Файловая система FAT

Файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) получила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются:

§ непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенные для размещения в них файлов или их фрагментов;

§ свободные области дискового пространства;

§ дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не гарантируют чтение и запись данных без ошибок),

В файловой системе FAT дисковое пространство делится на две области: системную область и область данных.

Системная область логического диска создается при форматировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. Область данных логического диска содержит обычные файлы и файлы-каталоги (папки); эти объекты образуют иерархию, подчиненную корневому каталогу. Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном пространстве друг за другом):

§ загрузочной записи (Boot Record, BR);

§ зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec);

§ таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT);

§ корневого каталога (Root Directory, RDir).

Таблица размещения файлов

Таблица размещения файлов является очень важной информационной структурой. Можно сказать, что она представляет собой адресную карту области данных, в которой описывается и состояние каждого участка области данных, и принадлежность его к тому или иному файловому объекту (файлу или папке).

Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представляет собой один или несколько смежных секторов (физически жесткий или магнитный диск состоит из дорожек, которые поделены на секторы; сектор имеет размер 512 байт). Кластер — это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому каталогу).

Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом может быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может приводить к заметной потере дискового пространства. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или файлу-каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в файловой системе FAT16 используется 16-разрядное слово (т.е. 16 бит), следовательно, можно иметь до 2¹⁶ =65 536 кластеров (с номерами от 0 до 65 535). Размер кластера зависит от конкретной файловой системы. Например, FAT 16 – максимальный размер кластера 64 Кбайт, а в FAT 32 – 4 Кбайт.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использованию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов. В среднем на каждый файл теряется около половины кластера. Поэтому в современных файловых системах размеры кластеров ограничиваются (обычно от 512 байт до 4 Кбайт), либо предоставляется возможность выбирать размер кластера.

Достаточно наглядно идею файловой системы, использующей таблицу размещения файлов, иллюстрирует рис. 14.

Рисунок 14 – Таблица FAT

Из рисунка видно, что файл MYFILE.TXT размещается, начиная с восьмого кластера. Всего файл MYFILE.TXT занимает 12 кластеров. Цепочка (chain) кластеров для данного примера может быть записана следующим образом: 8,9,0А, 0В, 15,16,17,19,1А, 1B, 1С, 1D. Кластер с номером 18 помечен специальным кодом F7 как плохой (bad), он не может быть использован для размещения данных. При форматировании обычно проверяется поверхность диска, и те сектора, при контрольном чтении с которых происходили ошибки, помечаются в FAT как плохие. Кластер 1D помечен кодом FF как конечный (последний в цепочке) кластер, принадлежащий данному файлу. Свободные (незанятые) кластеры помечаются кодом 00; при выделении нового кластера для записи файла берется первый свободный кластер.

Поскольку файлы на диске изменяются (удаляются, перемещаются, увеличиваются или уменьшаются), то упомянутое правило выделения первого свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов, то есть данные одного файла могут располагаться не в смежных (соседних) кластерах, а порой в очень удаленных друг от друга, образуя сложные цепочки. Естественно, что это приводит к существенному замедлению работы с файлами.

В связи с тем, что таблица FAT используется при доступе к диску очень интенсивно, она обычно загружается в оперативную память (в буферы ввода-вывода или в кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно.

В связи с чрезвычайной важностью таблицы FAT она обычно хранится в двух идентичных экземплярах, второй из которых непосредственно следует за первым. Обновляются копии FAT одновременно, используется же только первый экземпляр. Если он по каким-либо причинам окажется разрушенным, то произойдет обращение ко второму экземпляру.

Одной из важнейших характеристик исходной файловой системы FAT было использование имен файлов формата 8.3 (8 символов для имени файла и 3 для указания расширения). К стандартной системе FAT (имеется в виду прежде всего реализация FAT16) добавились еще две разновидности, используемые в широко распространенных ОС от Microsoft: VFAT (виртуальная система FAT) и система FAT32. Ныне файловая система FAT32 поддерживается и такими последними системами, как Windows XP, Windows Vista и Windows 7. Имеются реализации FAT32 и для MacOS X, и для Linux.

Файловая система VFAT впервые появилась в Windows 3.11 (Windows for Workgroups). С выходом Windows 95 в VFAT добавилась поддержка длинных имен файлов (до 255 символов).

На смену системе VFAT пришла файловая система FAT32, которая является полностью самостоятельной 32-разрядной файловой системой и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT. Самое принципиальное отличие заключается в том, что FAT32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. Прежде всего, кластеры в этой системе меньше, чем кластеры в предыдущих версиях. Кроме того, FAT 32 может работать с носителями объемом до 16 Тбайт, в то время, как FAT 16 не поддерживала носители более 4 Гбайт.

И еще одним не менее важным преимущестовом, является устойчивость носителей FAT32 к нарушениям структуры таблицы размещения файлов.

NTFS

Файловая система NTFS является основной файловой системой Windows 2000/XP/Vista/7. Это - 64-разрядная файловая система. NTFS является журналируемой, т.е. защищенной от сбоев, а также поддерживает сжатие и шифрование.

Основным элементом NTFS является Главная таблица файлов (Master File Table, MFT). Для уменьшения вероятности повреждений и потерь данных сохраняется копия критической части MFT.

Основной целью разработки файловой системы NTFS являлось обеспечение скоростного выполнения стандартных операций над файлами, включая чтение, запись, поиск и пре­доставление пользователям дополнительных возможностей, таких, например, как вос­становление поврежденной файловой системы на больших дисках.

Файловая система NTFS обеспечивает поддержку больших дисков, контроль доступа к данным и привилегии владельца, играющие исключительно важную роль в обеспечении целостности важных конфиденциальных данных. Папки и файлы NTFS могут иметь на­значенные им права доступа.

NTFS, как FAT16 и FAT32, использует кластеры для записи файлов на диск. Размер кла­стера в NTFS по умолчанию зависит от размера диска. Так, на дисках объемом 1-2 Гбайта кластер содержит 4 сектора или 2 Кбайта. Для сравнения, кластер FAT32 на таких дисках имеет размер 4 Кбайта, a FAT16-32 Кбайта. Таким образом, файловая система NTFS ис­пользует дисковое пространство наиболее эффективно по сравнению с FAT16 и FAT32.

Размер кластера в NTFS, отличающийся от устанавливаемого по умолчанию, пользова­тель может указать в процессе форматирования диска. Однако в общем случае рекомен­дуется использовать размер кластера, предлагаемый по умолчанию.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое файл?

2. Что означают термины «файловая система» и «система управления файлами»?

3. Какие функции выполняет система управления файлами?

4. Какая информация указывается в таблице FAT?

5. Что из себя представляет системная область?

6. Для чего предназначена область данных?

7. Что такое сектор? Какой размер имеет сектор?

8. Что такое кластер?

9. Поясните на примере идею использования FAT.

10. Что означает формат файла 8.3?

11. Укажите преимущества файловой системы FAT32 перед FAT16.

12. Охарактеризуйте файловую систему NTFS.

13. Можно ли изменять размер кластера в файловой системе NTFS при форматировании диска?

14. К каким последствиям приводит фрагментация?