Файловая организация данных на диске
Логическая структура диска
Хотя операционная система считывает и записывает на диск отдельные секторы, пространство под файлы отводится в кластерах, которые состоят из одного или более секторов. Каким бы маленьким ни был файл, он всегда занимает на диске по крайней мере один кластер: файл длиной в 1 байт занимает 1 кластер, файл в 511 байт на дискете также занимает один кластер. На рис. 1 показан файл1 размером 1025 байт и кластеры, каждый из которых имеет величину 1024 байта, или 2 сектора (1 сектор диска=512 байт). Данные файла1 занимают весь первый кластер и только один байт второго, остальная же часть второго кластера ничем не заполнена, однако недоступна для других файлов (эта незанятая область по-английски называется slack). В следующем доступном кластере могут размещаться данные другого файла. Если первый файл увеличится в длине, он займет большую часть второго кластера. Если под данные этого файла не хватит второго кластера, файл будет продолжен в следующем доступном кластере.
На рис.1 файл размером 1025 байт на 1 байт больше, чем величина кластера, поэтому для его размещения на диске необходимы два кластера.
Число секторов в кластере зависит от типа диска и операционной системы: на дискете 1,44 Мбайт каждый кластер занимает один сектор и равен 512 байт. Жесткие диски имеют по 4, 8 и т. д. или 128 секторов на кластер (макс. объем 1 кластера=64 Кбайта).
Рис.1 Организация файлов на диске.
Операционная система идентифицирует кластеры, нумеруя их последовательно, начиная с первого, помеченного как кластер с номером 2. Нумерация кластеров начинается в области данных диска, поэтому первый кластер на диске (кластер 2) фактически есть первый кластер в области данных диска. Вам будет легче это понять, если вы примете во внимание, что в отличие от дорожек и секторов кластеры физически не размечены на диске. Операционной системе просто удобно рассматривать группы собранных вместе секторов как кластеры.
Кластеры являются логическими объектами, в то время как дорожки и секторы - физические объекты.
Помните, что при ссылке на абсолютный сектор учитывается его физическое положение на диске. Поскольку на диске не записаны номера кластеров, не существует понятия «абсолютный кластер».
Эффективность использования дискового пространства зависит, в частности, и от соотношения величины кластера и характерного размера ваших файлов. Необходимо учитывать, что при работе даже с маленьким файлом операционная система использует целый кластер, который может включать много пустых секторов.
Изменение числа секторов на кластер (этот процесс в данной книге не рассматривается) должно производиться только после того, как вы выполнили архивацию жесткого диска.
Системная область
Когда вы форматируете диск, операционная система всегда резервирует самую дальнюю от центра дорожку для своих целей. Эта часть диска называется системной областью и включает в себя загрузочную запись, таблицу размещения файлов (file allocation table, или FAT) и корневой каталог. Остальная часть диска называется областью данных и используется для размещения данных и программ. Область данных гораздо больше системной области. На 40 Мбайт жестком диске системная область занимает менее 0,1% от всего пространства.
Вы можете ссылаться на секторы в системной области, используя нумерацию или понятие абсолютного сектора. Однако вы не можете ссылаться на кластеры в системной области, так как они нумеруются начиная с области данных.
Загрузочная запись
Загрузочная запись, имеющаяся на всех форматированных дисках, включает в себя блок параметров BIOS. В нем содержится информация о физических характеристиках диска, необходимая драйверам устройств.
В загрузочную запись также входит программа начальной загрузки, которая используется для пуска компьютера после системного сброса или включения питания.
Затем программа начальной загрузки, расположенная в ПЗУ, загружает в память компьютера содержимое сектора начальной загрузки.
Загрузочная запись занимает на диске один сектор и включает в себя ВРВ: программу начальной загрузки и оставшуюся неиспользованной часть сектора.
Программа начальной загрузки проверяет наличие на диске системных файлов. Если системные файлы не найдены, компьютер выдает на дисплей сообщение об ошибке.
Таблица разделов
Таблица разделов, присутствующая на любом жестком диске, делит его на области (называемые разделами), воспринимаемые ОС как отдельные диски. С помощью таблицы разделов резервируется пространство для различных операционных систем, которые вы можете установить и использовать затем для создания собственных разделов. Например, Windows и UNIX могут быть запущены на одном компьютере. Жесткий диск может содержать до четырех первичных разделов, но только один из них может быть активным в каждый момент времени.
