ОСВМ ТПОИ РиЭКТ КС ОИС визуальные среды - 4GL ТП ОСП Поколения компьютеров

Операционные системы вычислительных машин

Файловые системы FAT16 и FAT32

Персональный компьютер обычно комплектуется одним или двумя НМД. Однако операционная система позволяет вам разбивать НМД на части, причем каждая часть будет рассматриваться DOS как отдельный, "логический" диск.

Зачем нужно разбивать диск на логические диски?

Первые персональные компьютеры IBM PC были укомплектованы только НГМД. Дискеты позволяют хранить относительно небольшие объемы информации, поэтому делить флоппи-диск на части не имеет смысла. Следующая модель компьютера - IBM XT- имела жесткий диск объемом 10 или 20 мегабайт. Диск объемом 20 мегабайтов имели и некоторые экземпляры IBM AT. При использовании таких дисков и операционных систем MS-DOS версий до 3.20 у пользователей не возникало никаких проблем и желания разбить диск относительно малого объема на еще меньшие части.

Проблемы возникли, когда производители НМД освоили выпуск дисков объемом 40 мегабайтов и больше. Оказалось, что используемый DOS механизм 16-ти разрядной адресации секторов не позволяет использовать диски объемом, большим, чем 32 мегабайта.

Операционная система MS-DOS версии 3.30 предложила некоторый выход из создавшегося положения. С помощью утилиты FDISK можно было разбить физический диск на логические, каждый из которых не должен превышать по объему 32 мегабайта.

Впоследствии в версиях 4.00 MS-DOS и 3.31 COMPAQ DOS указанное выше ограничение на размер логического диска было снято, однако схема разделения физического диска на логические полностью сохранилась. Существуют и другие причины, по которым может быть полезно разделение большого диска на части:

· В случае повреждения логического диска пропадает только та информация, которая находилась на этом логическом диске.

· Реорганизация и выгрузка диска маленького размера проще и быстрее, чем большого.

· Возможно разделение дискового пространства между отдельными пользователями персонального компьютера. Такая практика "коллективной" работы на персональном компьютере очень распространена.

· При использовании специальных утилит для разбиения диска на части (диск-менеджеров) возможна установка для отдельных логических дисков защиты от записи. Вы можете записывать на такие диски неизменяющуюся информацию. Вред от программ-вирусов также будет меньше - вирус не сможет записать себя на защищенный диск.

· Один диск может содержать несколько различных операционных систем, расположенных в разных разделах диска. В ходе начальной загрузки вы можете указать раздел диска, из которого должна производиться загрузка операционной системы.

По своей внутренней структуре логический диск полностью соответствует дискете, поэтому сначала мы изучим логическую структуру жесткого диска, затем сделаем некоторые замечания, касающиеся дискет.

Самый первый сектор жесткого диска (сектор 1, дорожка 0, головка 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record). Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть. Сама по себе главная загрузочная запись является программой. Эта программа во время начальной загрузки операционной системы с жесткого диска помещается по адресу 7C00:0000, после чего ей передается управление. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.

В конце самого первого сектора жесткого диска располагается таблица разделов диска (Partition Table). Эта таблица содержит четыре элемента, описывающих максимально четыре раздела диска. В последних двух байтах сектора находится число 55AA. Это признак таблицы разделов.

Для просмотра и изменения содержимого таблицы разделов жесткого диска используется утилита DOS FDISK, или аналогичная утилита другой операционной системы.

Что представляет из себя элемент таблицы разделов диска? Это структура размером 16 байтов, описывающая часть диска, называемую разделом. В структуре описаны границы раздела в терминах номеров сектора, дорожки и головки, там располагается информация о размере раздела в секторах и о назначении раздела. Разделы диска могут быть активными, активный раздел может быть использован для загрузки операционной системы. Заметьте, что диск может содержать одновременно несколько активных разделов, которые могут принадлежать разным операционным системам.

Приведем формат первого сектора жесткого диска:

Смещение	Размер	Содержимое
(+0)	1BEh	Загрузочная запись - программа, которая загружается и выполняется во время начальной загрузки операционной системы
(+1BEh)	10H	Элемент таблицы разделов диска
(+1CEh)	10H	Элемент таблицы разделов диска
(+1DEh)	10H	Элемент таблицы разделов диска
(+1EEh)	10H	Элемент таблицы разделов диска
(+1FEh)	2	Признак таблицы разделов - 55AAh

Все элементы таблицы разделов диска имеют одинаковый формат:

Смещение	Размер	Содержимое
(+0)	1	Признак активного раздела: 0 - раздел не активный; 80h - раздел активный.
(+1)	1	Номер головки для начального сектора раздела.
(+2)	2	Номер сектора и цилиндра для начального сектора раздела в формате функции чтения сектора INT 13h.
(+4)	1	Код системы: 0 - неизвестная система; 1, 4 - DOS; 5 - расширенный раздел DOS.
(+5)	1	Номер головки для последнего сектора раздела.
(+6)	2	Номер сектора и цилиндра для последнего сектора раздела в формате функции чтения сектора INT 13h.
(+8)	4	Относительный номер сектора начала раздела.
(+12)	4	Размер раздела в секторах.

В самом первом секторе активного раздела расположена загрузочная запись (Boot Record), которую не следует путать с главной загрузочной записью (Master Boot Record). Загрузочная запись считывается в оперативную память главной загрузочной записью, после чего ей передается управление. Загрузочная запись и выполняет загрузку операционной системы.

Таким образом, загрузка операционной системы с жесткого диска - двухступенчатый процесс. Вначале модули инициализации BIOS считывают главную загрузочную запись в память по адресу 7C00:0000 и ей передается управление. Главная загрузочная запись просматривает таблицу разделов и находит активный раздел. Если активных разделов несколько, на консоль выводится сообщение о необходимости выбора активного раздела для продолжения загрузки.

После того как активный раздел найден, главная загрузочная запись считывает самый первый сектор раздела в оперативную память. Этот сектор содержит загрузочную запись, которой главная загрузочная запись и передает управление.

Загрузочная запись активного раздела выполняет загрузку операционной системы, находящейся в активном разделе.

Такой двухступенчатый метод загрузки операционной системы необходим по той причине, что способ загрузки зависит от самой операционной системы, поэтому каждая операционная система имеет свой собственный загрузчик. Фиксированным является только расположение загрузочной записи - самый первый сектор активного раздела.

Расскажем подробнее о некоторых полях элемента таблицы раздела диска. Байт со смещением 0, как мы уже говорили, является флагом активного раздела и может принимать одно из двух значений - 0 или 80h соответственно для неактивного и активного разделов диска. Двухбайтовое слово, расположенное со смещением 8, содержит относительный номер первого сектора раздела. Как он вычисляется? Значение 0 соответствует дорожке 0, головке 0, сектору 1. При увеличении относительного номера сектора вначале увеличивается номер сектора на дорожке, затем номер головки, и, наконец, номер дорожки. Для вычисления относительного номера сектора можно использовать следующую формулу:

RelSect = (Cyl * Sect * Head) + (Head * Sect) + (Sect -1)

В этой формуле:

Cyl - номер дорожки;

Sect - номер сектора на дорожке;

Head - номер головки.

Замечание, касающееся границ разделов диска: обычно разделы начинаются с четных номеров дорожек, за исключением самого первого раздела. Этот раздел может начинаться с сектора 2 нулевой дорожки (головка 0), так как самый первый сектор диска занят главной загрузочной записью.

Байт со смещением 4 - это код системы, использующей раздел диска. Для DOS зарезервированы значения 0, 1, 4, 5. Значение 0 соответствует неиспользуемому разделу диска.

Если код системы в элементе таблицы раздела равен 1 или 4, это означает, что раздел используется DOS в качестве первичного раздела (Primary Partition). Первичный раздел используется DOS как логический диск. Этот раздел обычно является активным и из него выполняется загрузка операционной системы. В зависимости от того, какой код системы используется для обозначения первичного раздела DOS (1 или 4) меняется одна из характеристик логического диска - размер элемента таблицы размещения файлов (FAT). Код 1 используется для обозначения 12-битовой FAT, 4 - для 16-битовой FAT.

Значение кода системы, равное 5, обозначает расширенный раздел DOS (Extended DOS Partiton).

Нетрудно заметить, что даже используя все элементы таблицы разделов для создания логических дисков, невозможно создать более четырех дисков. А что делать с винчестерами объемом 300 или 700 мегабайтов? Использование расширенного раздела DOS позволит вам создать любое количество логических дисков. Все эти диски будут располагаться в пределах одного расширенного раздела.

Утилита MS-DOS FDISK позволяет вам создать один первичный раздел DOS и один расширенный раздел. Первичный раздел должен быть активным, он используется как диск С: и из него выполняется загрузка операционной системы. Расширенный раздел разбивается утилитой на логические диски D:, E: и т.д. Расширенный раздел не может быть активным, следовательно, невозможно выполнить загрузку операционной системы с логических дисков, расположенных в этом разделе.

Если в элементе таблицы разделов байт кода системы имеет значение 5, то в начале раздела, указанном в этом элементе, располагается сектор, содержащий таблицу логических дисков. Фактически эта таблица является расширением таблицы разделов диска, расположенной в самом первом секторе физического диска. Таблица логических дисков имеет формат, аналогичный таблице разделов диска, но имеет только два элемента. Один из них указывает на первый сектор логического диска DOS, он имеет код системы 1 или 4. Второй элемент может иметь код системы, равный 5 или 0. Если этот код равен 5, то элемент указывает на следующую таблицу логических дисков. Если код системы равен 0, то соответствующий элемент не используется.

Из сказанного выше следует, что таблицы логических дисков связаны в список, на начало этого списка указывает элемент таблицы разделов диска с кодом системы, равным 5.

Для таблицы логических дисков имеется отличие в использовании полей границ логических дисков: если код системы равен 1 или 4, эти границы вычисляются относительно начала расширенного раздела; для элемента с кодом системы 5 используется абсолютная адресация (относительно физического начала диска).

Приведем конкретный пример. Пусть на диске создано два раздела - первичный и расширенный. Первичный раздел используется для загрузки MS-DOS (диск С:), расширенный раздел содержит логические диски D:, E:, F:. На рисунке показано расположение разделов на диске:

Загрузочная запись BOOT

Самый первый сектор логического диска (и самый первый сектор на системной дискете) занимает загрузочная запись (Boot Record). Эта запись считывается из активного раздела диска программой главной загрузочной записи (Master Boot Record) и запускается на выполнение. Задача загрузочной записи - выполнить загрузку операционной системы. Каждый тип операционной системы имеет свою загрузочную запись. Даже для разных версий одной и той же операционной системы программа загрузки может выполнять различные действия.

Кроме программы начальной загрузки операционной системы в загрузочной записи находятся параметры, описывающие характеристики данного логического диска.

Таблица размещения файлов

История персональных компьютеров учит нас тому, что емкость, "превышающая любые мыслимые потребности", очень быстро становится "почти недостаточной для серьезных работ".

Для систем Windows 95 фирма Microsoft разработала новое расширение системы FAT - FAT32, без каких-либо громких заявлений предусмотренное в пакете OEM Service Pack 2. Рассмотрим общую структуру файловых систем FAT, а затем остановимся на новшествах, отличающих FAT32. Чтобы избежать путаницы, старую 16-разрядную версию будем называть FAT16.

FAT представляет собой базу данных, связывающую кластеры дискового пространства с файлами. В этой базе для каждого кластера предусматривается только один элемент. Первые два элемента содержат информацию о самой системе FAT. Третий и последующие элементы ставятся в соответствие кластерам дискового пространства, начиная с первого кластера, отведенного для файлов. Элементы FAT могут содержать несколько специальных значений, указывающих, что кластер свободен, т.е. не использован ни одним файлом (для FAT16 это значение составляет 0000H); кластер содержит один или несколько секторов с физическими дефектами и не должен использоваться (дл FAT16 это значение составляет FFF7H); данный кластер - последний кластер файла (дл FAT16 это значение составляет FFF8 FFFFH). Для любого используемого файлом, но не последнего кластера элемент FAT содержит номер следующего кластера, занятого файлом.

Каждый каталог - независимо корневой или подкаталог - также представляет собой базу данных. В каталоге DOS для каждого файла предусмотрена одна главная запись (В среде Windows 95 для длинных имен файлов введены дополнительные записи). В отличие от FAT, где каждый элемент состоит из единственного поля, записи для файла в каталоге состоят из нескольких полей (см. рис. 1). Некоторые поля - имя, расширение, размер, дата и врем - могут быть выведены на экран по команде DIR. Но в системе FAT предусмотрена поле, которое не отображаетс командой DIR, - поле с номером первого кластера, отведенного под файл.

Смещение	0-7	8-10	11	12-21	22-23	24-25	26-27	28-31
	Имя файла	Расширение	Атрибут	Не исполь-зуется	Время	Дата	Начальный кластер	Размер файла
Размер	8 байт	3 байт	1 байт	10 байт	2 байт	2 байт	2 байт	4 байт

Когда программа отправляет запрос к операционной системе с требованием предоставить ей содержимое какого-то файла ОС просматривает запись каталога дл него, чтобы найти первый кластер этого файла. Затем она обращается к элементу FAT для данного кластера, чтобы найти следующий кластер в цепочке. Повторяя этот процесс, пока не обнаружит последний кластер файла, ОС точно определяет, какие кластеры принадлежат данному файлу и в какой последования. Таким путем система может предоставить программе любую часть запрашиваемого ею файла. Такой способ организации файла носит название цепочки FAT.

В системе FAT файлам всегда выделяется целое число кластеров. На 1,2-Гбайт жестком диске с 32-Кбайт кластерами в каталоге может быть указано, что размер текстового файла, содержащего слова "hello, world", составляет всего 12 байт, но на самом деле этот файл занимает 32 Кбайт дискового пространства. Неиспользованная часть кластера называется потерянным местом (slack). В небольших файлах почти весь кластер может быть потерянным местом, а в среднем потери составляют половину размера кластера.

На 850-Мбайт жестком диске с 16-Кбайт кластерами при среднем размере файлов порядка 50 Кбайт около 16% отведенного под файлы дискового пространства будет потеряно на неиспользуемые, но выделенные файлам области. Один из способов высвобождения пространства на диске - с помощью программ сжатия диска, например DriveSpace, которая выделяет "потерянные места" дл использования другими файлами.

Расчеты размеров секторов и кластеров

Сначала в файловой системе FAT в DOS 1 использовались 12-разрядные элементы FAT. (В настоящее время 12-разрядная FAT все еще находит применение дл гибких дисков.) В DOS 2, оснащенной дополнительными средствами для работы с жесткими дисками, в FAT предусмотрены 16-разрядные элементы. Причина проблемы, возникшей в 1987 г., кроется в запросах нижнего уровн к операционной системе на считывание секторов диска с передачей 16-разрядного значения в качестве параметра. Существует 65 536 различных 16-разрядных значений; умножив 65 536 на 512 байт в секторе, получим 32 Мбайт. Что касается числа секторов на диске, оно ограничено возможностями операционной системы. В DOS 4.0 дл обработки запросов на считывание секторов нижнего уровня используются 32-разрядные параметры.

Предел в 2 Гбайт на самом деле обусловлен не проблемами операционной системы, а существующими программами. На диске емкостью 2 Гбайт и более кластеры имеют размер 64 Кбайт, или 65 536 байт (см. рис. 2). Но самое большое значение, которое может быть представлено в 16 разрядах, составляет 65 535; 64 Кбайт - слишком большая величина для 16 разрядов. В Microsoft обнаружили, что при разработке многих существующих в настоящее время программ их авторы исходили из предположения, что значение числа байт в кластере умещается в 16 разрядах.

С увеличением размеров диска единица в двоичном 8-разрядном представлении числа секторов в кластере смещается влево. При смещении единицы за крайнюю левую цифровую позицию возникает ошибка превышения размера 4 Гбайт. Размер кластера указан в виде 16-разрядных двоичных чисел. И вновь единица смещается влево, а при смещении ее за крайнюю левую позицию возникает "2-Гбайт кризис".

Ограничения на размеры секторов и кластеров в FAT16

Размер диска	Число секторов в кластере		Размер кластера
Размер диска	Десятичное	Двоичное	Десятичное	Двоичное
Менее 128 Мбайт	4	00000100	2 Кбайт	0000100000000000
Менее 256 Мбайт	8	00001000	4 Кбайт	0001000000000000
Менее 512 Мбайт	16	00010000	8 Кбайт	0010000000000000
Менее 1 Гбайт	32	00100000	16 Кбайт	0100000000000000
Менее 2 Гбайт	64	01000000	32 Кбайт	1000000000000000
Менее 4 Гбайт	128	10000000	64 Кбайт	ОШИБКА: Проблема для существующих программ
4 Гбайт и более	256	ОШИБКА: Проблема для ОС

Даже если такой проблемы не возникло при объеме в 2 Гбайт, то операционная система все равно не сможет работать с дисками емкостью свыше 4 Гбайт. При использовании FAT16 число секторов в кластере сохраняется самой ОС в одном байте блока параметров диска, устанавливаемого ОС. Это число должно быть кратным степени 2 и при этом меньше 256. Таким образом, в кластер может входить не более 128 секторов, или 64 Кбайт. В итоге даже если ограничение в 2 Гбайт снимается, система FAT16 приемлема лишь для дисков емкостью менее 4 Гбайт.

В файловой системе FAT32 как элементы FAT, так и номера секторов - 32-разрядные. Вот что это значит: умножим 4 294 967 296 различных 32-разрядных значений на 512 байт в секторе и получим огромное число 2 Тбайт (2 199 023 255 552 байт), которое представляет собой максимально возможную емкость диска при использовании FAT32.

Некоторое устранение потерь

Теперь, когда допустимое число кластеров и число секторов одинаковы, видимо, можно было бы предположить, что для минимизации потерь места на диске в FAT32 будут использоваться кластеры, состоящие только из одного сектора. Но в этом вопросе необходим какой-то компромисс, поэтому в спецификации FAT32 размер кластера для накопителей емкостью до 8 Гбайт составляет 4 Кбайт.

Зависимость размера кластера от емкости диска

Емкость диска, Гбайт	Размер кластера, Кбайт
Менее 8	4
Менее 16	8
Менее 32	16
32 и более	32

Одним из факторов, сыгравшим роль в принятии такого решения, стало то, что теперь нужно учитывать и размер самой FAT. Операционная система сохраняет две копии FAT, поэтому под элемент каждого кластера в FAT требуется 8 байт. На 2-Гбайт диске FAT займет 32 Мбайт его пространства при размере кластера 512 байт. А если размер кластера составляет 4 Кбайт, для хранения двух таблиц FAT потребуется всего 4 Мбайт, т. е. будет сэкономлено 28 Мбайт.

Но причиной для компромисса послужили не только соображения экономии дискового пространства; не были забыты и вопросы производительности. Для ускорени доступа к диску встроенная программа дискового кэша VCACHE загружает всю FAT в оперативную память. Очевидно, что проще добиться этого, если кажда отдельная таблица FAT занимает 2 Мбайт, а не 16 Мбайт. И не беспокойтесь о том, что увеличение числа кластеров и удвоение размера элементов FAT приведут к снижению эффективности VCACHE: для FAT32 предусмотрен новый метод работы с кэшем, который, согласно заявлениям Microsoft, повышает общую производительность.

Другие изменения в FAT32

Чтобы обеспечить возможность работы с возросшим числом кластеров, в записи каталога для каждого файла должно выделяться 4 байт для начального кластера файла (вместо 2 байт в системе FAT16). Традиционно кажда запись в каталоге состоит из 32 байт (рис. 1). В середине этой записи 10 байт не используются (байты с 12-го по 21-й), которые Microsoft зарезервировала дл своих собственных нужд в будущем. Два из них теперь отводятся как дополнительные байты, необходимые дл указания начального кластера в системе FAT32.

Операционная система всегда предусматривала наличие на диске двух экземпляров FAT, но использовался только один из них. С переходом к FAT32 операционная система может работать с любой из этих копий. Еще одно изменение состоит в том, что корневой каталог, раньше имевший фиксированный размер и строго определенное место на диске, теперь можно свободно наращивать по мере необходимости подобно подкаталогу. Теперь не существует ограничений на число записей в корневом каталоге. Это особенно важно, поскольку под каждое длинное имя файла используется несколько записей каталога.

Сочетание перемещаемого корневого каталога и возможности использования обеих копий FAT - неплохие предпосылки для беспрепятственного динамического изменения размеров разделов диска, например уменьшени раздела с целью высвобождения места для другой операционной системы. Этот новый подход менее опасен, чем применявшиеся в программах независимых поставщиков для изменения разделов диска при работе с FAT16. (Хот в Windows нет утилит, использующих возможности FAT32, такие средства реализованы в программах независимых фирм, например в Partition Magic 3.0 фирмы PowerQuest и PartitionIt фирмы Quarterdeck.)

Предостережения

Следует заметить, что FAT32 рассчитана только на Windows 95/98. В Microsoft не давали обещаний подготовить Windows NT к ее использованию и намекнули, что и не собираются этого делать. Однако в фирме заявляют, что, если в Windows NT 5.0 не будет средств для работы с FAT32, то в ней будет предусмотрена утилита дл отображения дисков файловой системы FAT32 в NTFS ("родную" файловую систему Windows NT), поэтому те, кто собирается обновить свою систему, могут не беспокоиться. Однако в настоящее время, если вы хотите установить Windows NT и Windows 95 на одной машине, вам нужно будет убедиться, что совместно используемое этими двумя операционными системами дисковое пространство организовано в соответствии с FAT16, а не FAT32, которую не "воспринимает" система Windows NT, и не NTFS, которую не "понимает" Windows 95/98.

Поскольку поле для размера файла в записи каталога занимает 32 разряда, размер отдельного файла не может превышать 4 Гбайт.

Если мы остановимся на FAT32, то пройдет еще 15 лет, прежде чем мы достигнем рубежа 2 Тбайт, и нам придется переходить на FAT64. Учитывая разговоры об объектно-ориентированных файловых системах, можно с той же степенью уверенности предсказать отказ от FAT, с которой мы могли предсказать в 1987 г. отход от FAT до достижения предела в 2 Гбайт.

ОСВМ ТПОИ РиЭКТ КС ОИС визуальные среды - 4GL ТП ОСП Поколения компьютеров

Знаете ли Вы, что защищённый режим компьютера, разработан фирмой DEC и заключается в том, что программист и разрабатываемые им программы используют логическое адресное пространство, размер которого может быть намного больше, чем объем ОЗУ. Логический адрес преобразуется в физический адрес автоматически с помощью схемы управления памятью (MMU). При этом содержимое сегментного регистра не связано напрямую с физическим адресом, а является номером сегмента в соответствующей таблице. Благодаря защищённому режиму, в памяти может храниться только та часть программы, которая необходима в данный момент, а остальная часть может храниться во внешней памяти (например, на жёстком диске). В случае обращения к той части программы, которой нет в памяти в данный момент, операционная система может приостановить программу, загрузить требуемую секцию кода из внешней памяти и возобновить выполнение программы. Следовательно, становятся допустимыми программы, размер которых больше объёма имеющейся памяти, и пользователю кажется, что он работает с большей памятью, чем на самом деле.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира