Гордеев А.В. Операционные системы

Подождите немного. Документ загружается.

Контрольные вопросы и задачи

161

денцию концентрироваться, в результате чего запросы на обращение к самым

внешним и самым внутренним дорожкам могут обслуживаться существенно

дольше, и нет никакой гарантии обслуживания. Достоинством такой дисцип-

лины является максимально возможная пропускная способность дисковой под-

системы,

a Scan (сканирование). При сканировании головки поочередно перемещаются то

в одном, то в другом «привилегированном» направлении, обслуживая «по пути»

подходящие запросы. Если при перемещении головок чтения/записи более нет

попутных запросов, то движение начинается в обратном направлении.

• Next-Step Scan (отложенное сканирование). Отличается от предыдущей дис-

циплины тем, что на каждом проходе обслуживаются только те запросы, кото-

рые уже существовали на момент начала прохода. Новые запросы, появляющи-

еся в процессе перемещения головок чтения/записи, формируют новую очередь

запросов, причем таким образом, чтобы их можно было оптимально обслужить

на обратном ходу.

a C-Scan (циклическое сканирование). По этой дисциплине головки перемеща-

ются циклически с самой наружной дорожки к внутренним, по пути обслужи-

вая имеющиеся запросы, после чего вновь переносятся к наружным цилиндрам.

Эту дисциплину иногда реализуют таким образом, чтобы запросы, поступаю-

щие во время текущего прямого хода головок, обслуживались не попутно, а при

следующем проходе, что позволяет исключить дискриминацию запросов к са-

мым крайним цилиндрам. Эта дисциплина характеризуется очень малой дис-

персией времени ожидания обслуживания [11]. Ее часто называют «элеватор-

ной».

Контрольные вопросы и задачи

Вопросы для проверки

1. Почему создание подсистемы ввода-вывода считается одной из самых слож-

ных областей проектирования операционных систем?

*•• Почему операции ввода-вывода в операционных системах объявляются при-

вилегированными?

J- Перечислите основные задачи, возлагаемые на супервизор ввода-вывода?

- В каких случаях устройство ввода-вывода называется инициативным?

- Какие режимы управления вводом-выводом вы знаете? Опишите каждый из них.

"• Что означает термин «spooling» и что означает термин «swapping»?

• Чем обеспечивается независимость пользовательских программ от устройств

ввода-вывода, подключенных к компьютеру?

• "то такое синхронный и асинхронный ввод-вывод?

• Опишите структуру магнитного диска (разбиение дисков на разделы). Сколь-

ко (и каких) разделов может быть на магнитном диске?

Глава 6. Файловые системы

Система управления файлами является основной в абсолютном большинстве со-

временных операционных систем. Например, операционные системы UNIX ни-

как не могут функционировать без файловой системы, ибо понятие файла для них

является одним из самых фундаментальных. Все современные операционные сис-

темы используют файлы и соответствующее программное обеспечение для рабо-

ты с ними. Дело в том что, во-первых, через файловую систему связываются по

данным многие системные обрабатывающие программы. Во-вторых, с помощью

этой системы решаются проблемы централизованного распределения дискового

пространства и управления данными. Наконец, пользователи получают более про-

стые способы доступа к своим данным, которые они размещают на устройствах

внешней памяти.

Существует большое количество файловых систем, созданных для разных уст-

ройств внешней памяти и разных операционных систем. В них используются,

соответственно, разные принципы размещения данных на носителе. В данной

главе мы ограничимся рассмотрением наиболее распространенных файловых

систем, с которыми мы сталкиваемся при работе на персональных компьютерах.

Это системы FAT, FAT32 и NTFS. Знание основных принципов их построения

необходимо не только специалисту в области вычислительной техники, но и обыч-

ному пользователю. Особенно актуальными становятся знания возможностей

файловой системы NTFS, которая сегодня получает все большее распростране-

ние.

Функции файловой системы

и иерархия данных

Напомним, что под файлом обычно понимают именованный набор данных, орга-

низованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления

этими данными создаются соответствующие файловые системы. Файловая систе-

ма предоставляет возможность иметь дело с логическим уровнем структуры дан-

ных и операций, выполняемых над данными в процессе их обработки. Именно

Файловая система определяет способ организации данных на диске или на каком-

164 Глава 6. Файловые системц

нибудь ином носителе. Специальное системное программное обеспечение, реали-

зующее работу с файлами по принятым спецификациям файловой системы, часто

называют системой управления файлами. Именно системы управления файлами

отвечают за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и

перемещение файловой информации, а также за управление доступом к файлам и

за управление ресурсами, которые используются файлами. Назначение системы

управления файлами — предоставление более удобного доступа к данным, орга-

низованным как файлы, то есть вместо низкоуровневого доступа к данным с ука-

занием конкретных физических адресов нужной нам записи используется логи-

ческий доступ с указанием имени файла и записи в нем.

