Файловый принцип хранения данных кратко

Обновлено: 30.06.2024

Файловая система — основная компонента операционной системы. Она организует работу внешних устройств хранения информации. Внешняя память расположена на различных физических носителях (жесткий и гибкий диски, магнитная лента).

ФС создает для пользователя виртуальное представление о внешних запоминающих устройствах, позволяет работать с внешними устройствами памяти на высоком уровне наборов и структур данных в виде файла, скрывая реальное расположение информации и аппаратные особенности внешней памяти.

Разнообразие устройств внешней памяти делает актуальной функцию ОС по созданию логического интерфейса между приложениями и устройствами внешней памяти. Все современные ОС основывают такой интерфейс на файловой модели внешнего устройства. Любое устройство выглядит для прикладного программиста в виде последовательного набора байт, с которым можно работать с помощью системных вызовов (например, write и read), задавая имя файла-устройства и смещение от начала последовательности байт.
^

Понятие файла

Файл — это логически связанная совокупность данных во внешней памяти. Действия с информацией производятся над файлами (запись на диск, вывод на экран, ввод с клавиатуры, печать). В файлах хранятся разнообразные виды и формы информации: тексты, рисунки, чертежи, программы, фото, видео, звук. Особенности конкретных файлов определяются их форматом, он определяет представление информации в файле. Текстовая информация хранится в файле в кодах ASCII, в текстовом формате. Содержимое текстового файла можно просматривать с помощью программных средств. Файл с нетекстовой информацией при просмотре нельзя понять, выводятся непонятные символы.

Для характеристики файла используют:

· Полное имя файла.

· Объем файла в байтах.

· Дату создания файла.

· Время создания файла.

· Атрибуты файла (R — только для чтения, H — скрытый, S — системный, A — архивный файл).

К файлу можно обратиться с помощью имени, полного имени, спецификации.

Имя уникально, служит для отличия одного файла от другого. В различных ОС существуют различные правила образования имени. В DOS имя содержит не более 8 символов, при образовании имени нельзя использовать буквы русского алфавита и некоторые символы (“*” “?” “:” “;” “,” “=” “пробел” “ ”), в Windows можно организовать длинные имена (до 256 символов), использовать русские буквы.

Полное имя файла образуется из имени файла и типа (расширения), разделенных точкой. Тип служит характеристикой информации, хранящейся в файле, состоит не более чем из трех символов. Используются только буквы латинского алфавита. Некоторые программы сами создают расширение имени и потом по нему определяют свои файлы.

При работе с группой файлов используют шаблон имени файла — специальную форму, в которой в полях имени и типа файла используют символы “*” и “?”. Символ “*” заменяет любую последовательность символов. В поле имени и типа можно использовать по одному символу “*”. Например, шаблон *.txt позволит обратиться ко всем текстовым файлам. Символ “?” заменяет один символ, например, имя R. exe указывает на исполнимые файлы, имя которых начинается с буквы R и состоит из трех символов.
^

Файлы прямого и последовательного доступа

Данные, содержащиеся в файле, имеют некоторую логическую структуру. Эта структура используется программой, которая будет работать с этим файлом. Например, чтобы текст был выведен на экран, текстовый редактор должен выделить отдельные слова, строки, абзацы. Поддержание структуры данных может быть возложено на приложение либо выполняться файловой системой.

В первом случае ФС представляет файл как неструктурированную последовательность данных. Приложение структурирует полученные данные, руководствуясь собственной логикой. Эта модель, в соответствии с которой содержимое файла представляется потоком байт, используется в большинстве современных ОС.

Другая модель файла — структурированный файл, в настоящее время используется редко. ФС видит файл как упорядоченную последовательность логических записей.

Логическая запись является наименьшим элементом данных, которым оперирует программист при обмене с внешним устройством. Операционная система обеспечивает программисту доступ к отдельной логической записи.

Файловая система использует два способа доступа к логическим записям.

1. ^ Последовательный доступ . ФС позволяет читать и записывать логические записи последовательно.

2. Прямой доступ. ФС позиционирует файл на запись или чтение с указанным номером записи.
^

Типы файлов

ФС поддерживают функционально различные типы файлов.

1. Обычные файлы. Содержат произвольную информацию. Их заполняет пользователь или системные и прикладные программы. Обычные файлы разделяют на следующие типы:

· текстовые — состоят из строк символов, их можно прочитать на экране, распечатать на принтере;

· двоичные — не используют коды символов, содержат исполняемый код программы, архивный файл.

2. Каталоги. Содержат системную справочную информацию о наборе файлов. Каталоги устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками.

3. ^ Специальные файлы . Это фиктивные файлы, связанные с устройствами ввода-вывода. Позволяют выполнять операции ввода-вывода, используя команды чтения или записи в файл. Эти команды обрабатываются ФС, затем ОС преобразует их в команды управления устройством.
^

Операции с файлами

Файловая система обеспечивает основные операции над файлами: открытие, копирование, перемещение, объединение, удаление, закрытие. Открытие файла сопровождается копированием учетной информации о файле в оперативную память, подготовкой буферов и каналов для передачи информации.

Доступ к файлу — это установление связи с файлом для записи и чтения. Информация о файле хранится в каталогах. Сам файл хранится на диске без всякой справочной информации. Каталог — справочник файлов с указанием их положения на диске. Во многих ОС принята иерархическая структура каталогов. На каждом диске имеется единственный главный корневой каталог (обозначается символом “/”), создается при форматировании диска, имеет ограниченный объем и не может быть удален.
В корневой каталог входят другие каталоги и файлы. Каталоги организованы как системные файлы.
В каталогах хранятся записи о файлах и каталогах нижнего уровня. Переход в каталог нижнего уровня организован последовательно через соподчиненные каталоги. Нельзя перейти из главного каталога сразу к каталогу 4-го уровня, нужно пройти через все предыдущие каталоги. Этот принцип организации доступа к файлу является основой ФС. ФС управляет размещением и доступом к файлам и каталогам на диске.
^

Аппаратное обеспечение хранения данных и функционирования файловой системы

Пользователь представляет файловую систему в виде дерева каталогов и расположенных в них файлах. Это представление далеко от реального расположения данных на диске — физической организации ФС. Файл очень часто разбросан фрагментами по всему диску, файлы из одного каталога не всегда расположены в смежных областях. Различные файловые системы имеют различную физическую организацию.

Операционные системы работают с различными типами внешних запоминающих устройств. Рассмотрим их.

^ Накопители на магнитных дисках имеют две разновидности — накопители на жестких магнитных дисках и накопители на гибких магнитных дисках. Дисковые накопители являются основным устройством для хранения данных. Эти устройства могут считывать и записывать данные на жесткие и гибкие магнитные диски. Принцип записи на магнитные носители основан на явлении электромагнитной индукции. Запись производится головками чтения/записи, которые работают как электромагнит. Полярность магнитного поля в головках определяется направлением электрического тока, который по ним пропускается. Магнитное поле проникает в магнитный слой диска, упорядочивает его магнитные частицы (домены) то в одном, то в другом направлении, т.е. создает на носителе зоны с различной по знаку намагниченностью. Так производится запись. При чтении головка регистрирует импульсы тока при прохождении зоны смены знака намагниченности.

^ Накопители на жестких магнитных дисках включают следующие устройства:

· электромеханический привод, вращающий диски;

· накопители на гибких магнитных дисках;

· блок магнитных головок для чтения и записи;

· система позиционирования магнитных головок для записи и чтения;

· электронный блок для управления и кодирования сигналов.

Накопитель на магнитных дисках помещен вместе с диском и контроллером в герметический корпус, который крепится в системный блок компьютера.

Жесткий диск изготовлен из композитного материала на основе стекла и керамики, покрыт магнитным слоем. Жесткий диск состоит из нескольких керамических колец, нанизанных на один шпиндель. Каждая сторона диска размечена на дорожки — концентрические окружности, вдоль которых записываются данные. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру. Диск вращается, головка чтения/записи позиционируется на заданную дорожку и записывает данные на диск или считывает их.

Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях дисков называется цилиндром. Дорожка размечается на сектора или блоки. Чаще всего сектор содержит 512 байт информации. Сектор — наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Для обмена контроллеру диска нужно указать адрес сектора: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора. ОС при работе с диском использует свою единицу дискового пространства — кластер, размер которого обычно 1024 байта.

Дорожки и секторы создаются в результате процедуры низкоуровневого форматирования диска. На диск записывается информация для определения границ блоков. Низкоуровневый формат диска не зависит от типа операционной системы, в которой диск будет использоваться, и производится на заводе-изготовителе.

Разметку диска под конкретную операционную систему производит процедура высокоуровневого форматирования. Здесь определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая ОС для работы файловой системы.

^ Накопители на гибких магнитных дисках — устройства со сменными дисками. Имеют невысокую информационную емкость (1,44 Мб), но дают возможность транспортировать информацию и обеспечивают конфиденциальность информации. Дискета представляет собой тонкий пластиковый диск с магнитным покрытием, информация записывается вдоль дорожек — концентрических окружностей, дорожки размечены на сектора. Перед первым использованием дискета форматируется, т.е. размечается для использования операционной системой.

^ Магнитные накопители для резервного копирования данных существуют в двух видах: накопители на магнитных дисках и накопители на магнитных лентах.

Резервные накопители на магнитных дисках являются автономным устройством, подключаемым к компьютеру по мере необходимости.

^ Накопители на магнитных лентах надежно хранят неоперативную информацию больших объемов (например, 320 Гб). Являются устройствами с последовательным доступом.

^ Накопители на оптических дисках предназначены для распространения дистрибутивов программ, для хранения и транспортировки конфиденциальной информации. Существует несколько типов накопителей на оптических дисках.