Таблица разделов начинается с главной загрузочной записи, которая содержит сведения о том, какой из разделов является активным и используется при загрузке системы. В главной загрузочной записи хранится также информация о расположении загрузочных записей как операционной системы активного раздела, так и всех остальных операционных систем, установленных на диске. При запуске компьютер использует эту информацию для загрузки операционной системы, соответствующей активному разделу. Если на жестком диске нет других операционных систем кроме Windows, вы можете сделать так, чтобы раздел Windows занимал весь диск.
Дискеты не имеют таблицы разделов и не могут быть поделены между несколькими операционными системами.
Рис.2 Таблица размещения файлов
Таблица размещения файлов
Следующую часть системной области диска занимает таблица размещения файлов , которая также создается при форматировании диска. ОС использует файловую таблицу для хранения информации, необходимой для доступа к файлам, записанным на диске. Файловая таблица FAT настолько важна, что ОС обычно создает две ее копии. FAT можно представить как таблицу, состоящую из двух колонок: в первой размещен последовательный список кластеров из области данных диска, а во второй -список чисел, дающих специальную информацию о каждом кластере. Если кластер используется для хранения данных некоторого файла, во второй колонке содержится номер следующего кластера этого файла.
Помните, что данные, принадлежащие файлу, не обязательно хранятся в последовательных кластерах. В противном случае строка второй колонки может содержать одну из следующих записей:
На рис.2 показано, как записи в FAT объединяются в логические цепочки. Файл А начинается в кластере 2, затем перескакивает на кластер 8. Следующий использованный этим файлом кластер-11. За ним следует кластер 12, где, согласно FAT, файл кончается. Файл А расщеплен на 4 кластера, два из которых отделены друг от друга. Это называется фрагментацией.
Windows NT поддерживает несколько файловых систем, самые важные из которых — NTFS (NT File Sysytem — файловая система Windows NT) и FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов). Первая была разработана специально для NT. Вторая является старой файловой системой для MS-DOS, которая также используется в Windows 95/98 (хотя и с длинными именами файлов). FAT-32 начала использоваться с NT 5.0. Она поддерживалась и в более поздних версиях Windows 95 и Windows 98.
В файловой системе NTFS длина имени файла может быть до 255 символов. Имена файлов написаны в коде Unicode, благодаря чему люди в разных странах, где не используется латинский алфавит, могут писать имена файлов на их родном языке. В файловой системе NT заглавные и строчные буквы в именах файлов считаются разными (то есть foo отличается от FOO).
Корневой каталог
В следующих за FAT секторах размещен корневой каталог, который является третьей частью системной области на форматированном диске. Величина этой области не может быть изменена, но она пропорциональна общему объему диска. Например, на дискете емкостью 360 Кбайт корневой каталог может содержать до 112 записей, тогда как на жестком диске-512 либо 1024 в зависимости от типа диска.
Если диск системный, первые два файла в корневом каталоге содержат интерфейсную программу BIOS. Программа начальной загрузки использует эти файлы, когда она загружает операционную систему в память и передает ей управление.
Каждая запись в каталоге имеет длину 32 байта и может содержать информацию о файле или подкаталоге. Запись имеет следующий формат:
Имя файла представляет собой запись длиной в 259 байт, разделенную на 8 или 255 байтовое основное имя и 3-байтовое расширение, которое отделено от основного имени точкой. Точка не хранится в отдельном байте, но, вводя имя файла с клавиатуры и желая присвоить ему расширение, вы должны поставить точку перед 257 символом.
Байт атрибутов может иметь один или несколько установленных одновременно битов атрибутов, например, системный файл может быть также и скрытым. Атрибут будет установлен, если в соответствующем ему бите записана единица. Если в байте атрибутов все биты установлены в нуль, то это соответствует обычному файлу с программой или данными, который можно модифицировать или уничтожить. Могут быть установлены следующие атрибуты:
Файлы «только для чтения» можно использовать, но нельзя изменить их содержимое.
Скрытые файлы не выводятся в листинги каталогов
Системные файлы предназначены только для чтения.
Архивные файлы хранятся в сжатом виде.
Метка тома -это короткая запись, используемая для идентификации диска. Метка может включать до 11 символов. В записи каталога метка выглядит как файл, не имеющий длины.
Имя подкаталога имеет тот же формат, что и имя файла.
Бит архивации используется при архивации данных.