Благодаря системам управления файлами пользователям предоставляются следу-

ющие возможности:

• создание, удаление, переименование (и другие операции) именованных набо-

ров данных (файлов) из своих программ или посредством специальных управ-

ляющих программ, реализующих функции интерфейса пользователя с его дан-

ными и активно использующих систему управления файлами;

• работа с недисковыми периферийными устройствами как с файлами;

Q обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и уст-

ройством (и наоборот);

• работа с файлами путем обращений к программным модулям системы управ-

ления файлами (часть API ориентирована именно на работу с файлами);

Q защита файлов от несанкционированного доступа.

Как правило, все современные операционные системы имеют соответствующие

системы управления файлами. А некоторые операционные системы имеют возмож-

ность работать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких,

либо сразу с несколькими одновременно). В этом случае говорят о монтируемьа

файловых системах (монтируемую систему управления файлами можно устано-

вить как дополнительную), и в этом смысле они самостоятельны.

Очевидно, что система управления файлами, будучи компонентом операционной

системы, не является независимой от нее, поскольку активно использует соответ-

ствующие вызовы API. С другой стороны, системы управления файлами сами до-

полняют API новыми вызовами. Можно сказать, что основное назначение файловой

системы и соответствующей ей системы управления файлами — предоставление

удобного доступа к данным, организованным в виде файлов, то есть вместо низко-

уровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нуж-

ной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и запи-

си в нем.

Следует заметить, что любая система управления файлами не существует сама по

себе — она разрабатывается для работы в конкретной операционной системе. В ка-

честве примера можно сказать, что всем известная файловая система FAT (г

]

Allocation Table — таблица размещения файлов) имеет множество реализаций как

система управления файлами. Так, система, получившая это название и разраоо

тайная для первых персональных компьютеров, называлась просто FAT (нынче

функции Файловой системы и иерархия данных

165

ывают FAT12

)- Хотя ее разрабатывали для работы с дискетами, некоторое время

На3

использовалась при работе с жесткими дисками. Потом ее доработали для ра-

Тты с жесткими дисками большего объема, и новая реализация получила назва-

FAT 16. Это название файловой системы мы употребляем и по отношению

• подсистеме управления файлами самой системы MS DOS, однако реализацию

цстемы управления файлами для OS/2, которая использует основные принципы

системы FAT, называют super-FAT; основное отличие - возможность поддержи-

вать для каждого файла расширенные атрибуты. Есть версия системы управления

файлами с принципами FAT и для Windows 95/98, есть реализация для Win-

dows NT и т. д. Другими словами, для работы с файлами, организованными в соот-

ветствии с некоторой файловой системой, для каждой операционной системы

должна быть разработана соответствующая система управления файлами. И эта

система управления файлами будет работать только в той операционной системе,

для которой создана, но при этом обеспечит доступ к файлам, созданным с помо-

щью системы управления файлами другой операционной системы, но работаю-

щей по тем же основным принципам файловой системы.

В качестве примера снова можно привести всем известную файловую систему FAT,

поддерживаемую абсолютным большинством операционных систем, работающих

на современных персональных компьютерах. В MS DOS, OS/2, Windows 95/98/

ME, Windows NT/2000/XP, Linux, FreeBSD и других можно работать с файлами,

организованными по принципам FAT. Однако программные модули соответству-

ющих систем управления файлами не взаимозаменяемы. Кроме того, все эти сис-

темы управления файлами имеют свои индивидуальные особенности и ограниче-

ния. Иногда только из контекста ясно, о чем идет речь — о принципах работы

файловой системы или о ее конкретной реализации. Другими словами, для работы

с файлами, организованными в соответствии с некоторой файловой системой, для

каждой операционной системы должна быть разработана соответствующая систе-

ма управления файлами; и эта система управления файлами будет работать толь-

ко в той операционной системе, для которой она и создана. Таким образом, файло-

вая система — это множество именованных наборов данных, организованное по

принятым спецификациям, которые определяют способы получения адресной

информации, необходимой для доступа к этим файлам.

