2. Файловая система

Файловая система – часть операционной системы, поддерживающая работу с файлами (создание, хранение и поиск). Представляет собой банк данных информации, организованной в файлы, и систему управления базами данных (СУБД), организованную по иерархической топологии. Отсюда название – иерархическая файловая система или иерархическое файловое дерево.

Файл (file) – поименованное место в памяти машины, предназначенное для хранения законченной, неделимой информационной конструкции (документа текстового, графического, табличного, звукового, программ или составляющих частей программных комплексов); информация в виде отдельного блока с присвоением индивидуального полного имени. Файл в операционной системе, DOS или Windows, является логической единицей хранения данных.

Наименования файлов состоят из двух частей (основного имени файла и его расширения), которые разделяются точкой, например: letter1.doc

Расширение файла – код от двух до четырёх буквенных или буквенно-цифровых символов, которые характеризуют формат данных, т.е. их вид. Примеры расширений: doc, jpg, pdf.

Формат файла – запись (в виде m.n), количество символов в имени и расширении файла. Например, в файловой системе компакт-дисков ISO 9660 используется формат 8.3.

Кластер – минимальный блок (кратен 512 байтам) физического пространства на диске для адресации к данным, являющимся минимальной единицей для хранения данных. Файл записывается в один, если его достаточно, или несколько смежных (желательно) или несмежных кластеров. Разметка носителя памяти на кластеры и проверка исправности кластеров производятся в ходе процедуры форматирования. Размер кластера зависит от используемого физического формата диска.

Фрагментированный файл – файл, записанный в несмежных кластерах (блоках).

Форматирование диска – процесс разметки устройств хранения или носителей информации: жёстких дисков, дискет, устройств хранения на основе флеш-памяти, оптических носителей и др. Само форматирование заключается в создании структур файловой системы. При этом вся находящаяся на носителе информация теряется или уничтожается. В процессе форматирования также может проверяться целостность носителя. Форматирование реализуется на тех уровнях:

1) Форматирование диска на низком уровне (низкоуровневое форматирование). При этом процессе на жестком диске создаются физические структуры: треки (дорожки), сектора, управляющая информация. Этот процесс выполняется заводом-изготовителем на пластинах, которые не содержат ещё никакой информации.

2) Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает объём винчестера на логические диски (C, D, и т. д.).

3) Высокоуровневое форматирование. Этот процесс также контролируется операционной системой и зависит как от типа операционной системы, так и от утилиты, используемой для форматирования

Дефрагментация диска – процедура системного программного обеспечения для размещения файлов в соответствующие локальные (смежные) кластеры, что способствует увеличению быстродействия при обработке информации за счёт исключения механических процедур перехода головок (операций) считывания от конца предыдущего кластера к началу несмежного следующего.

Каталог (или директорий) или папка – включает вложенные в неё другие подкаталоги, папки, один или несколько файлов.

Подкаталог (подпапка, поддиректорий) – каталог, вложенный в каталог более верхнего уровня иерархической файловой системы (иерархического файлового дерева).

Надкаталог (родительский каталог) – каталог, порождающий (содержащий) текущий каталог.

Корневой каталог – каталог самого верхнего уровня файловой системы устройства хранения информации, который не вложен ни в какие другие каталоги, а сам порождает (содержит) другие каталоги.

Шаблон имён файлов - форма условной записи файлов. Шаблон включает:

* – символ, обозначающий произвольное сочетание разрешённого количества символов в имени или расширении файла. Примеры:

*.* – файлы с любым именем и любым расширением, т.е. все файлы;

А*.* – все файлы, имя которых начинается с буквы А;

*.BAS – все файлы с расширением .BAS;

NC?.* – файлы, имена которых из 3-х символов, первые из которых NC и с любым расширением;

NC.??? – файлы с именем NC и любым расширением не более трёх символов, эквивалентно NC.*.

Путь – последовательность из имён каталогов до файла, например ….\PETROV\ОТЧЕТ1.doc. Здесь первый символ: \ (обратная слэш) – символ корневого каталога; остальные символы \ – разделители подкаталогов.

FAT [File Ablocation Table] –таблица размещения файлов – указывает точки входа в файлы, номера первого и последующих кластеров файла. FAT также определяет физический формат диска. Здесь из-за отсутствия копии таблицы размещения файлов при повреждении FAT-зоны повреждается весь диск.

Существует три версии FAT — FAT12, FAT16 и FAT32. Они отличаются разрядностью записей в дисковой структуре, т.е. количеством бит, отведённых для хранения номера кластера. FAT12 применяется в основном для дискет, FAT16 — для дисков малого объёма.

Все 3,5-дюймовые дискеты емкостью 1,44 Мбайт форматируются для FAT16, а все 5,25-дюймовые - для FAT12.

В файловой системе FAT смежные секторы диска объединяются в единицы, называемые кластерами. Количество секторов в кластере может быть равно 1 или степени двойки (см. далее). Для хранения данных файла отводится целое число кластеров (минимум один). Максимально возможный размер файла для тома FAT32 — 4 ГБ, а в целях защиты тома на нем хранятся две копии FAT.

FAT12 – файловая система, в которой для адресации блока (кластера) используется 12 бит. Максимально адресуемое пространство памяти определяется из формулы:

,

где n- количество разрядов для адресации кластера,

m - количество байтов в кластере.

При n=12 и m=512 байт адресуемый объём памяти N=2Мб, в связи с чем FAT-12 используется для гибких дисков.

FAT16 – файловая система, в которой для адресации блока (кластера) используется 16 бит. Макимальное количество адресуемых кластеров N=2¹⁶ Максимальный размер диска 2 Гб, размер кластера - в диапазоне от 512 байт до 32 Кб.

FAT32 – файловая система, в которой для адресации блока (кластера) используется 28 бит. Маскимальное количество адресуемых кластеров N=2²⁸ =268435456. Максимальный размер диска 2Tб, размер кластера – в диапазоне от 512 байт до 32 Кб.

Размер кластера по умолчанию определяется операционной системой текущим размером тома (диска). В табл. 2.1 приведено сравнение размеров кластеров для FAT16 и FAT32 в зависимости от размера диска.

Таблица2.1. Размеры кластеров по умолчанию для FAT 16 и FAT32

Размер диска	Размер кластера FAT16	Размер кластера FAT32
До 32 Мбайт	512 байт	Не поддерживается
32-63 Мбайт	1 Кбайт	Не поддерживается
64-127 Мбайт	2 Кбайт	Не поддерживается
128-255 Мбайт	4 Кбайт	Не поддерживается
256-511 Мбайт	8 Кбайт	Не поддерживается
512-1023 Мбайт	16 Кбайт	4 Кбайт
1024-2047 Мбайт (2 Гбайт)	32 Кбайт	4 Кбайт
2048-8191 Мбайт (8 Гбайт)	Не поддерживается	4 Кбайт
8192-16383 Мбайт (16 Гбайт)	Не поддерживается	8 Кбайт
16384-32767 Мбайт (32 Гбайт)	Не поддерживается	16 Кбайт
От 32 Гбайт	Не поддерживается	32 Кбайт

На основании таблица следует, что с увеличением размера диска размер кластера FAT16 увеличивается, хранение файлов на таких дисках становится неэффективным. Например, если файл размером 10 Кбайт хранится в кластере размером 32 Кбайт, то 22 Кбайт дискового пространства не используются

Разметка памяти на диске в системе FAT32 в отличие от FAT12 и FAT16 предусматривает наличие резервной FAT-зоны :

Разметка диска для FAT32

Файловая таблица (FAT-зона)

Место под файлы

Файловая таблица ( копия FAT-зоны)

FAT реализует механизм доступа к файлам следующим образом. В результате форматирования все кластеры нумеруются. Дефектные и свободные кластеры помечаются соответствующими кодами FF7 и 000, а последний кластер файла – кодом FFF. Если файл удаляется, то занимаемые ими кластеры становятся «свободными», в связи с чем в таблице FAT им присваиваются коды 000.

Например, фрагментированный файл размещён на магнитной ленте в кластерах 9,10, 12 и 45:

...

Кластер 8

Кластер 9

Кластер 10

Кластер 11

Кластер 12

Кластер 13

...

точка входа в файл

...

Кластер 44

Кластер 45

Кластер 46

Кластер 47

...

Таблица FAT для данного файла имеет вид:

Номер текущего кластера	Номер следующего кластера файла или его код
…	…
9	10
10	12
11	FF7
12	45
13	000
….	…
44	000
45	FFF
46	…
….	…

В каталоге, содержащем сведения о файлах, для каждого файла указывается номер первого из кластеров файла. Этот номер – точка входа в файл.

НPFS [High Performance File Sistem] – файловая система для дисков с объёмом памяти 200…400 Мб. Здесь поддерживается структура каталогов FAT, при этом дополнительно вносятся сведения о создании и внесении изменений, а также о времени и дате доступа. НPFS старается располагать данные файла в смежных секторах, что уменьшает фрагментацию диска. Недостаток – полное отсутствие средств автоматического восстановления в случае повреждения.

NTFS [New Technology File System] – новая технологическая файловая система для дисков с объёмом памяти более 400 Мб, имеет копии ряда зон и включает: MFT-зону [Master File Table] – общую таблицу файлов (централизованный каталог), места под файлы и копию MFT-зоны. Достоинство – самовосстанавливаемость в случае повреждения таблицы файлов. Недостаток – требует значительного объёма памяти, в связи с чем Windows форматирует малые дискеты в системе FAT. Разметка памяти в NTFS:

MFT – зона

Место под файлы (данные)

Копия MFT-зоны

Место под файлы (данные)