3.4. Файловая система

ЭВМ, как правило, имеет несколько дисков. Каждому диску присваивается имя, которое задается латинской буквой с двоеточием, например, А:, В:, С: и т. д. Стандартно принято, что А: и В: – это накопители на гибких магнитных дисках, а диски С:, D: и т. д. – жесткие диски, накопители на оптических дисках или электронные диски.

Электронные диски представляют собой часть оперативной памяти, которая для пользователя выглядит как ВЗУ. Скорость обмена информации с электронным диском значительно выше, чем с электромеханическим внешним запоминающим устройством. При работе электронных дисков не происходит износ электромеханических деталей. Однако после выключения питания информация на электронном диске не сохраняется.

Физически существующие магнитные диски могут быть разбиты на несколько логических дисков, которые для пользователя будут выглядеть на экране так же, как и физически существующие диски. При этом логические диски получают имена по тем же правилам, что и физически существующие диски. Проще говоря, логический диск – это часть обычного жесткого диска, имеющая собственное имя.

Диск, на котором записана операционная система, называется системным (или загрузочным) диском. В качестве загрузочного диска чаще всего используется жесткий диск С:. При лечении вирусов, системных сбоях загрузка операционной системs часто осуществляется с гибкого диска. Выпускаются оптические диски, которые также могут быть загрузочными.

В операционных системах DOS и Windows каждому диску можно дополнительно давать имена (label – метка), которые отражают их содержание, например: Системный, Графика, Музыка, Тексты, Дистрибутивы и т. д. Для того чтобы на новый магнитный диск можно было записать информацию, он должен быть предварительно отформатирован. Форматирование – это подготовка диска для записи информации.

Во время форматирования на диск записывается служебная информация (делается разметка), которая затем используется для записи и чтения информации, коррекции скорости вращения диска. Разметка производится с помощью электромагнитного поля, создаваемого записывающей головкой дисковода.

Запись информации осуществляется по дорожкам, причем каждая дорожка разбивается на секторы, например, по 1024 байта. Дискета диаметром 3,5 дюйма объемом 1,44 Мбайта содержит 80 дорожек и 18 секторов. Число дорожек и секторов на жестком диске значительно больше, чем на гибком диске (ориентировочные значения: 2500 дорожек, 63 сектора).

Для жесткого диска характерно еще одно понятие: цилиндр.

Цилиндром винчестера называется совокупность дорожек с одинаковыми порядковыми номерами, расположенных на разных дисках винчестера.

На рисунке видны два цилиндра, образованные равноудаленными дорожками на трех дисках винчестера. При работе винчестера несколько головок одновременно считывают информацию с дорожек одного цилиндра.

В процессе форматирования на диске выделяется системная область, которая состоит из трех частей: загрузочного сектора, таблицы размещения файлов и корневого каталога.

Загрузочный сектор (Boot Record) размещается на каждом диске в логическом секторе с номером 0. Он содержит данные о формате диска, а также короткую программу, используемую в процедуре начальной загрузки операционной системы.

Загрузочный сектор создается во время форматирования диска. Если диск подготовлен как системный (загрузочный), то загрузочный сектор содержит программу загрузки операционной системы. В противном случае он содержит программу, которая при попытке загрузки с этого диска операционной системы выводит сообщение о том, что данный диск не является системным.

Каждый жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков. На жестком диске имеется область, которая называется главной загрузочной записью MBR (Master Boot Record) или главным загрузочным сектором. В MBR указывается, с какого логического диска должна производиться загрузка операционной системы.

Таблица размещения файлов (File Allocation Table – сокращенно FAT) располагается после загрузочного сектора и содержит описание порядка расположения всех файлов в секторах данного диска, а также информацию о дефектных участках диска. За FAT-таблицей следует ее точная копия, что повышает надежность сохранения этой очень важной таблицы.

Корневой каталог (Root Directory) всегда находится за копией FAT. В корневом каталоге содержится перечень файлов и директорий, находящихся на диске. Непосредственно за корневым каталогом располагаются данные.

Запись информации на диск ведется частями. Наименьшее место, которое могут занимать на диске записываемые данные, составляет один кластер. Кластер может состоять из одного или нескольких секторов.

Данные и программы хранятся на носителях информации в виде файлов (от англ. file – досье, подшивка).

Файл – это набор взаимосвязанных данных, воспринимаемых компьютером как единое целое, имеющих общее имя, находящихся на магнитном или оптическом дисках, магнитной ленте, в оперативной памяти или на другом носителе информации.

Файл обычно отождествляют с участком памяти (ВЗУ, ОЗУ, ПЗУ), где размещены логически связанные данные, имеющие общее имя. Файл хранится на носителе информации в двоичной системе счисления, и для ОС он представляется как совокупность связанных байтов.

В файлах могут храниться тексты программ, документы, данные и т. д.

На рисунке показаны два файла, расположенные последовательно друг за другом. Первый файл занимает два сектора, а второй файл – десять секторов. Если кластер состоит из двух секторов, то можно сказать, что первый файл состоит из одного кластера, а второй файл – из пяти кластеров. Легко заметить, что второй файл располагается на двух дорожках. Если файл большой, то он может занимать несколько дорожек.

При записи информации на новый (чистый) диск файлы располагаются последовательно друг за другом: от первой дорожки до последней.

Заметим, что файлы всегда занимают целое число кластеров, поэтому в одном кластере не могут одновременно размещаться два даже небольших файла. Обратите внимание на то, что если документ состоит всего из одной буквы, то файл все равно занимает на диске один отдельный кластер.

Имена файлов регистрируются на магнитных и оптических дисках в папках, каталогах (или директориях). Термин «каталог» используется в операционных системах семейства DOS, термин «папка» – в операционных системах семейства Windows. Учитывая, что большинство пользователей работают под управлением операционной системы Windows, а не под DOS, в дальнейшем будем преимущественно использовать терминологию операционной системы Windows. Если в папке (каталоге) хранится имя файла, то говорят, что файл размещается в папке (каталоге).

Таким образом, папка – группа файлов, объединенных по какому-либо признаку. На каждом диске может быть несколько папок. В папках могут размещаться не только файлы, но и другие папки. Таким образом, папки образуют дерево (файловую систему).

На рисунке показано дерево папок одного из дисков. Из рисунка видно, что в корневом каталоге имеется четыре папки: А, В, G и D. При этом внутри папки А находятся папки А1 и А2. В папке С располагаются папки С1 и С2. В папке А1 находится папка А11, а в последней – папка А111. Крестик на дереве говорит о том, что внутри соответствующих папок находятся другие папки (внутри папок D и А12 находятся папки, которые не видны). На этом рисунке не видны файлы, которые могут находиться как в корневом каталоге, так и в любой папке.

Если бы файлы всегда хранились в последовательно расположенных кластерах, то для указания места расположения файла на диске (с помощью FAT-таблицы) достаточно было указать номер первого сектора (где располагается начало файла) и число занятых кластеров.

При многократной перезаписи и удалении файлов происходит фрагментация (дробление, разделение) дискового пространства. В результате файл может оказаться разорванным и располагаться в кластерах, находящихся на относительно большом расстоянии друг от друга. Считывание таких файлов существенно замедляется, так как дисководу необходимо дополнительное время для перемещения головок. Причина возникновения фрагментации состоит в том, что все файлы имеют, как правило, разную длину. Поэтому после удаления какого-то файла новый файл не может точно вписаться в освободившееся на диске место. Практически обязательно либо останется свободный участок диска, либо заполняются секторы, расположенные в другом месте диска (например, расположенные через несколько секторов или на других дорожках).

В составе операционной системы есть специальная программа (утилита), которая осуществляет дефрагментацию диска. Эта утилита располагает тело файла в соседних секторах, тем самым ускоряет считывание информации (не нужно переходить на другие дорожки, пропускать чужие секторы) и уменьшает износ дисковода.

На рисунке показано диалоговое окно утилиты, предназначенной для упорядочивания разрозненных файлов.