Организация дискового пространства.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

На физическом уровне определяется непосредственное размещение информации на устройстве хранения, задаваемое файловой системой.

Рассмотрим в качестве примера организацию дискового пространства для широко распространенных носителей информации – магнитных дисков.

Все пространство магнитного диска разбито на дорожки, которые в свою очередь разделены на сектора. Для создания дорожек и секторов используется специальная процедура, которая называется форматированием и выполняется, обычно, с помощью программы " FORMAT".

Процесс форматирования является сложной процедурой, состоящей из 2 раздельных операций, называемых форматированием низкого и высокого уровней. Низкий уровень форматирования (физический) состоит в нанесении на диск электронных меток для указания физических мест дорожек и секторов. Затем на высоком уровне форматирования, называемом также логическим, происходит выделение служебных областей на диске.

Перед использованием диск обязательно должен быть отформатирован. Программа форматирования проверяет также работоспособность диска, отсутствие ошибок при записи и считывании информации. Дефектные сектора специальным образом помечаются и в дальнейшем не используются. Если диск уже был отформатирован и на нем записана информация, то повторная процедура форматирования уничтожает существующие данные на диске

Обе стадии форматирования гибких дисков выполняются одновременно, но когда та же самая команда применяется к жестким дискам, то выполняется форматирование только высокого уровня, при этом предполагается, что форматирование низкого уровня уже проведено изготовителем.

В первом физическом секторе жесткого диска располагается головная загрузочная запись и таблица разделов диска. Головная загрузочная запись (master boot record, MBR) при загрузке с жесткого диска считывает и загружает в память первый физический сектор на активном разделе диска, называемый загрузочным сектором (Boot Sector). Каждая запись в таблице разделов (partition table) содержит начальную позицию и размер каждого раздела на жестком диске, а также информацию о том, первый сектор какого раздела содержит загрузочную запись

Базовой единицей ФС жесткого диска является раздел, создаваемый во время разметки жесткого диска и обслуживаемый какой-либо файловой системой. Некоторые операционные системы поддерживают создание томов, охватывающих несколько разделов. Жесткий диск может содержать до четырех основных разделов. Это ограничение связано с характером организации данных на жестких дисках IBM-совместимых компьютеров. Многие операционные системы позволяют создавать, так называемый, расширенный (extended) раздел, который по аналогии с основным разделом может разбиваться на несколько логических дисков.

FAT. Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. В дальнейшем она была приобретена фирмой Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками и вначале не предусматривала поддержку жестких дисков.

Файловая система FAT не может контролировать отдельно каждый сектор, поэтому она объединяет смежные сектора в кластеры (clusters). Кластер - это группа смежных секторов, имеющая уникальный номер. Таким образом, уменьшается общее количество единиц хранения, за которыми должна следить файловая система. Кластер считывается и записывается целиком, и поэтому представляет собой минимальное пространство, которое может занимать файл. Это приводит к тому, что часть пространства диска расходуется впустую. (Например, файл длинной 2 байта будет занимать весь кластер длинной 512 байт и соответственно 510 байт останутся недоступными для хранения других данных).

Используется следующий алгоритм считывания файлов. При получении имени файла для выполнения операции считывания, ОС обращается к корневому каталогу и считывает номер начального кластера этого файла. Затем ОС обращается в запись FAT с данным номером и анализирует его содержимое. Если в записи содержится номер следующего кластера, ОС запоминает его, переходит к записи с этим номером для ее обработки. Это происходит до тех пор, пока в очередной записи FAT не встретится признак конца файла (EOF, End Of File). Получив, таким образом, цепочку кластеров принадлежащих данному файлу, ОС производит непосредственное чтение информации из кластеров с данными номерами, находящихся в области данных. Таким образом, из содержимого отдельных кластеров формируется содержимое файла.

Процедура записи файла имеет другой алгоритм. Получив содержимое файла, ОС делит его на порции равные размеру кластера области данных и определяет их количество. Обратившись в FAT, ОС отыскивает первую свободную запись, запоминает ее номер, создает в каталоге новый элемент со сведениями о файле и записывает в него этот номер в качестве начального кластера размещения файла. После этого, отыскивается следующая свободная запись FAT и ее номер записывается в предыдущую запись FAT. Если в записи FAT присутствует признак испорченности, то он пропускается, и запись информации в соответствующий кластер области данных не производится. Так продолжается до тех пор, пока не будет найдено место под все порции файла. В запись FAT, соответствующую номеру последнего кластера, записывается признак конца файла (EOF). После нахождения места для размещения каждой порции файла, происходит физическая запись его содержимого в область данных.

Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет самый первый свободный кластер в таблице размещения файлов. Если в процессе работы одни файлы были удалены, а другие изменились в размере, то появляющиеся в результате пустые кластеры будут рассеяны по диску. Если кластеры, содержащие данные файла, расположены не подряд, то файл оказывается фрагментированным

Сильно фрагментированные файлы значительно снижают эффективность работы т.к. при поиске очередной записи файла выполняются лишние перемещения головок чтения/записи. В состав операционных систем, поддерживающих FAT, обычно входят специальные программы (утилиты) дефрагментации диска, предназначенные повысить производительность файловых операций.

Еще один недостаток FAT заключается в том, что ее производительность сильно зависит от количества файлов, хранящихся в одном каталоге. При большом количестве файлов, выполнение операции считывания списка файлов в каталоге может занять несколько минут. Это обусловлено тем, что в FAT каталог имеет линейную неупорядоченную структуру, и имена файлов в каталогах идут в порядке их создания. В результате, чем больше в каталоге записей, тем медленнее работают программы, так как при поиске файла требуется просмотреть последовательно все записи в каталоге.

VFAT. Файловая система VFAT (Virtual FAT), 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). VFAT использует ту же самую схему распределения дискового пространства, что и файловая система FAT.

В VFAT изменены 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. В итоге для каждого файла и подкаталога в VFAT хранится два имени: длинное и короткое в формате 8.3 для совместимости со старыми программами. Длинные имена (LFN) хранятся в специальных записях каталога. 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 которых 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

FAT 32 - усовершенствованная версия файловой системы VFAT, поддерживающая жесткие диски объемом более 32 Гб. Впервые файловая система FAT32 была включена в состав ОС Windows 95 OSR 2 и поддерживается во всех последующих версиях. В FAT32 были расширены атрибуты файлов, позволяющие теперь хранить время и дату создания, модификации и последнего доступа к файлу или каталогу.

Из-за требования совместимости с ранее созданными программами структура FAT32 содержит минимальные изменения. Главные отличия от предыдущих версий FAT состоят в следующем: - блок начальной загрузки на разделах с FAT32 был увеличен до 2· секторов и включает в себя резервную копию загрузочного сектора, что позволяет системе быть более устойчивой к возможным сбоям на диске; - объем, занимаемый таблицей размещения файлов, увеличился, · поскольку теперь каждая запись в ней занимает 32 байта, и общее число кластеров на разделе FAT32 больше, чем на разделах FAT. Соответственно, выросло и количество секторов под размещение служебных областей; - корневой каталог в FAT32 больше не располагается в определенном· месте, теперь на его месте хранится указатель на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге; - для учета свободных кластеров в зарезервированной области на· разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число свободных 208 кластеров и номер самого последнего использованного кластера. Это позволяет системе при выделении следующего кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файлов

HPFS. Высокопроизводительная файловая система HPFS (High Performance File System) была представлена фирмой IBM в 1989 году вместе с операционной системой OS/2 1.20. По производительности эта ФС существенно опережает FAT. HPFS позволяет использовать жесткие диски объемом до 2 Терабайт. Кроме того, она поддерживает разделы диска размером до 512 Гб и позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов (на каждый символ при этом отводится 2 байта). В HPFS по сравнению с FAT уменьшено время доступа к файлам в больших каталогах.

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. Эти секторы принято называть блоками. Чтобы уменьшить фрагментацию диска, при распределении пространства под файл HPFS стремится, по возможности, размещать файлы в последовательных смежных секторах.

Для нумерации единиц распределения пространства диска HPFS использует 32 разряда, что дает 232(учитывая знак числа) использование до 2 миллиардов блоков. Помимо стандартных атрибутов файла, HPFS поддерживает расширенные атрибуты файла (Extended Attributes, EA), которые могут содержать до 64 Кб различных дополнительных сведений о файле. Загрузочный блок в HPFS аналогичен загрузочному блоку в FAT. Системные файлы, также как и в FAT, располагаются в корневом каталоге, но при этом физически могут находиться в любом месте на диске.

Для обнаружения свободных секторов используется блок битовых карт (bitmap block list). Он похож на таблицу размещения файлов FAT. Каждому сектору группы соответствует один бит в ее битовой карте, показывающий занят ли соответствующий сектор. Резервный блок 209 (directory emergency free block list) обеспечивает высокую отказоустойчивость HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске. Расположение группы каталогов в центре диска значительно сокращает время позиционирования головок чтения/записи.

В отличие от линейной структуры FAT, структура каталога в HPFS представляет собой сбалансированное дерево (так называемое B-дерево) с записями, расположенными в алфавитном порядке. При поиске файловая система HPFS просматривает только необходимые ветви дерева

NTFS. (New Technology File System) - была специально разработана для ОС Windows NT. В NTFS значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено большое число атрибутов, реализована отказоустойчивость, средства динамического сжатия файлов. NTFS позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов, при этом она использует тот же алгоритм для генерации короткого имени, что и VFAT. NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления в случае сбоя ОС или оборудования, так что дисковый том остается доступным, а структура каталогов не нарушается.

Каждый файл на разделе NTFS представлен записью в специальном файле – главной файловой таблице MFT (Master File Table). NTFS резервирует около 1 Мб для размещения первых 16 записей служебной информации. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами. Первая запись содержит саму главную файловую таблицу. За ней следует зеркальная запись MFT. Если первая запись MFT разрушена, NTFS считывает вторую запись, чтобы отыскать зеркальный файл MFT. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в секторе начальной загрузки. Копия сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска. Третья запись MFT содержит файл регистрации, применяемый для восстановления файлов

NTFS была разработана как восстанавливаемая файловая система, использующая модель обработки транзакций. Каждая операция ввода- вывода, изменяющая файл на томе NTFS, рассматривается системой как транзакция. При модификации файла пользователем, в файле регистрации фиксируется вся информация необходимая для повторения или отката транзакции. Если транзакция завершена успешно, производится модификация файла. Если нет, NTFS производит откат операции. В журнале транзакций (log file) регистрируются все операции, влияющие на структуру тома, включая создание файла и любые команды, изменяющие структуру каталогов.

NTFS распределяет пространство кластерами и использует для их нумерации 64 разряда, что дает возможность иметь 264 кластеров, каждый 211 размером до 64 Кбайт. Как и в FAT размер кластера может меняться, но необязательно возрастает пропорционально размеру диска. NTFS позволяет хранить файлы размером до 16 эксабайт (264 байт) и располагает встроенным средством уплотнения файлов в реальном времени. Сжатие является одним из атрибутов файла или каталога и подобно любому атрибуту может быть снято или установлено в любой момент (сжатие возможно на разделах с размером кластера не более 4 Кб). При уплотнении файла, в отличие от схем уплотнения, используемых в FAT, применяется пофайловое уплотнение, таким образом, порча небольшого участка диска не приводит к потере информации в других файлах. Для уменьшения фрагментации, NTFS всегда пытается сохранить файлы в непрерывных блоках.

Каталог на NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги, создавая таким образом иерархическое строение данных на диске. Файл каталога поделен на блоки, каждый из которых содержит имя файла, базовые атрибуты и ссылку на элемент MFT, который уже предоставляет полную информацию об элементе каталога. Внутренняя структура каталога представляет собой бинарное дерево. Это означает что для поиска файла с данным именем в линейном каталоге, таком, например, как у FAT-а, операционной системе приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Бинарное же дерево располагает имена файлов таким образом, чтобы поиск файла осуществлялся более быстрым способом.

Начиная с ОС Windows 2000 включена поддержка новой версии файловой системы - NTFS 5.0. В ней были введены дополнительные атрибуты файлов; наряду с правом доступа введено понятие запрета доступа, позволяющее, например, при наследовании пользователем прав группы на какой-нибудь файл, запретить ему возможность изменять его содержимое. Новая система также позволяет: вводить ограничения (квоты) на размер дискового пространства, · предоставленного пользователям; проецировать любой каталог (как на локальном, так и на удаленном· компьютере) в подкаталог на локальном диске.

CDFS (CD File System) применяется при хранении информации на компакт-дисках. Это наиболее простой формат, но он имеет ряд существенных ограничений, например, длина имени файла не должна превышать 128 символов, нельзя использовать глубоко вложенные каталоги (более 8) и т.д., поэтому сейчас внедряется более прогрессивный формат UDF (Universal Disk Format), который является надмножеством формата CDFS.

UDF (Universal Disk Format) - современный стандарт файловой системы дисков, поддерживаемый «Ассоциацией технологий оптической долговременной памяти» (OSTA). По некоторым своим характеристикам он больше напоминает форматы файловых систем, используемых в жестких дисках. Поддерживаемый размер имени файла увеличен до 256 символов, добавлена возможность загрузки ОС. В состав Windows 2000 включена поддержка UDF v1.5, в то время как Windows98 ограничивается UDF v1.02, причем драйвер UDF позволяет производить только операции чтения

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