждый символ отводится 2 байта). В HPFS по сравнению с FAT уменьшено время доступа к файлам в больших каталогах.

Файловая система HPFS распределяет пространство на диске не кластерами как в FAT, а физическими секторами по 512 байт, что не позволяет ее использовать на жестких дисках, имеющих другой размер сектора (блока). Чтобы уменьшить фрагментацию диска, при распределении пространства под файл система HPFS стремится, по возможности, размещать файлы в последовательных смежных секторах. Фрагмент файла, располагающийся в смежных секторах, называется экстентом.

Для нумерации единиц распределения пространства диска HPFS использует 32 разряда, что дает 232, или более 4 миллиардов номеров. Однако HPFS использует числа со знаком, что сокращает число возможных номеров блоков до 2 миллиардов. Помимо стандартных атрибутов файла, HPFS поддерживает расширенные атрибуты файла (англ. Extended Attributes – EA), которые могут содержать до 64 Кб различных дополнительных сведений о файле.

Диск HPFS имеет следующие три базовые структуры (рис. 48): загрузочный блок (англ. BootBlock), дополнительный блок (англ.

SuperBlock) и резервный блок (англ. SpareBlock).

Файл в ОС Unix представляет собой множество символов с произвольным доступом. В файле могут содержаться любые данные, помещенные туда пользователем, и файл не имеет никакой иной

структуры, кроме той, какую создаст в нем пользователь.

Информация на дисках размещается блоками. В первой версии файловой системы размер блока – 512 байт. Во многих современных файловых системах, разработанных для конкретной версии Unixподобных систем, размер блока больше. Это позволяет повысить быстродействие файловых операций. Например, в системе FFS (Fast File System – быстродействующая файловая система) размер блока равен 8192 байт.

5.6. Дисковые массивы RAID

Вопросы для рассмотрения: RAID1: Зеркальные диски. RAID 2:

матрица с поразрядным расслоением. RAID 3: аппаратное обнаружение ошибок и четность. RAID 4: внутригрупповой параллелизм. RAID 5: четность вращения для распараллеливания записей.

Рекомендуемая литература: 5, 6.

Перечень дополнительных ресурсов: 2, 3, 4.

Наименование вида самостоятельной работы: изучение литературы.

Одним из способов повышения производительности ввода/вывода является использование параллелизма путем объединения нескольких физических дисков в матрицу (группу) с организацией их работы аналогично одному логическому диску. К сожалению, надежность матрицы любых устройств падает при увеличении числа устройств.

Существует несколько способов объединения дисков RAID. Каждый уровень представляет свой компромисс между пропускной способностью ввода/вывода и емкостью диска, предназначенной для хранения избыточной информации.

Когда какой-либо диск отказывает, предполагается, что в течение короткого интервала времени он будет заменен и информация будет восстановлена на новом диске с использованием избыточной информации. Это время называется средним временем восстановления (mean time to repair - MTTR). Этот показатель можно уменьшить, если в систему входят дополнительные диски в качестве "горячего резерва": при отказе диска резервный диск подключается аппаратнопрограммными средствами. Периодически оператор вручную заменяет все отказавшие диски. Четыре основных этапа этого процесса состоят в следующем:

определение отказавшего диска,

устранение отказа без останова обработки;