Методическое пособие - Файловые системы FAT

write(' Конец раздела:сектор/цилиндр последнего сектора:..'); Sec_Cyl_end[index]:=buffer[offs+7]; writeln(Sec_Cyl_end[index]);

end;

Windows NT. В операционных системах этого направления возможен доступ к физическому диску. Это делается посредством функции CreateFile, с помощью которой можно выполнять не только создание нового файла, открывание существующего файла или каталога, изменение длины существующего файла, но и операции над каналами передачи данных, трубами (pipe), дисковыми устройствами и консолями. Прототип функции CreateFile выглядит следующим образом:

HANDLE CreateFile(

LPCTSTR IpFileNaroe, // адрес строки имени файла DWORD dwDesiredAccess, // режим доступа

DWORD dwShareMode, // режим совместного использования файла

LPSECURITY_ATTRIBUTES IpSecurityAttributes, // дескриптор защиты DWORD dwCreationDistribution, // параметры создания

DWORD dwFlagsAndAttributes, // атрибуты файла

HANDLE hTemplateFile); // идентификатор файла с атрибутами

Через, параметр lpFileName этой функции нужно передать адрес строки, содержащей имя объекта (устройства, файла и т.д.), которые вы собираетесь открыть или создать. Строка должна быть закрыта двоичным нулем.

Параметр dwDesiredAccess определяет тип доступа к открываемому или создаваемому объекту. Здесь можно использовать логическую комбинацию следующих констант:

0атрибуты файла или устройства, открываемого при помощи функции CreateFile

GENERIC_READ Разрешен доступ на чтение

GENERIC_WRITE Разрешен доступ на запись

С помощью параметра dwShareMode задаются режимы совместного использования открываемого объекту. Для этого параметра можно указать комбинацию следующих констант:

Через параметр IpSecurityAttributes необходимо передать указатель на дескриптор защиты или значение NULL, если этот дескриптор не используется.

Параметр dwCreationDistribution определяет действия, выполняемые функцией CreateFile, если приложение пытается создать файл, который уже существует. Для этого параметра можно указать одну из следующих констант:

Параметр dwFlagsAndAttributes задает атрибуты и флаги для файла. При этом можно использовать любые логические комбинации следующих атрибутов (кроме атрибута FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, который можно использовать только отдельно):

В дополнение к перечисленным выше атрибутам через параметр dwFlagsAndAttributes можно передать любую логическую комбинацию флагов, перечисленных ниже:

И наконец, последний параметр hTemplateFile предназначен для доступа к файлу шаблона с расширенными атрибутами для создаваемого файл.

Вслучае успешного завершения функция CreateFile возвращает идентификатор созданного или открытого объекта. При ошибке возвращается значение INVALID_HANDLE_VALUE (а не NULL, как можно было бы предположить). Код ошибки можно определить при помощи функции GetLastError.

Втом случае, если файл уже существует и были указаны константа

CREATE_ALWAYS или OPEN_ALWAYS, функция CreateFile не возвращает кода ошибки. В то же время в этой ситуации функция GetLastError возвращает значение

ERROR_ALREADY_EXISTS.

Функция CloseHandle позволяет закрыть объект. Она имеет единственный параметр - идентификатор закрываемого объекта, полученный от функции CreateFile.

С помощью функций ReadFile и WriteFile приложение может выполнять соответственно чтение из объекта и запись в объект.

BOOL ReadFile(

HANDLE hFile, // идентификатор файла LPVOID IpBuffer, // адрес буфера для данных

DWORD nNumberOfBytesToRead, // количество байт, которое необходимо прочесть в буфер

LPDWORD IpNumberOfBytesRead, // адрес слова, в которое будет записано количество прочитанных байт

LPOVERLAPPED IpOverlapped); // адрес структуры типа OVERLAPPED BOOL WriteFile(

HANDLE hFile, // идентификатор файла

LPVOID IpBuffer, // адрес записываемого блока данных

DWORD nNuroberOfBytesToWrite, // количество байт, которые необходимо записать LPDWORD IpNumberOfBytesWrite, // адрес слова, в котором будет сохранено количество запи-

санных байт

LPOVERLAPPED IpOverlapped); // адрес структуры типа OVERLAPPED

Через параметр hFile этим функциям необходимо передать идентификатор объекта, полученный от функции CreateFile.

Параметр lpBuffer должен содержать адрес буфера, в котором будут сохранены прочитанные данные (для функции ReadFile) или из которого будет выполняться запись данных (для функции WriteFile).

Параметр nNumberOfBytesToRead используется для функции ReadFile и задает количество байт данных, которые должны быть прочитаны в буфер IpBuffer. Аналогично параметр nNumberOfBytesToWrite задает функции WriteFile размер блока данных, имеющего адрес IpBuffer, который должен быть записан в объект.

Так как в процессе чтения возможно возникновение ошибки или достижение конца файла, количество прочитанных или записанных байт может отличаться от значений, заданных соответственно параметрами nNumberOfBytesToRead и nNumberOfBytesToWrite. Функции ReadFile и WriteFile записывают количество действительно прочитанных или записанных байт в двойное слово с адресом соот-

ветственно lpNumberOfBytesRead и lpNumberOfBytesWrite.

Параметр lpOverlapped используется в функциях ReadFile и WriteFile для организации асинхронного режима чтения и записи. Если запись выполняется синхронно, в качестве этого параметра следует указать значение NULL.

Если функции ReadFile и WriteFile были выполнены успешно, они возвращают значение TRUE. При возникновении ошибки возвращается значение FALSE. В последнем случае вы можете получить код ошибки, вызвав функцию GetLastError.

Используя перечисленные функции для чтения MBR можно создать на языке Си следующую функцию:

#pragma pack(1)

typedef struct tagPartitionInfo

{

UCHAR ucActivePartFlag; // Индикатор активного раздела

} PART_INFO, *PPART_INFO; typedef struct tagMBR

{

UCHAR ucBootProgramAndData[0x1be]; // код загрузки PART_INFO PartInfo[4]; // Таблица разделов

USHORT usSignature; // MBR сигнатура 0xaa55 }MBR, *PMBR;

#pragma pack() void ReadMBR(void)

{

HANDLE hPhysicalDrive;

hPhysicalDrive = CreateFile("\\\\.\\PhysicalDrive0", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, 0, OPEN_EXISTING, 0, 0); // открываем устройство,

// представляющее первый жесткий диск if(hPhysicalDrive != INVALID_HANDLE_VALUE)

{

MBR data;

DWORD dwBytesRead;

// Читаем 1-й сектор диска...

ReadFile(hPhysicalDrive, &data, 512, &dwBytesRead, NULL);

…

// закрываем устройство

CloseHandle(hPhysicalDrive);

}

}

Структура FAT16

Как нам уже известно, самый первый сектор логического диска занимает загрузочная запись (Boot Record). Для FAT16, кроме программы начальной загрузки операционной системы, в загрузочной записи находятся параметры, описывающие характеристики данного логического диска. Все эти параметры располагаются в самом начале сектора, в его так называемой форматированной области. Формат области показан в таблице 4.

В самом начале загрузочной записи располагается команда внутрисегментного перехода JMP. Она нужна для обхода форматированной зоны сектора и передачи управления загрузочной программе, располагающейся со смещением (+62).

Название фирмы-производителя не используется операционной системой. Поле со смещением (+38) всегда содержит символ ')'. Этот символ означает, что

используется формат расширенной загрузочной записи. До MS-DOS 4.0 использовался другой формат записи.

Серийный номер диска формируется во время форматирования диска на основе даты и времени форматирования. Это поле может быть использовано для определения факта замены диска в дисководе.

Метка диска формируется при форматировании и может быть изменена командой операционной системы LABEL. Одновременно метка диска помещается в корневой каталог.

(0)2 sect_siz Количество байтов в одном секторе диска.

Блок параметров BIOS. Со смещением (+11) располагается BPB - блок параметров BIOS. Этот блок содержит некоторые характеристики логического диска и

используется дисковыми драйверами. В FAT16 BPB имеет формат, изображенный в таблице 5.

Блок параметров BIOS содержит байт-описатель среды media. Этот байт может служить для идентификации носителя данных, для жесткого диска он имеет значе-

ние F8h.

FAT. Сразу после загрузочного сектора на логическом диске находятся сектора,

содержащие таблицу размещения файлов FAT (File Allocation Table). Назначение этой таблицы станет понятным, если учесть, что файловая система FAT разрабатывалась во время широкого использования либо последовательного доступа к файлам, при котором файлы хранятся друг за другом, либо распределения под файл фиксированного значения кластеров.

При последовательном доступе, прежде чем загрузить файл, требовалось осуществить его поиск (рис.4), заключающийся в последовательном чтении заголовков файлов, начиная с первого, и проверки совпадения имени искомого файла с именем, содержащемся в заголовке. А это увеличивает время доступа к файлу. Кроме того, при увеличении размера файла сохранить его можно только за файлом, хранящимся последним (если хватить места), иначе испортится следующий за вновь сохраняемым файлом файл. Этот недостаток способствует образованию больших объемов неиспользуемых участков диска.

Рис.4. Поиск файла при последовательном доступе

При распределении под файл фиксированного значения кластеров используется прямой доступ к файлу, позволяющий позиционировать считывающие головки сразу на требуемый файл. Однако, из-за того, что место, распределенное под файл, не может быть увеличено, попытка сохранения файла, размер которого превышает заданный, приводит к аварийному завершению сохраняющей файл программы.

Учитывая изложенное, разработчики файловой системы FAT создали файловую систему с прямым доступом к файлу, способную при увеличении размеров файла выделять ему дополнительные сектора из числа свободных, не используемых другими файлами.

В FAT файл располагается не обязательно в смежных областях диска, он может быть разбросан по разным дорожкам и секторам. Информация же об участках, используемых файлом, хранится в таблице размещения файлов FAT. При этом весь диск разбивается на участки одинакового размера, называемые кластерами (рис.1). Для каждого кластера FAT имеет свою индивидуальную ячейку, в которой хранится информация об использовании данного кластера. Другими словами, таблица размещения файлов - это массив, содержащий информацию о кластерах. Размер этого массива определяется общим количеством кластеров на логическом диске.

Все свободные кластеры в FAT помечены нулями. Если файл занимает несколько кластеров, то эти кластеры связаны в список. Для связанных в список кластеров

элементы FAT содержат номера следующих используемых данным файлом кластеров. Конец списка отмечен в таблице специальным значением (рис.5). Номер первого кластера, распределенного файлу, хранится в элементе каталога, описывающего данный файл.

Рис.5. Организация в FAT информации о распределении кластеров под файлы (но-

мера ячеек FAT соответствуют номерам кластеров)

Первый байт FAT называется “Описатель среды” (Media Descriptor) или байт ID идентификации FAT. Он имеет такое же значение, как и байт-описатель среды, находящийся в загрузочной записи логического диска. Следующие 7 байтов всегда содержат значение 0ffh. Остальная часть FAT состоит из 16-битовых ячеек, каждая ячейка соответствует одному кластеру диска. Эти ячейки могут содержать значения, указанные в таблице 6.

Например, из рис. 5 видно, что File 1 использует кластеры 12, 13, 20 и 21, File 2 использует один 14-ый кластер, а в кластере 23 испорчены сектора, и он помечен, как плохой.

Корневой каталог находится. Корневой каталог находится сразу за последней копией FAT. Количество секторов, занимаемых одной копией FAT, находится в блоке параметров BIOS в загрузочной записи в поле fatsize, количество копий FAT - в поле fatcnt блока BPB. Следовательно, перед корневым каталогом находится один сектор загрузочной записи и (fatcnt_*_fatsize) секторов таблицы размещения файлов FAT.

Поскольку загрузочная запись слишком мала для хранения алгоритма поиска системных файлов на диске, то системные файлы должны находиться в определенном месте, чтобы загрузочная запись могла их найти. Фиксированное положение системных файлов в начале области данных накладывает жесткое ограничение на размеры корневого каталога и таблицы размещения файлов. Вследствие этого общее число файлов и подкаталогов в корневом каталоге на диске FAT16 ограничено

512.

Существует два типа каталогов: корневой каталог, о котором говорилось выше, и подкаталоги. Подкаталоги размещаются в области данных, в точности так же, как обычный файл. Размер подкаталога не фиксирован. Подкаталог всегда прикреплен к каталогу-предку, который может быть либо корневым каталогом, либо также подкаталогом. Таким образом формируется древовидная структура (рис. 6).

Любой каталог содержит 32-байтовые элементы - дескрипторы, описывающие файлы и другие каталоги. Формат дескриптора приведен в таблице 7.

Байт атрибутов является принадлежностью каждого файла. Биты этого байта могут иметь значения представленные в таблице 8.

Формат поля времени показан на рис.7. Старшие пять битов содержат значение часа модификации файла, шесть битов с номерами 5-10 содержат значение минут модификации файла, и, наконец, в младших 5 битах хранится значение секунд, деленное на 2. Для того, чтобы время обновления файла уместилось в шестнадцати битах, пришлось пойти на снижение точности времени до двух секунд.

Формат даты обновления файла напоминает формат времени (рис.8).

Для того, чтобы получить значение года обновления файла, необходимо прибавить к величине, хранимой в старших семи битах, значение 1980. Поля месяца и дня каких-либо особенностей не имеют, они полностью соответствуют календарной дате.

Каталог-предок содержит по одному дескриптору для каждого подкаталогапотомка. Элемент подкаталога отличается от дескриптора обычного файла в двух пунктах: во-первых, в поле атрибутов установлен бит “подкаталог”, во-вторых, в поле размера стоит 0.

Рис.8. Формат поля даты