^ Диск CD-ROM переводится как компакт-диск, предназначенный только для чтения. Это поликарбонатная пластина, одна сторона которой покрыта алюминиевой пленкой, играющей роль зеркального отражателя. Информация записывается вдоль одной спиралевидной дорожки. На дорожку наносятся углубления — штрихи. При считывании диск освещается лучом лазера, штрихи поглощают свет, плоская поверхность хорошо отражает свет. Стандартная емкость диска — 650 Мб.

Различают пишущие накопители двух типов — ^ CD-R и CD-RW . Эти диски уже не имеют рельефа в виде штрихов. На рабочий слой диска лучом лазера наносят пятна, которые поглощают свет как штрихи. Диск CD-R позволяет сделать однократную запись с персонального компьютера, диск CD-RW предназначен для многократной записи. Эти диски потеснили магнитные устройства резервного копирования, так как значительно превосходят их по долговечности хранения.

Диск DVD — цифровой универсальный диск, имеет большую емкость, стандартный диск содержит 4,7 Мб. Для записи и чтения информации здесь используется лазер с меньшей длиной волны, что позволяет производить более плотную запись информации на диск. Увеличение емкости дисков достигается применением многослойных и двухсторонних дисков, специальных программ сжатия информации.

^ Диск CD-MO — магнитооптический диск, также предназначен для многократной перезаписи информации. Запись на диск производится лазерным лучом и магнитным полем. При считывании диск освещается лучом лазера и регистрируются изменения коэффициента отражения от участков диска с различной намагниченностью. При стирании информации лазерный луч разогревает диск и разрушает магнитную запись.

Устройства Flash-памяти — это энергонезависимые полупроводниковые запоминающие устройства емкостью 1 Гб; благодаря небольшим габаритам они основательно потеснили гибкие магнитные диски и реально соперничают с CD-дисками.

Мы рассмотрели основные внешние запоминающие устройства персонального компьютера, с которыми должна общаться операционная система, используя файловую модель данных.

Каждое устройство внешней памяти снабжено специализированным блоком управления — контроллером. Контроллер взаимодействует с системным программным модулем — драйвером, управляющим устройством. Контроллер получает от драйвера выводимую на устройство информацию и команды управления, которые сообщают, что нужно сделать с информацией, например, записать в определенный сектор диска. Под управлением контроллера устройство выполняет операции чтения или записи информации.

1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. СПб.: Питер, 2001, 554 с.

2. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика: Учебное пособие для педагогических вузов / Под ред. Е.К. Хеннера. М.: Академия, 2004, 848 с.

Проверка правописания может выполняться непосредственно при вводе текста или после завершения ввода всего текста. По умолчанию Microsoft Word проверяет орфографию и грамматику автоматически при вводе текста, выделяя возможные орфографические ошибки красной волнистой линией, а возможные грамматические ошибки — зеленой волнистой линией.

Чтобы убедиться, что средство автоматической проверки орфографии и грамматики включено в меню ^ Сервис, следует выбрать Параметры , а затем открыть вкладку Правописание и установить флажки Автоматически проверять орфографию и Автоматически проверять грамматику.

Отличие проверки орфографии от проверки грамматики пояснит следующий пример. Если в результате опечатки получается слово, существующее в словаре (например, вместо слова “пара” написано слово “парта”), программа проверки орфографии не пометит это слово. Для обнаружения ошибок такого рода используют программу проверки грамматики. Средство проверки грамматики выделяет возможные ошибки после полного анализа текста. Это средство может находить не все типы ошибок. Оно предназначено для выделения наиболее типичных или наиболее часто встречающихся ошибок.

Проверим правописание в следующем тексте.

^ Лазерные прикнтеры обеспечивают наилучшее качество печати. В этих принтерах для печати используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана к которому электрически притягиваются частички краски. Лазерные принтеры являются наиболее удобными устройствами для получения качественных черно-белых печатных документов.

Так как предлагаемый документ уже готов, нужно проверить орфографию и грамматику сразу во всем тексте. Выберем меню ^ Сервис диалог Правописание . Откроется окно Правописание:

Окно Правописание содержит два основных элемента: окно Нет в словаре, где расположен фрагмент текста, и окно Варианты с указанием возможного правильного ответа. Можно пропустить эту ошибку, если пользователь уверен в своей правоте, нажав кнопку Пропустить.

Если программа проверки орфографии обнаруживает в тексте незнакомое слово, она выполняет в словаре поиск слов, похожих по написанию на выделенное, и выводит список наиболее похожих слов на экран. Содержимое выводимого списка определяется только написанием слов, поэтому в него могут быть включены слова, не подходящие по контексту.

Так как в нашем случае слово явно нуждается в исправлении и возможен только один вариант, следует нажать кнопку Заменить. Система продолжит проверку и обнаружит следующую ошибку:

3. Написать и отладить программу обработки массива (суммирование элементов, сортировка и пр.). Проанализировать полученный результат.

^ Пример. Написать и отладить программу ввода и сортировки по возрастанию (неубыванию) целочисленного массива из 20 элементов.

Решение. Решим задачу в общем случае, т.е. отсортируем массив из n элементов. В качестве метода сортировки используем сортировку обменом (“пузырьковую” сортировку).

Напомним алгоритм сортировки. Массив просматривается от начала до конца столько раз, сколько в нем содержится элементов. При каждом просмотре поочередно сравниваются два соседних элемента. Если элемент с большим номером имеет меньшее значение, производится обмен элементов.

Запишем этот алгоритм на языках программирования (массив при этом заполняется случайным образом; если после запуска программы введем n = 20, то получим массив, удовлетворяющий условию исходной задачи).

Файловая система . На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется используемой файловой системой.

Каждый диск разбивается на две области: обла сть хранения файлов и каталог. Каталог содержит имя файла и указание на начало его размещения на диске. Если провести аналогию диска с книгой, то область хранения файлов соответствует ее содержанию, а каталог - оглавлению. Причем книга состоит из страниц, а диск - из секторов.

Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) может использоваться одноуровневая файловая система , когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов (табл. 1.2). Такой каталог можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит только названия отдельных рассказов.

Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска используется многоуровневая иерархическая файловая система , которая имеет древовидную структуру. Такую иерархическую систему можно сравнить, например, с оглавлением данного учебника, которое представляет собой иерархическую систему разделов, глав, параграфов и пунктов.

Начальный, корневой каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня, в свою очередь, каждый из последних может содержать вложенные каталоги 2-го уровня и так далее. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.

Например, в корневом каталоге могут находиться два вложенных каталога 1-го уровня (Каталог_1, Каталог_2) и один файл (Файл_1). В свою очередь, в каталоге 1-го уровня (Каталог_1) находятся два вложенных каталога второго уровня (Каталог_1.1 и Каталог_1.2) и один файл (Файл_1.1) - рис. 1.3.

Файловая система - это система хранения файлов и организации каталогов.

Рассмотрим иерархическую файловую систему на конкретном примере. Каждый диск имеет логическое имя (А:, В: - гибкие диски, С:, D:, Е: и так далее - жесткие и лазерные диски).

Пусть в корневом каталоге диска С: имеются два каталога 1-го уровня (GAMES, TEXT), а в каталоге GAMES один каталог 2-го уровня (CHESS). При этом в каталоге TEXT имеется файл proba.txt, а в каталоге CHESS - файл chess.exe (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Пример иерархической файловой системы

Путь к файлу . Как найти имеющиеся файлы (chess.exe, proba.txt) в данной иерархической файловой системе? Для этого необходимо указать путь к файлу. В путь к файлу входят записываемые через разделитель "\" логическое имя диска и последовательность имен вложенных друг в друга каталогов, в последнем из которых содержится нужный файл. Пути к вышеперечисленным файлам можно записать следующим образом:

Путь к файлу вместе с именем файла называют иногда полным именем файла.

Пример полного имени файла:

Представление файловой системы с помощью графического интерфейса . Иерархическая файловая система MS-DOS, содержащая каталоги и файлы, представлена в операционной системе Windows с помощью графического интерфейса в форме иерархической системы папок и документов. Папка в Windows является аналогом каталога MS-DOS

Однако иерархическая структура этих систем несколько различается. В иерархической файловой системе MS-DOS вершиной иерархии объектов является корневой каталог диска, который можно сравнить со стволом дерева, на котором растут ветки (подкаталоги), а на ветках располагаются листья (файлы).

В Windows на вершине иерархии папок находится папка Рабочий стол. Следующий уровень представлен папками Мой компьютер, Корзина и Сетевое окружение (если компьютер подключен к локальной сети) - рис. 1.5.

Рис. 1.5. Иерархическая структура папок

Если мы хотим ознакомиться с ресурсами компьютера, необходимо открыть папку Мой компьютер.

1. В окне Мой компьютер находятся значки имеющихся в компьютере дисков. Активизация (щелчок) значка любого диска выводит в левой части окна информацию о его емкости, занятой и свободной частях.

Все программы и данные хранятся в долговременной (внешней) памяти компьютера в виде файлов.

Файл- это определенное количество информации (программа или данные), имеющее имя и хранящееся в долговременной (внешней) памяти.

Имя файла.Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имя файла и расширение, определяющее его тип (программа, данные и так далее). Собственно имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании.

Таблица 1. Типы файлов и расширений

Тип файла	Расширения
Программы	exe, com
Текстовые файлы	txt, doc
Графические файлы	bmp, д1Т,]рдидр
Звуковые файлы	wav, mid
Видеофайлы	avi
Программы на языках программирования	bas, pas и др

Файловая система.На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется используемой файловой системой.

Каждый диск разбивается на две области: область хранения файлов и каталог. Каталог содержит имя файла и указание на начало его размещения на диске.

Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) может использоваться одноуровневая файловая система, когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов. Такой каталог можно сравнить с оглавлением детской книжки, которое содержит только названия отдельных рассказов.

Таблица 2.Одноуровневый каталог

Имя файла	Номер начального сектора
Файл_1
Файл_2
…….
Файл_112

Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска используется многоуровневая иерархическая файловая система, которая имеет древовидную структуру.

Файловая система— это система хранения файлов и организации каталогов.

Путь к файлу.Путь к файлу вместе с именем файла называют иногда полным именем файла.

Операции над файлами.В процессе работы на компьютере наиболее часто над файлами производятся следующие операции:

• копирование (копия файла помещается в другой каталог);

• перемещение (сам файл перемещается в другой каталог);

• удаление (запись о файле удаляется из каталога);

• переименование (изменяется имя файла).

Форматирование дисков.Для того чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, то есть должна быть создана физическая и логическая структура диска.

Формирование физической структуры диска состоит в создании на диске концентрических дорожек, которые, в свою очередь, делятся на секторы. Для этого в процессе форматирования магнитная головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.

После форматирования гибкого диска 3,5" его параметры будут следующими:

• информационная емкость сектора — 512 байтов;

• количество секторов на дорожке — 18;

• дорожек на одной стороне — 80;

Логическая структура гибких дисков. Логическая структура магнитного диска представляет собой совокупность секторов (емкостью 512 байтов), каждый из которых имеет свой порядковый номер (например, 100). Сектора нумеруются в линейной последовательности от первого сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки.

На гибком диске минимальным адресуемым элементом является сектор.

При записи файла на диск будет занято всегда целое количество секторов, соответственно минимальный размер файла — это размер одного сектора, а максимальный соответствует общему количеству секторов на диске.

Файл записывается в произвольные свободные сектора, которые могут находиться на различных дорожках. Например, Файл_1 объемом 2 Кбайта может занимать сектора 34, 35 и 47, 48, а Файл_2 объемом 1 Кбайт — сектора 36 и 49.

Таблица 3. Логическая структура гибкого диска формата 3,5" (2-я сторона)

№ дорожки	№ сектора
………………….

Для того чтобы можно было найти файл по его имени, на диске имеется каталог, представляющий собой базу данных.

Запись о файле содержит имя файла, адрес первого сектора, с которого начинается файл, объем файла, а также дату и время его создания.

Таблица 4. Структура записей в каталоге

Имя файла	Адрес первого сектора	Объем файла, Кбайт	Дата создания	Время создания
Файл 1	14 01 99	14 29
Файл 2	14 01 99	14 45

Полная информация о секторах, которые занимают файлы, содержится в таблице размещения файлов (FAT — File Allocation Table). Количество ячеек FAT соответствует количеству секторов на диске, а значениями ячеек являются цепочки размещения файлов, то есть последовательности адресов секторов, в которых хранятся файлы.

Для размещения каталога — базы данных и таблицы FAT на гибком диске отводятся секторы со 2 по 33. Первый сектор отводится для размещения загрузочной записи операционной системы. Сами файлы могут быть записаны, начиная с 34 сектора.

Виды форматирования. Существуют два различных вида форматирования дисков: полное и быстрое форматирование. Полное форматирование включает в себя как физическое форматирование (проверку качества магнитного покрытия дискеты и ее разметку на дорожки и секторы), так и логическое форматирование (создание каталога и таблицы размещения файлов). После полного форматирования вся хранившаяся на диске информация будет уничтожена.

Быстрое форматирование производит лишь очистку корневого каталога и таблицы размещения файлов. Информация, то есть сами файлы, сохраняется и в принципе возможно восстановление файловой системы.

Информационная емкость гибких дисков. Рассмотрим различие между емкостью неформатированного гибкого магнитного диска, его информационной емкостью после форматирования и информационной емкостью, доступной для записи данных.

Заявленная емкость неформатированного гибкого магнитного диска формата 3,5" составляет 1,44 Мбайт.

Рассчитаем общую информационную емкость отформатированного гибкого диска:

Количество секторов: N = 18 х 80 х 2 = 2880.

512 байт х N = 1 474 560 байт = 1 440 Кбайт -= 1,40625 Мбайт.

Однако для записи данных доступно только 2847 секторов, то есть информационная емкость, доступная для записи данных, составляет:

512 байт х 2847 = 1 457 664 байт = 1423,5 Кбайт = 1,39 Мбайт.

Логическая структура жестких дисков. Логическая структура жестких дисков несколько отличается от логической структуры гибких дисков. Минимальным адресуемым элементом жесткого диска является кластер, который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера зависит от типа используемой таблицы FAT и от емкости жесткого диска.

На жестком диске минимальным адресуемым элементом является кластер, который содержит не сколько секторов.

Таблица FAT16 может адресовать 2 16 — 65 536 кластеров. Для дисков большой емкости размер кластера оказывается слишком большим, так как информационная емкость жестких дисков может достигать 150 Гбайт.

Например, для диска объемом 40 Гбайт размер кластера будет равен:

40 Гбайт/65536 = 655 360 байт = 640 Кбайт.

Файлу всегда выделяется целое число кластеров. При размещении на жестком диске большого количества небольших по размеру файлов они будут занимать кластеры лишь частично, что приведет к большим потерям свободного дискового пространства.

Эта проблема частично решается с помощью использования таблицы FAT32, в которой объем кластера принят равным 8 секторам или 4 килобайтам для диска любого объема.

