4.1.4Подходы в практической реализации файловой системы
Рассмотрим некоторые подходы в практической реализации файловой системы. Снова вернемся к понятию системного устройства — устройства, на котором, как считается аппаратурой компьютера, должна присутствовать операционная система. Почти в любом компьютере можно определить некоторую цепочку внешних устройств, которые при загрузке компьютера рассматриваться как системные устройства. В этой цепочке имеется определенный приоритет. Во время старта вычислительная система (компьютер) перебирает данную цепочку в порядке убывания приоритета до тех пор, пока не обнаружит готовое к работе устройство. Система предполагает, что на этом устройстве имеется необходимая системная информация и пытается загрузить с него операционную систему. Например, допустим, что компьютер сконфигурирован таким образом, что первым системным устройством является флоппи-дисковод, вторым — дисковод оптических дисков (CDROM), а третьим — жесткий диск. Мы поместили во флоппи-дисковод дискету и включили компьютер. Аппаратный загрузчик обращается к первому системному устройству, поскольку в дисководе присутствует дискета, то считается, что дисковод готов к работе. Тогда происходит попытка загрузки операционной системы с дисковода, и если это будет неуспешно, то будет выведено сообщение об ошибке загрузки системы. Если же дискеты во флопе-дисководе не будет, но будет находиться диск в CDROM, то точно так же будет предпринята попытка загрузить операционную систему, но уже с оптического диска. Если же не будет ни флоппи-дискеты, ни оптического диска, то загрузчик попытается загрузить операционную систему с жесткого диска. Обычно в штатном режиме загрузка происходит с жесткого диска, но в ситуации, например, краха системы и невозможности загрузиться с жесткого диска приведенная модель позволяет загрузить систему со съемного носителя и произвести некие действия по восстановлению работоспособности поврежденной системы.
В приведенной модели работа аппаратного загрузчика основана на предположении о том, что любое системное устройство имеет некоторую предопределенную структуру. В начальном блоке системного устройства располагается основной программный загрузчик (MBR — Master Boot Record).В качестве основного программного загрузчика может выступать как загрузчик конкретной операционной системы, так и некоторый унифицированный загрузчик, имеющий информацию о структуре системного диска и способный загружать по выбору пользователя одну из альтернативных операционных систем.
Структура «системного» диска.
В общем случае после блока основного программного загрузчика на диске следует последовательность блоков, в которых находится т.н. таблица разделов. В современных жестких дисках имеется возможность разбивать все физическое пространство диска на некоторые области, которые называются разделами (partition). Внутри каждого раздела может быть помещена в общем случае своя операционная система. Соответственно, границы каждого раздела (его конец и начало) регистрируются в указанной таблице разделов. Еще одно важное применение данной таблицы связано с тем, что современные диски имеют настолько большие емкости, что для адресации произвольной точки диска не хватает разрядной сетки процессора. И за счет косвенной адресации (адресации относительно начала раздела) использование подобной таблицы позволяет решить данную проблему.
Логическая структура раздела имеет следующий вид. В начальном блоке раздела находится загрузчик конкретной операционной системы. Все остальное пространство раздела обычно занимает файловая система. Зачастую в файловой системе часть пространства выделяется т.н. суперблоку, в котором хранятся настройки (размеры блоков, режимы работы и т.п.) и информация об актуальном состоянии (информация о свободных и занятых блоках и т.п.) файловой системы. Все оставшееся пространство файловой системы состоит из свободных и занятых блоков, т.е. блоков, способных хранить системные и пользовательские данные.
Прежде, чем продолжить изучение способов организации файловых систем, хотелось бы остановиться и еще раз просмотреть, что происходит при загрузке компьютера. При включении компьютера управление передается аппаратному загрузчику, который просматривает согласно приоритетам список системных устройств, определяет готовое к работе устройство и передает управление основному программному загрузчику этого устройства. Последний является программным компонентом и может загрузить конкретную операционную систему, а может являться мультисистемным загрузчиком, способным предложить пользователю выбрать, какую из операционных систем, расположенных в различных разделах диска, загрузить. В одном разделе может находиться, например, ОС Microsoft Windows XP, в другом — Linux, в третьем — FreeBSD, и т.д. Данный мультисистемный загрузчик владеет информацией, какая операционная система в каком разделе диска находится. После того, как пользователь сделал свой выбор, загрузчик по таблице разделов определяет координаты соответствующего раздела и передает управление загрузчику операционной системы указанного раздела. Соответственно, загрузчик операционной системы производит непосредственную загрузку этой ОС.
Говоря об иерархии блоков, у многих создается впечатление, что такие понятия, как, например, блоки файла, блоки файловой системы, блоки устройств и т.п., обозначают одно и то же, что, в общем случае, неверно. Большинство современных операционных систем поддерживают целую иерархию блоков, используемую при организации работы с блок-ориентированными устройствами. В основе этой иерархии лежит блоки физического устройства, т.е. это те порции данных, которыми можно совершать обмен с данным физическим устройством. Более того, размер блока физического устройства зависит от конкретного устройства. Соответственно, детали этого уровня иерархии скрываются следующим уровнем абстракции — блоками виртуального диска. Следующий уровень иерархии — уровень блоков файловой системы. Эти блоки используются при организации структуры файловой системы. Размер блока файловой системы, равно как и виртуального диска, является стационарной характеристикой, определяемой при настройке системы, и в динамике эта характеристика не меняется. И, наконец, последний уровень представляют блоки файла. Размер данных блоков может определить пользователь при открытии или создании файла (как об этом говорилось выше). Отметим, что размер блока, в конечном счете, влияет на эффективность работы, которая будет несколько выше, если размеры всех блоков будут хотя бы кратны друг другу.