1аким образом, термин файловая система определяет, прежде всего, принципы

Доступа к данным, организованным в файлы. Тот же термин используют и по от-

ношению к конкретным файлам, расположенным на том или ином носителе дан-

ных. А термин система управления файлами следует употреблять по отношению

к конкретной реализации файловой системы, то есть это — комплекс программ-

ых модулей, обеспечивающих работу с файлами в конкретной операционной си-

стеме.

нформация, с которой работает человек, обычно структурирована. Это, прежде

ег

о, позволяет более эффективно организовать хранение данных, облегчает их

ск

. предоставляет дополнительные возможности в именовании. Аналогично,

4ис то

„ " " в имени этой файловой системы означает, что для указания адреса данных, составляющих

Ил

Ис

гюльзуется 12 двоичных разрядов.

166 Глава 6. Файловые системм

и при работе с файлами желательно ввести механизмы структурирования. Прощ

всего организовать иерархические отношения. Для этого достаточно ввести поня-

тие каталога (directory). Каталог содержит информацию о данных, организован-

ных в виде файлов. Другими словами, в каталоге должны содержаться дескрипто-

ры файлов. Если файлы организованы на блочном устройстве, то именно с помощью

каталога система управления файлами-будет находить адреса тех блоков, в кото-

рых размещены искомые данные. Причем очевидно, что каталогом может быть не

только специальная системная информационная структура, которую часто назы-

вают корневым каталогом, но и сам файл. Такой файл-каталог должен иметь спе-

циальное системное значение; система управления файлами должна его выделять

на фоне обычных файлов. Файл-каталог часто называют подкаталогом (subdi-

rectory). Если файл-каталог содержит информацию о других файлах, то посколь-

ку среди них также могут быть файлы-каталоги, мы получаем возможность стро-

ить почти ничем не ограниченную иерархию.

Более того, введение таких файловых объектов, как файлы-каталоги, позволяет не

только структурировать файловую систему, но и решить проблему ограниченного

количества элементов в корневом каталоге. Ограничений на количество элемен-

тов в файле-каталоге нет, поэтому можно создавать каталоги чрезвычайно боль-

шого размера.

Файловая система FAT

Файловая система FAT (File Allocation Table — таблица размещения файлов) по-

лучила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются:

Q непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенные для раз-

мещения в них файлов или их фрагментов;

Q свободные области дискового пространства;

Q дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не га-

рантируют чтение и запись данных без ошибок).

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска де-

лится на две области (рис. 6.1): системную область и область данных.

RSec

FAT,

FAT

RDir

Каталоги и файлы

Системная область

Область данных

Рис. 6.1. Структура логического диска в FAT

Системная область логического диска создается и инициализируется при форма-

тировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. О

ласть данных логического диска содержит обычные файлы и файлы-каталоги; эт

объекты образуют иерархию, подчиненную корневому каталогу. Элемент катало

^^ппвая система FAT

167

писывает файловый объект, который может быть либо обычным файлом, либо

Г йлом-каталогом. Область данных, в отличие от системной области, доступна

ерез пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область

стоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном про-

странстве друг за другом):

а загрузочной записи (Boot Record, BR);

р зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec);

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

p корневого каталога (Root Directory, RDir).

Таблица размещения файлов

Таблица размещения файлов является очень важной информационной структу-

рой. Можно сказать, что она представляет собой адресную карту области данных,

в которой описывается и состояние каждого участка области данных, и принад-

лежность его к тому или иному файловому объекту.

Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представля-

ет собой один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном

пространстве (точнее — только в области данных). Кластер — это минимальная

адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому ката-

логу). Кластеры введены для того, чтобы уменьшить количество адресуемых еди-

ниц в области данных логического диска.

Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом мо-

жет быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может

приводить к заметной потере дискового пространства. На дискетах кластер зани-

мает один или два сектора, а на жестких дисках его размер зависит от объема раз-

дела (табл. 6.1). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или

файлу-каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в файло-

вой системе FAT 16 используется 16-разрядное слово, следовательно, можно иметь

до 2'

= 65 536 кластеров (с номерами от 0 до 65 535).

Таблица 6.1. Соотношения между размером раздела и размером кластеров в FAT16

Емкость раздела, Мбайт Количество секторов в кластере Размер кластеров, Кбайт

16-127 4 2

28-255 8 4

256-511

512-1023 32 16

1?_24-2047 64 32

метим, что в Windows NT/2000/XP разделы файловой системы FAT могут иметь

Размер до 4097 Мбайт. В этом случае кластер будет объединять уже 128 секторов.

°мер кластера всегда относится к области данных диска (пространству, зарезер-

Ви

Рованному для файлов и подкаталогов). Номера кластеров соответствуют эле-

168

Глава 6. Файловые системк!

ментам таблицы размещения файлов. Первый допустимый номер кластера всегда

начинается с 2.

Логическое разбиение области данных на кластеры как совокупности секторов

взамен использования одиночных секторов имеет следующий смысл:

Q прежде всего, уменьшается размер самой таблицы FAT;

Q уменьшается возможная фрагментация файлов;

Q ускоряется доступ к файлу, так как в несколько раз сокращается длина цепочек

фрагментов дискового пространства, выделенных для него.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использова-

нию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов.

Как мы только что заметили, в среднем на каждый файл теряется около половины

кластера. Из табл. 6.1 следует, что при размере кластера в 32 сектора (объем разде-

ла при этом — от 512 до 1023 Мбайт), то есть 16 Кбайт, средняя величина потерь

на файл равняется 8 Кбайт, и при нескольких тысячах файлов' потери могут со-

ставлять более 100 Мбайт. Поэтому в современных файловых системах размеры

кластеров ограничиваются (обычно от 512 байт до 4 Кбайт), либо предоставляет-

ся возможность выбирать размер кластера.

Достаточно наглядно идею файловой системы, использующей таблицу размеще-

ния файлов, иллюстрирует рис. 6.2.

Directory Entry

Начальный номер кластера

MYFILE ТХТ

I I I I I I I

time

data

00 01 02 03 04 05

ID FF 03.^.04.^.05.^

07 08

09 0A 0B

09.

j.OA^.OB.

10 00 00

00 00

0C 0D 0E OF

16 17. 19

1B.

1С. ID.

Рис. 6.2. Иллюстрация основной концепции FAT

Из рисунка видно, что файл MYFILE.TXT размещается, начиная с восьмого кластера.

Всего файл MYFILE.TXT занимает 12 кластеров. Цепочка (chain) кластеров для на-

шего примера может быть записана следующим образом: 8, 9, 0А, 0В, 15,16,17,1 >

Например, число 10 000-15 000 файлов (или даже более, особенно когда файлы небольшого разме

ра) на логическом диске с объемом в 1000 Мбайт встречается достаточно часто.

файловая система FAT

169

ч д 1В, 1С, ID. Кластер с номером 18 помечен специальным кодом F7 как плохой

(bad), он не может быть использован для размещения данных. При форматирова-

нии обычно проверяется поверхность магнитного диска, и те сектора, при КОНТ-

РОЛЬНОМ чтении с которых происходили ошибки, помечаются в FAT как плохие.

Кластер ID 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 сво-

бодный кластер. Возможные значения, которые могут приписываться элементам

таблицы FAT, приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Значения элементов FAT

Значение Описание

OOOOh Свободный кластер

fff0h-fff6h Зарезервированный кластер

fff7h Плохой кластер

fff8h-ffffh Последний кластер в цепочке

0002h-ffefh . Номер следующего кластера в цепочке

Поскольку файлы на диске изменяются (удаляются, перемещаются, увеличива-

ются или уменьшаются), то упомянутое правило выделения первого свободного

кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов, то есть дан-

ные одного файла могут располагаться не в смежных кластерах, а порой в очень

удаленных друг от друга, образуя сложные цепочки. Естественно, что это приво-

дит к существенному замедлению работы с файлами.

В связи с тем, что таблица FAT используется при доступе к диску очень интенсив-

но, она обычно загружается в оперативную память (в буферы ввода-вывода или в

кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно. Если таблица боль-

шая, а файловый кэш, напротив, относительно небольшой, в памяти размещаются

только фрагменты этой таблицы, к которым обращались в последнее время.

В связи с чрезвычайной важностью таблицы FAT она обычно хранится в двух иден-

тичных экземплярах, второй из которых непосредственно следует за первым. Об-

новляются копии FAT одновременно, используется же только первый экземпляр.

Если он по каким-либо причинам окажется разрушенным, то произойдет обраще-

ние ко второму экземпляру. Так, например, утилита проверки и восстановления

файловой структуры ScanDisk из ОС Windows 9x при обнаружении несоответствия

первичной и резервной копии FAT предлагает восстановить главную таблицу, ис-

пользуя данные из копии.

рневой

ката

лог отличается от обычного файла-каталога тем, что он помимо раз-

Щения в фиксированном месте логического диска имеет еще и фиксированное

пело элементов. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится ин-

Р°рмация в соответствии со структурой, представленной в табл. 6.3.

работы с данными на магнитных дисках в системах DOS, которые имеют файло-

У систему FAT, удобно использовать широко известную утилиту Disk Editor из

170

Глава 6, Файловые систем^

комплекта утилит Питера Нортона. У нее много достоинств. Прежде всего, она ком*

пактна, легко размещается на системной дискете с MS DOS, снабжена встроенной

системой подсказок и необходимой справочной информацией. Используя ее, можно

сохранять, модифицировать и восстанавливать загрузочную запись, восстанавливать

таблицу FAT в случае ее повреждения, а также выполнять много других операций

Основными недостатками этой программы на сегодняшний день являются ограниче-

ния на размеры диска и разделов и отсутствие поддержки работы с такими распрост-

раненными файловыми системами, как FAT32 и NTFS. Вместо нее теперь часто ис-

пользуют утилиту Partition Magic, однако наилучшей альтернативой этой программе

на сегодняшний день можно считать утилиту Администратор дисков от Acronis.

Таблица 6.3. Структура элемента каталога

Размер поля данных, байт Содержание поля

11 Имя файла или каталога

Атрибуты файла

1 Резервное поле

3 Время создания

2 Дата создания

2 Дата последнего доступа

2 Зарезервировано

2 Время последней модификации

2 Дата последней модификации

2 Номер начального кластера в FAT

4 Размер файла

Структура загрузочной записи DOS

Сектор, содержащий системный загрузчик DOS, является самым первым на логи-

ческом диске С:. Напомним, что на дискете системный загрузчик размещается в са-

мом первом секторе; его физический адрес равен 0-0-1. Загрузочная запись состо-

ит, как мы уже знаем, из двух частей: блока параметров диска (Disk Parameter Block,

DPB) и системного загрузчика (System Bootstrap, SB). Блок параметров диска слу-

жит для идентификации физического и логического форматов логического диска,

а системный загрузчик играет существенную роль в процессе загрузки DOS. Эта

информационная структура приведена в табл. 6.4.

Первые два байта загрузочной записи занимает команда безусловного перехода

(JMP) на программу SB. Третий байт содержит код 90Н (NOP — нет операции). Д

лее располагается восьмибайтовый системный идентификатор, включающий ив

формацию о фирме-разработчике и версии операционной системы. Затем следу

блок параметров диска, а после него — системный загрузчик.

Для работы с загрузочной записью DOS, как и с другими служебными инфор^

ционными структурами, удобно использовать уже упомянутую программу Dis

^мповая система FAT

171

Fditor из комплекта утилит Питера Нортона. Используя ее, можно сохранять, мо-

ифицировать и восстанавливать загрузочную запись, а также выполнять много

ругих операций. Достаточно подробно работа с этой утилитой описана в [2].

Таблица 6.4. Структура загрузочной записи для FAT16

Смещение поля, Длина поля, Обозначение Содержимое поля

байт 6^1 ^И

Безусловный переход на начало

системного загрузчика

Системный идентификатор

Размер сектора, байт

Число секторов в кластере

Число зарезервированных секторов

Число копий FAT

Максимальное число элементов Rdir

Число секторов на логическом диске,

если его размер не превышает

32 Мбайт; иначе 0000Н

Дескриптор носителя

Размер FAT, секторов

Число секторов на дорожке

Число рабочих поверхностей

Число скрытых секторов

Число секторов на логическом диске,

если его размер превышает 32 Мбайт

Тип логического диска (ООН — гибкий,

80Н — жесткий)

Зарезервировано

Маркер с кодом 29Н

Серийный номер тома

Метка тома

Имя файловой системы

Системный загрузчик

Сигнатура (слово АА55Н)

ом (volume) представляет собой единое логическое адресное пространство. Томом может быть обыч-

ный логический диск либо несколько дисковых, пространств.

00Н(0)

ОЗН

(3)

ОВН (11)

0DH(13)

0ЕН(14)

10Н(16)

11Н(17)

13Щ19)

15Щ21)

16Н(22)

18Н(24)

1АН(26)

1СН(28)

20Н (32)

JUMP3EH

SectSize

ClastSize

ResSecs

FATcnt

RootSize

TotSecs

Media

FATsize

TrkSecs

HeadCnt

HidnSecs

24H (36)

25H (37)

26H(38)

27H

(39)

2BH(43)

36H

(54)

3EH (62)

1FEH(510)

Файловые системы VFAT и FAT32

Дной из важнейших характеристик исходной файловой системы FAT было ис-

ользование имен файлов формата 8.3. К стандартной системе FAT (имеется в виду

Режде всего реализация FAT16) добавились еще две разновидности, используе-