В целях более надежного сохранения информации о размещении файлов на диске хранятся две идентичные копии таблицы FAT.

Преобразование FAT16 в FAT32 можно осуществить с помощью служебной программы Преобразование диска в FAT32, которая входит в состав Windows.

Мы рассмотрели файловую систему, имеющую название FAT, однако в последнее время все большую популярность приобретает файловая система NTFS (New Technology File System - файловая система операционных систем семейства Windows NT), которая, в частности, используется в Windows NT и Windows ХР.

Дефрагментация дисков.Замедление скорости обмена данными может происходить в результате фрагментации файлов. Фрагментация файлов (фрагменты файлов хранятся в различных, удаленных друг от друга кластерах) возрастает с течением времени, в процессе удаления одних файлов и записи других.

Так как на диске могут храниться сотни и тысячи файлов в сотнях тысяч кластеров, то фрагментированность файлов будет существенно замедлять доступ к ним (магнитным головкам придется постоянно перемещаться с дорожки на дорожку) и в конечном итоге приводить к преждевременному износу жесткого диска. Рекомендуется периодически проводить дефрагментацию диска, в процессе которой файлы записываются в кластеры, последовательно идущие друг за другом.

Все программы и данные хранятся в долговременной (внешней) памяти компьютера в виде файлов.

Таблица 1. Типы файлов и расширений

Тип файла	Расширения
Программы	exe, com
Текстовые файлы	txt, doc
Графические файлы	bmp, д1Т,]рдидр
Звуковые файлы	wav, mid
Видеофайлы	avi
Программы на языках программирования	bas, pas и др

Файловая система.На каждом носителе информации (гибком, жестком или лазерном диске) может храниться большое количество файлов. Порядок хранения файлов на диске определяется используемой файловой системой.

Таблица 2.Одноуровневый каталог

Имя файла	Номер начального сектора
Файл_1
Файл_2
…….
Файл_112

Файловая система— это система хранения файлов и организации каталогов.

Путь к файлу.Путь к файлу вместе с именем файла называют иногда полным именем файла.

• копирование (копия файла помещается в другой каталог);

• перемещение (сам файл перемещается в другой каталог);

• удаление (запись о файле удаляется из каталога);

• переименование (изменяется имя файла).

После форматирования гибкого диска 3,5" его параметры будут следующими:

• информационная емкость сектора — 512 байтов;

• количество секторов на дорожке — 18;

• дорожек на одной стороне — 80;

На гибком диске минимальным адресуемым элементом является сектор.

Таблица 3. Логическая структура гибкого диска формата 3,5" (2-я сторона)

№ дорожки	№ сектора
………………….

Таблица 4. Структура записей в каталоге

Имя файла	Адрес первого сектора	Объем файла, Кбайт	Дата создания	Время создания
Файл 1	14 01 99	14 29
Файл 2	14 01 99	14 45

Заявленная емкость неформатированного гибкого магнитного диска формата 3,5" составляет 1,44 Мбайт.

Рассчитаем общую информационную емкость отформатированного гибкого диска:

Количество секторов: N = 18 х 80 х 2 = 2880.

512 байт х N = 1 474 560 байт = 1 440 Кбайт -= 1,40625 Мбайт.

512 байт х 2847 = 1 457 664 байт = 1423,5 Кбайт = 1,39 Мбайт.

На жестком диске минимальным адресуемым элементом является кластер, который содержит не сколько секторов.

Например, для диска объемом 40 Гбайт размер кластера будет равен:

40 Гбайт/65536 = 655 360 байт = 640 Кбайт.

Возникает логичный вопрос: что такое файловая система и в чем ее предназначение? В данной статье дадим ответы на основные вопросы касательно наиболее распространенных ФС.

Что такое файловая система

Обычно вся информация записывается, хранится и обрабатывается на различных цифровых носителях в виде файлов. Далее, в зависимости от типа файла, кодируется в виде знакомых расширений – *exe, *doc, *pdf и т.д., происходит их открытие и обработка в соответствующем программном обеспечении. Мало кто задумывается, каким образом происходит хранение и обработка цифрового массива в целом на соответствующем носителе.

Операционная система воспринимает физический диск хранения информации как набор кластеров размером 512 байт и больше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги, которые также являются файлами, содержащими список других файлов в этом каталоге. Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

Запись файлов большого объема приводит к необходимости фрагментации, когда файлы не сохраняются как целые единицы, а делятся на фрагменты. Каждый фрагмент записывается в отдельные кластеры, состоящие из ячеек (размер ячейки составляет один байт). Информация о всех фрагментах, как части одного файла, хранится в файловой системе.

Файловая система связывает носитель информации (хранилище) с прикладным программным обеспечением, организуя доступ к конкретным файлам при помощи функционала взаимодействия программ A PI. Программа, при обращении к файлу, располагает данными только о его имени, размере и атрибутах. Всю остальную информацию, касающуюся типа носителя, на котором записан файл, и структуры хранения данных, она получает от драйвера файловой системы.

Основные функции файловых систем

Файловая система отвечает за оптимальное логическое распределение информационных данных на конкретном физическом носителе. Драйвер ФС организует взаимодействие между хранилищем, операционной системой и прикладным программным обеспечением. Правильный выбор файловой системы для конкретных пользовательских задач влияет на скорость обработки данных, принципы распределения и другие функциональные возможности, необходимые для стабильной работы любых компьютерных систем. Иными словами, это совокупность условий и правил, определяющих способ организации файлов на носителях информации.

Основными функциями файловой системы являются:

размещение и упорядочивание на носителе данных в виде файлов;
определение максимально поддерживаемого объема данных на носителе информации;
создание, чтение и удаление файлов;
назначение и изменение атрибутов файлов (размер, время создания и изменения, владелец и создатель файла, доступен только для чтения, скрытый файл, временный файл, архивный, исполняемый, максимальная длина имени файла и т.п.);
определение структуры файла;
поиск файлов;
организация каталогов для логической организации файлов;
защита файлов при системном сбое;
защита файлов от несанкционированного доступа и изменения их содержимого.

Задачи файловой системы

Функционал файловой системы нацелен на решение следующих задач:

присвоение имен файлам;
программный интерфейс работы с файлами для приложений;
отображение логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
поддержка устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
содержание параметров файла, необходимых для правильного взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

Вся информация о файлах хранится в особых областях раздела (томах). Структура справочников зависит от типа файловой системы. Справочник файлов позволяет ассоциировать числовые идентификаторы уникальных файлов и дополнительную информацию о них с непосредственным содержимым файла, хранящимся в другой области раздела.

Операционные системы и типы файловых систем

В случае с Windows все выглядит достаточно просто: NTFS на всех дисковых разделах и FAT32 (или NTFS) на флешках. Если установлен NAS (сервер для хранения данных на файловом уровне), и в нем используется какая-то другая файловая система, то практически никто не обращает на это внимания. К нему просто подключаются по сети и качают файлы.

На мобильных гаджетах с ОС Android чаще всего установлена ФС версии ext4 во внутренней памяти и FAT32 на карточках microSD. Владельцы продукции Apple зачастую вообще не имеют представления, какая файловая система используется на их устройствах – HFS+, HFSX, APFS, WTFS или другая. Для них существуют лишь красивые значки папок и файлов в графическом интерфейсе.

Рассмотрим более подробно виды файловых систем в зависимости от их предпочтительного использования с определенной операционной системой.

Файловые системы Windows

Исходный код файловой системы, получившей название FAT, был разработан по личной договоренности владельца Microsoft Билла Гейтса с первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом в 1977 году. Основной задачей FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS. Файловая система FAT претерпела несколько модификаций – FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, которая используется сейчас в большинстве внешних накопителей. Основным отличием каждой версии является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. В дальнейшем были разработаны еще две более совершенные системы обработки и хранения данных – NTFS и ReFS.

FAT (таблица распределения файлов)

Числа в FAT12, FAT16 и FAT32 обозначают количество бит, используемых для перечисления блока файловой системы. FAT32 является фактическим стандартом и устанавливается на большинстве видов сменных носителей по умолчанию. Одной из особенностей этой версии ФС является возможность применения не только на современных моделях компьютеров, но и в устаревших устройствах и консолях, снабженных разъемом USB.

Пространство FAT32 логически разделено на три сопредельные области:

зарезервированный сектор для служебных структур;
табличная форма указателей;
непосредственная зона записи содержимого файлов.

К недостатком стандарта FAT32 относится ограничение размера файлов на диске до 4 Гб и всего раздела в пределах 8 Тб. По этой причине данная файловая система чаще всего используется в USB-накопителях и других внешних носителях информации. Для установки последней версии ОС Microsoft Windows 10 на внутреннем носителе потребуется более продвинутая файловая система.

С целью устранения ограничений, присущих FAT32, корпорация Microsoft разработала обновленную версию файловой системы exFAT (расширенная таблица размещения файлов). Новая ФС очень схожа со своим предшественником, но позволяет пользователям хранить файлы намного большего размера, чем четыре гигабайта. В exFAT значительно снижено число перезаписей секторов, ответственных за непосредственное хранение информации. Функция очень важна для твердотельных накопителей ввиду необратимого изнашивания ячеек после определенного количества операций записи. Продукт exFAT совместим с операционными системами Mac, Android и Windows. Для Linux понадобится вспомогательное программное обеспечение.

NTFS (файловая система новой технологии)

ReFS (Resilient File System)

Последняя разработка Microsoft, доступная для серверов Windows 8 и 10. Архитектура файловой системы в основном организована в виде B + -tree. Файловая система ReFS обладает высокой отказоустойчивостью благодаря реализации новых функций:

Copy-on-Write (CoW) – никакие метаданные не изменяются без копирования;
данные записываются на новое дисковое пространство, а не поверх существующих файлов;
при модификации метаданных новая копия хранится в свободном дисковом пространстве, затем система создает ссылку из старых метаданных на новую версию.

Все это позволяет повысить надежность хранения файлов, обеспечивает быстрое и легкое восстановление данных.

Файловые системы macOS

Для операционной системы macOS компания Apple использует собственные разработки файловых систем:

HFS+, которая является усовершенствованной версией HFS, ранее применяемой на компьютерах Macintosh, и ее более соверешенный аналог APFS. Стандарт HFS+ используется во всех устройствах под управлением продуктов Apple, включая компьютеры Mac, iPod, а также Apple X Server.
Кластерная файловая система Apple Xsan, созданная из файловых систем StorNext и CentraVision, используется в расширенных серверных продуктах. Эта файловая система хранит файлы и папки, информацию Finder о просмотре каталогов, положениях окна и т.д.

Файловые системы Linux

В отличие от ОС Windows и macOS, ограничивающих выбор файловой системы предустановленными вариантами, Linux предоставляет возможность использования нескольких ФС, каждая из которых оптимизирована для решения определенных задач. Файловые системы в Linux используются не только для работы с файлами на диске, но и для хранения данных в оперативной памяти или доступа к конфигурации ядра во время работы системы. Все они включены в ядро и могут использоваться в качестве корневой файловой системы.

Основные файловые системы, используемые в дистрибутивах Linux:

Ext2, Ext3, Ext4 или Extended Filesystem – стандартная файловая система, первоначально разработанная еще для Minix. Содержит максимальное количество функций и является наиболее стабильной в связи с редкими изменениями кодовой базы. Начиная с ext3 в системе используется функция журналирования. Сегодня версия ext4 присутствует во всех дистрибутивах Linux.

JFS или Journaled File System разработана в IBM в качестве альтернативы для файловых систем ext. Сейчас она используется там, где необходима высокая стабильность и минимальное потребление ресурсов (в первую очередь в многопроцессорных компьютерах). В журнале хранятся только метаданные, что позволяет восстанавливать старые версии файлов после сбоев.

ReiserFS также разработана в качестве альтернативы ext3, поддерживает только Linux. Динамический размер блока позволяет упаковывать несколько небольших файлов в один блок, что предотвращает фрагментацию и улучшает работу с небольшими файлами. Недостатком является риск потери данных при отключении энергии.

XFS рассчитана на файлы большого размера, поддерживает диски до 2 терабайт. Преимуществом системы является высокая скорость работы с большими файлами, отложенное выделение места, увеличение разделов на лету, незначительный размер служебной информации. К недостаткам относится невозможность уменьшения размера, сложность восстановления данных и риск потери файлов при аварийном отключении питания.

Btrfs или B-Tree File System легко администрируется, обладает высокой отказоустойчивостью и производительностью. Используется как файловая система по умолчанию в OpenSUSE и SUSE Linux.

Другие ФС, такие как NTFS, FAT, HFS, могут использоваться в Linux, но корневая файловая система на них не устанавливается, поскольку они для этого не предназначены.

Дополнительные файловые системы

В операционных системах семейства Unix BSD (созданы на базе Linux) и Sun Solaris чаще всего используются различные версии ФС UFS (Unix File System), известной также под названием FFS (Fast File System). В современных компьютерных технологиях данные файловые системы могут быть заменены на альтернативные: ZFS для Solaris, JFS и ее производные для Unix.

Кластерные файловые системы включают поддержку распределенных хранилищ, расширяемость и модульность. К ним относятся:

Практический пример использования файловых систем

Владельцы мобильных гаджетов для хранения большого объема информации используют дополнительные твердотельные накопители microSD (HC), по умолчанию отформатированные в стандарте FAT32. Это является основным препятствием для установки на них приложений и переноса данных из внутренней памяти. Чтобы решить эту проблему, необходимо создать на карточке раздел с ext3 или ext4. На него можно перенести все файловые атрибуты (включая владельца и права доступа), чтобы любое приложение могло работать так, словно запустилось из внутренней памяти.

Операционная система Windows не умеет делать на флешках больше одного раздела. С этой задачей легко справится Linux, который можно запустить, например, в виртуальной среде. Второй вариант - использование специальной утилиты для работы с логической разметкой, такой как MiniTool Partition Wizard Free . Обнаружив на карточке дополнительный первичный раздел с ext3/ext4, приложение Андроид Link2SD и аналогичные ему предложат куда больше вариантов.

Флешки и карты памяти быстро умирают как раз из-за того, что любое изменение в FAT32 вызывает перезапись одних и тех же секторов. Гораздо лучше использовать на флеш-картах NTFS с ее устойчивой к сбоям таблицей $MFT. Небольшие файлы могут храниться прямо в главной файловой таблице, а расширения и копии записываются в разные области флеш-памяти. Благодаря индексации на NTFS поиск выполняется быстрее. Аналогичных примеров оптимизации работы с различными накопителями за счет правильного использования возможностей файловых систем существует множество.

Надеюсь, краткий обзор основных ФС поможет решить практические задачи в части правильного выбора и настройки ваших компьютерных устройств в повседневной практике.

Читайте также: