7. Определите структурные части жесткого диска файловой системы fat.

Жесткий диск — основное устройство хранения данных. Он может иметь различную структуру хранения файлов и каталогов, которая обеспечивает непосредственное расположение данных на диске. Файловая система чаще всего интегрирована в операционную, а некоторые операционные системы поддерживают несколько файловых систем.

Большинство существующих на сегодняшний день файловых систем построены на основе таблицы размещения файлов (File Allocation Table — FAT), которая содержит дорожки данных в каждом кластере на диске. Существует несколько типов файловой системы FAT — FAT 12, FAT 16 и FAT 32. Они отличаются количеством цифр, используемых в таблице размещения файлов. Другими словами, в FAT 32 используется 32-разрядное число для хранения дорожки данных в каждом кластере, в FAT 16 — 16-разрядное число и т.д. В настоящее время существуют следующие типы файловой системы FAT:

FAT 12, используемая в разделах емкостью не более 16 Мбайт (например, дискета);

FAT 16, используемая в разделах емкостью от 16 Мбайт до 2 Гбайт;

FAT 32, используемая (необязательно) в разделах емкостью от 512 Мбайт до 2 Тбайт.

Для обеспечения пользовательским приложениям доступа к файлам независимо от типа используемого диска в операционной системе предусмотрено несколько структур. Эти структуры поддерживаются системами Windows 9x, Windows NT и Windows 2000 и представлены ниже в порядке расположения на диске:

• загрузочные секторы главного и дополнительного разделов;

• загрузочный сектор логического диска;

• таблицы размещения файлов (FAT);

• корневой каталог;

• область данных;

• цилиндр для выполнения диагностических операций чтения/записи.

Каждая дисковая область применяется для конкретной цели. Повреждение одной из перечисленных областей обычно приводит к ограничению доступа к другим областям, вызывая сбои в работе. Например, операционная система не сможет получить доступ к диску, если повреждена главная загрузочная запись. Таким образом, понимание логики работы каждой структуры и их взаимодействия оказывает значительную помощь в устранении неполадок.

Таблица размещения файлов

Такая таблица создается один раз для всего диска при его форматировании и содержит информацию о состоянии каждой его элементарной единицы (кластера) – свободен, испорчен, последний в цепочке, – причем для каждого кластера предусматривается только один элемент FAT. Можно сказать, что каждый кластер имеет своего представителя в FAT. Оглавление диска или каталога в этой реализации содержит имя файла, его атрибуты и ссылку на первый элемент таблицы размещения. А поскольку каждый элемент FAT содержит, помимо атрибутов, еще и номер следующего элемента, то таким образом достигается однозначное распределение всего объема диска между файлами.

Теоретически, последовательность кластеров в цепочке может быть вообще какой угодно, к примеру, 376–12–1056–7, однако использующийся типично “компьютерный” алгоритм записи файла всегда начинает заполнение диска с младших адресов, создавая цепочки, в которых каждый последующий элемент больше предыдущего.

Элементарная единица диска в случае FAT – это далеко не то же самое, что сектор, хотя в принципе и может с ним совпадать. Размер кластера всегда равен размеру сектора (512 byte), умноженному на 2n, то есть 512 byte, 1 Кb, 2 Кb, 4 Кb, 8 Кb, 16 Кb или 32 Кb, и рассчитывается исходя из общего объема форматируемого пространства: каждая запись FAT содержит указатель на следующий кластер в “цепочке”, и если размер записи в FAT ограничивается, к примеру, 12 bit (FAT12 используется и поныне в дискетах, где размер диска невелик и фиксирован, давая возможность ограничиться 12 bit даже при минимальной величине кластера 512 byte), то и указать такая запись сможет только на кластер с номером не более 216=4096, а в реальной ситуации – еще на 10 единиц меньше, поскольку именно столько значений зарезервировано в FAT12 (и FAT16) для маркировки специфических состояний.

Размер кластера выбирается так: емкость форматируемого раздела делится на заранее известное максимальное их количество, затем подбирается ближайшее сверху кратное степени двойки значение. К примеру, для раздела 800Мb в FAT16 это будет (800* 1024*1024)/65525=838860800/65525= 12802 byte, или 16Кb в “легальных” значениях.

Нехитрые расчеты также могут показать и верхний предел размера раздела, который можно отформатировать под FAT16: поскольку максимальный размер кластера равен 32Кb (больший размер не используется по причине выхода за пределы 16-битной адресации уже внутри кластера), то 65525*32772=2147385300, а это “совсем немного” не доходит до 2 Gb.

Поскольку в системах с FAT файл может и должен занимать целое число кластеров, это означает, что некоторая часть последнего кластера в цепочке скорее всего окажется незанятой. Такое потерянное пространство называется slack. Оно может занимать и почти весь кластер (скажем, при размере файла равном n*a+1, где а – размер кластера, а n – произвольно), и ничтожную его часть, но в среднем, при достаточно большом числе файлов на диске, незанятой оказывается ровно половина последнего кластера. Иными словами, растраченное впустую место равно количеству файлов, умноженному на половину размера кластера, и чем больше размер блока-кластера, тем большая емкость винчестера реально не будет использоваться.

Решить эту проблему может либо укрупнение файлов, либо уменьшение размера кластера. Первый вариант сам собой реализуется в программах уплотнения диска, таких как Stacker, DoubleSpace или DriveSpace в Windows 9х. Уменьшение же размера кластера, снижая потери заполнения последнего блока, требует увеличения системной области, отведенной под FAT. То есть под рабочую область диска изначально отводится меньше места, которое впоследствии, однако, более разумно (точнее, возможно более разумно) расходуется.

Структура каталогов

Корневой каталог представляет собой набор 32-байтных элементов, содержащих информацию о файлах и других каталогах (организованных также в виде файлов со специальным атрибутом).

Поскольку место, отводимое именно под корневой каталог, определяется в процессе форматирования и впоследствии не может быть изменено, существует определенное ограничение на количество вносимых в него записей, а значит, и файлов (исправлено в FAT32).

Подобное ограничение с избытком искупается организованной древовидной структурой каталогов: если не считать корневого, каждая директория может содержать практически любое количество себе подобных, что дает возможность, с одной стороны, регистрировать сколь угодно большое число файлов, с другой – обеспечить более удачную организацию пользовательского рабочего места.