Файловая структура диска

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА MS-DOS

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение файловой структуры диска и основных ее элементов, основных сервисных функции операционной системы MS-DOS и приобретение практических навыков их использования.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Файловая структура диска

Чтобы обратиться к данным файла, надо знать адрес первого сектора из тех, в которых хранятся данные файла. Адрес любого сектора на диске определяется тремя координатами: номером дорожки (цилиндра), номером поверхности и номером сегмента. Пользоваться адресом сектора для записи или чтения данных с диска можно, но трудоемко. На дисках одного компьютера могут храниться сотни и тысячи файлов, и для обеспечения возможности обращения к ним пришлось бы составлять и вести громоздкие каталоги, в которых для каждого файла указывался бы перечень занимаемых им секторов диска. Операционная система освобождает пользователя от необходимости иметь подобные каталоги и ведет их сама. Общая схема доступа к данным файла с использованием системных каталогов такова: пользователь обращается к файлу, указывая операционной системе его имя или спецификацию. Операционная система, прежде чем выполнить затребованные пользователем действия, обращается к файлу-каталогу, находит в нем запись, содержащую сведения о местоположении на диске файла данных, и уже затем выполняет затребованные действия.)

В процессе доступа к данным на диске операционная система использует также хранящиеся на нем таблицу размещения файлов FAT (от англ. File Allocation Table) и стартовый сектор, назначение которых будет рассмотрено позже. Стартовый сектор, таблица размещения файлов, каталог и остающееся свободным пространство памяти диска, называемое областью данных, являются элементами файловой структуры диска, создаваемыми операционной системой в процессе инициализации диска.

Операция инициализации нового диска выполняется перед тем, как начать его использовать. Если инициализации подвергается диск, уже бывший в эксплуатации, то вся ранее хранившаяся на нем информация утрачивается.

Объемы, занимаемые на гибком диске каждым из элементов файловой структуры, различаются в зависимости от формата диска.

Специфика файловой структуры жестких дисков определяется наличием возможности предварительного разбиения области памяти диска на несколько разделов. Поэтому в начальных секторах жесткого диска помещается информация о количестве разделов, их местоположении и размерах. Разделы жесткого диска в дальнейшем рассматриваются как автономные виртуальные диски, каждый из которых отдельно инициализируется и имеет собственные буквенные обозначения (С:, D:, Е:) и элементы файловой структуры, идентичные тем, которые описываются ниже применительно к гибким дискам.

Стартовый сектор — это визитная карточка диска, в которой записаны данные, необходимые операционной системе для работы с диском. Под стартовый сектор выделяется сектор 2, дорожки 0, поверхности 0. В него записываются следующие характеристики:

· идентификатор системы, если на диске записана операционная система;

· размер секторов диска в байтах;

· количество секторов в кластере;

· количество резервных секторов в начале диска (один);

· количество копий FAT на диске (обычно две);

· количество элементов в каталоге;

· количество секторов на диске;

· указатель формата диска;

· количество секторов в FAT;

· количество секторов на дорожку;

· количество поверхностей.

Кроме того, стартовый сектор хранит короткую программу в машинных кодах, используемую для загрузки в память операционной системы, если она размещена на диске. За стартовым сектором на диске следует таблица размещения файлов.

Таблица размещения файлов. В процессе работы пользователей на компьютере содержимое диска меняется: добавляются новые файлы, удаляются ненужные, некоторые файлы расширяются и т. д.

Файлу, записываемому на диск, выделяется целое количество кластеров, причем выделяемые кластеры могут находиться в различных местах диска. (блок и кластер это одно и тоже?) В отличие от непрерывных файлов, хранящихся в одной области памяти, файлы, занимающие на диске несколько областей, называются фрагментированными. Назначение FAT — хранить данные о местонахождении на диске фрагментов файлов.

Механизм доступа к файлам в MS DOS с использованием FAT реализуется следующим образом. Область данных диска рассматривается как последовательность пронумерованных кластеров. Каждому кластеру ставится в соответствие элемент FAT с тем же номером. Например, элемент 2 FAT соответствует кластеру 2 области данных диска, элемент 3 FAT — кластеру 3 и т. д.

В каталоге, содержащем сведения о файлах на диске, для каждого файла указан номер первого кластера, занимаемого файлом. Этот номер называется точкой входа в FAT. Система, прочитав в каталоге номер первого кластера файла, обращается к этому кластеру, например, записывает в него данные, затем она обращается к соответствующему элементу FAT (элементу, номер которого равен номеру первого кластера файла). Этот элемент FAT содержит номер следующего кластера, отведенного для файла на диске, и т. д.

Пример, приведенный на рис 2.1, иллюстрирует использование FАТ при обращении к файлу, имеющему три фрагмента на диске. Как видно из рис. 2.1.а, первый фрагмент файла занимает кластеры 9 и 10, второй фрагмент — кластер 12. Кластер 11 не используется как дефектный (в процессе форматирования диска система обнаружила на этом участке диска дефекты поверхности, препятствующее нормальному считыванию-записи данных. Третий фрагмент файла занимает кластеры 45, 46.

На рис.2.1.б приведено условное изображение соответствующего фрагмента FAT и пояснены значения элементов для каждого из кластеров, изображенных на рис. 2.1.а. Кластеры 13, 44, 47 — свободны и поэтому значения их равны 0. Кластер 11 отмечен как дефектный специальным кодом FF7, а кластер 46 отмечен кодом FFF, как последний кластер файла.

Если файл удаляется, то занимаемые им кластеры освобождаются и в соответствующие элементы FAT записывается код 000 — признак свободного кластера. При этом данные удаленного файла остаются на диске до тех пор, пока занимаемые ими кластеры не будут выделены системой другим файлам, вновь создаваемым или расширяемым. Пока этого не случится, удаленный файл может быть восстановлен.

Таблица размещения файлов следует на диске за стартовым сектором, т. е. начинается с сектора 3 дорожки 0. На диске сохраняются обычно две копии FAT на случай, если одна будет испорчена. Под FAT отводится количество секторов, указанное в табл. 1.1 и умноженное на число сохраняемых копий FAT. Вслед за копиями FAT на диске располагается каталог диска.

Каталоги. Каталог, создаваемый операционной системой в процессе инициализации диска, называется корневым. Файл корневого каталога состоит из записей, содержащих сведения о файлах, хранящихся на диске. Каждая запись - элемент каталога - занимает 32 байт и хранит:

· имя файла (8 байт);

· расширение имени (3 байт);

· двоичный код атрибутов файла (1 байт);

· резервное поле (10 байт);

· код времени создания файла (2 байт);

· код даты создания файла (2 байт);

· номер первого кластера, занимаемого файлом — точка входа в FAT (2 байт);

· размер файла (4 байт).

Двоичный код атрибутов файла характеризует статус файла и хранит шесть указателей (6 бит), каждый из которых может принимать одно из двух

значений 0 или 1. Если бит 0 установлен в «1», то файл можно только читать. Если бит 1 установлен в «1», то файл считается «спрятанным». Информация о спрятанных файлах не выдается на экран при распечатке пользователем содержимого каталога диска по команде DIR. Единица в бите 2 указывает на то, что файл является системным. Единица в бите 3 указывает, что элемент каталога описывает файл корневого каталога и поля «Время» и «Дата» этого элемента использованы под имя, идентифицирующее диск. Это имя называется меткой диска. Единица в бите 4 кода атрибутов указывает, что данный файл является подкаталогом. Ноль в бите 5, кода атрибутов имеют файлы жесткого диска, содержимое 'которых не менялось с момента записи на диск. Такие файлы имеют статус «архивных».

Размер файла корневого каталога фиксирован и зависит от формата физической структуры диска. На гибких дисках форматов D-8, D-9, QD-9 под файл каталога отведено 7 секторов, по 512 байт. Таким образом, корневой каталог дисков указанных форматов может хранить сведения максимально о 112 файлах. Этого количества обычно бывает достаточно для гибких дисков, для которых характерной является структура организации доступа к файлам с одним каталогом (рис. 2.2.а).

Для доступа к данным жестких дисков, хранящих сотни и тысячи файлов, применяется древовидная структура каталогов (рис. 2.2.б). В вершине древовидной структуры находится корневой каталог, создаваемый в процессе инициализации диска. Ветви дерева образуют подкаталоги, которые создаются и удаляются по инициативе пользователей по специальным командам. Старший каталог по отношению к непосредственно подчиненным ему каталогам называют каталогом-отцом. Так на рис. 2.2.б для каталогов 1 и 2 каталогом-отцом корневой каталог. Подкаталог 1 является каталогом-отцом для подчиненного ему подкаталога 3.

В операционной системе MS DOS каждый из каталогов может хранить сведения и о файлах-подкаталогах, и о файлах данных. Положение на диске корневого каталога фиксировано и известно операционной системе - он располагается, начиная с секторов, следующих за FAT. Подкаталоги хранятся в области данных диска, как обычные файлы. Данные о местонахождении подкаталогов корневого каталога хранятся в корневом каталоге. Подкаталоги корневого каталога хранят сведения о подчиненных им подкаталогах и т. д.

Подкаталоги состоят из тех же элементов, что и корневой каталог. Каждый элемент подкаталога хранит сведения о файле данных или о файле подчиненного каталога. Отличие элемента, описывающего подкаталог, состоит в том, что бит 4 кода атрибутов файла устанавливается в положение «1» и поле «Размер файла» содержит нулевое значение. Размер файла подкаталога неограничен, что позволяет в пределах емкости диска организовать хранение любого количества файлов. Первый и второй элементы файла-подкаталога имеют в поле «Имя файла» значения «.» и «..». Элемент с именем «.» описывает собственно подкаталог, а элемент с именем «..» описывает файл каталога-отца. Наличие в подкаталоге элемента с данными о каталоге-отце обеспечивает взаимосвязь каталогов разного уровня и позволяет продвигаться по дереву каталога не только от корневого каталога к подчиненным подкаталогам, но и в обратном направлении.

Область данных. Область данных располагается вслед за корневым каталогом и занимает все остальное пространство памяти диска. Файлам, хранящимся в области данных, по возможности выделяется непрерывная последовательность блоков памяти (кластеров). Если файл расширяется или записывается на место ранее удаленного более короткого файла, то файлу может быть выделено несколько областей памяти на диске - файл становится фрагментированным. Связь между отдельными фрагментами файла обеспечивается указателями, хранящимися в FAT.

Со временем степень фрагментированности файлов на диске возрастает. При этом полезная емкость памяти области данных диска не изменяется. Однако время доступа к данным на диске несколько возрастает, так как для того, чтобы считать или записать данные в непрерывный файл, надо подвести магнитные головки чтения-записи к нужной дорожке на диске один раз, а в фрагментированный файл - столько раз, сколько файл имеет фрагментов, расположенных на разных дорожках диска.

В некоторых случаях, например при работе с базами данных, когда часто создаются и удаляются временные файлы, замедление доступа к файлам, вызванное их возросшей фрагментацией, может стать весьма ощутимым. Упростить фрагментацию файлов в области данных диска можно, выполнив средствами ОС или предназначенных для этого прикладных программ, например PC-COMPRESS, специальную операцию, которую не совсем точно называют «сжатием» (от англ. compress). Суть этой операции сводится практически к переписыванию заново содержимого диска, но каждый из хранившихся на диске файлов, в процессе выполнения операции «сжатия вновь записывается на диск уже как непрерывный.

Поиск по сайту: