Стариков А.В. Основы информатики: учебное пособие (часть 1)

Подождите немного. Документ загружается.

− SCANDISK − проверка состояния магнитных дисков;

− XCOPY − расширенное копирование файлов и каталогов.

Загружаемые драйверы содержатся в файлах, имеющих расширение .SYS

или .EXE. Для подключения таких драйверов к MS-DOS используются специ-

альные команды DEVICE и DEVICEHIGH в файле конфигурации CONFIG.SYS.

В качестве примера можно указать следующие загружаемые драйверы:

− ANSI.SYS − управление экраном монитора и переопределение симво-

лов, вводимых с клавиатуры, с помощью так называемых Esc-команд;

− DISPLAY.SYS − управление переключением кодовых страниц для мо-

нитора;

− EMM386.EXE − эмуляция отображаемой (expanded) и управление верх-

ней (high) памятью;

− HIMEN.SYS − управление использованием расширенной (exended) па-

мяти.

4.2 Файловая система

Одной из главных задач, решаемых операционной системой, является ор-

ганизация хранения информации на внешних запоминающих устройствах (ВЗУ)

и обеспечение эффективного доступа к ней со стороны пользователей. Обычно

информация хранится на ВЗУ в виде файлов, поэтому совокупность всех фай-

лов, программ и системных структур, реализующих способы хранения и меха-

низмы доступа к файлам, называется файловой системой.

Основные функции, выполняемые файловой системой, можно условно

разделить на следующие две группы:

− функции для работы с файлами (создание, удаление, изменение атрибу-

тов, определение структуры файлов и т.д.);

− функции для работы с данными, хранящимися в файлах (чтение, за-

пись, поиск и т.д.).

С точки зрения логической организации файловую систему можно разде-

лить на следующие составные части:

− файлы, хранящиеся на устройствах ввода-вывода;

− структура файлов;

− функции для работы с файлами и их структурой.

Операционная система MS-DOS поддерживает диски различных типов.

Это стало возможным благодаря тому, что информация, необходимая для рабо-

ты с диском (например, его объем) сохраняется на самом диске в специальной

области, определенной MS-DOS.

Для управления файлами и распределением дискового пространства на

каждом диске должна храниться дополнительная информация (например, объ-

ем использованного пространства и имена сохраняемых файлов). Эта информа-

ция “прозрачна”, т.е. невидима для обычного пользователя, но обязательно

имеется на каждом диске.

Информация размещается на диске в определенной последовательности,

поэтому все диски MS-DOS имеют сходную структуру. Это позволяет MS-DOS

получать информацию о типе диска, способе выделения дискового пространст-

ва, т.е. о размере кластера диска (см. ниже), а также о хранящихся на диске

файлах.

Логическая организация дискеты и жесткого диска несколько различают-

ся. Ниже рассматривается организация дискеты, которая во многом соответст-

вует структуре раздела жесткого диска, а затем более подробно − организация

жесткого диска в целом.

4.2.1 Логическая организация дискеты

Дискета, подготовленная к работе с помощью команды FORMAT и назы-

ваемая, соответственно, отформатированной, включает четыре области. Первая

область называется блоком начальной загрузки (БНЗ), который иногда называ-

ют записью загрузки (Boot Record).

Вторая область включает таблицу размещения файлов (FAT), описываю-

щую использование дискового пространства. Как правило, FAT хранится на

дискете в двух экземплярах (копиях).

Далее следует область корневого каталога (Root Directory), в которой хра-

нится информация о файлах и подкаталогах, перечисленных в корневом катало-

ге (эта информация включает имя файла и его расширение, атрибуты файла,

номер начального кластера файла, дату и время создания или последнего об-

новления файла, размер файла с точностью до байта).

Последней является область данных, в которой хранятся записанные на

дискету файлы. Взаимное расположение перечисленных выше областей диске-

ты показано на рис. 4.3.

Корневой

каталог

Область данных

пользователя

Первая и вторая

копии FAT

Блок начальной

загрузки

Рис. 4.3 Взаимное расположение четырех областей на дискете,

отформатированной стандартным образом

4.2.2 Понятие кластера

Информация записывается на диск и считывается с диска секторами. Ра-

бота с диском на основе секторов в ряде случаев может оказаться неэффектив-

ной. Например, жесткий диск объемом 10 Мбайт содержит более 20000 секто-

ров, и хранение информации о размещении каждого из них потребует очень

большой таблицы размещения файлов (FAT). Поиск внутри такой таблицы бу-

дет относительно медленным. Поиск в FAT меньшего размера осуществляется

быстрее, вследствие чего сокращается общее время обращения к файлу. Поэто-

му более эффективным является объединение нескольких смежных секторов в

группу, называемую кластером (cluster), и выделение целого кластера, если по-

требуется дополнительное дисковое пространство для файла. Использование

кластеров позволяет сэкономить дисковое пространство, выделяемое для FAT.

Таким образом, кластеры обеспечивают более высокий уровень организа-

ции диска и ускоряют доступ к информации, хранящейся на нем. Количество

секторов в кластере зависит от типа (точнее − размера) диска (см. табл. 4.1) и

устанавливается при форматировании диска с помощью команды FORMAT

(данная команда реализуется утилитой FORMAT.COM).

Таблица 4.1

Зависимость размера кластера от емкости диска

Тип диска Количество секторов в кластере

Дискета 5,25” (1,2 Мбайта)

Дискета 3,5” (1,44 Мбайта) 1

Жесткий диск (32 Мбайта) 1

Жесткий диск (64 Мбайта) 2

Жесткий диск (128 Mбайт) 4

Жесткий диск (256 Mбайт) 8

Жесткий диск (512 Mбайт) 16

Жесткий диск (1024 Mбайта) 32

4.2.3 Блок начальной загрузки (БНЗ)

БНЗ всегда хранится в 1-м секторе 0-й дорожки на 0-й поверхности диске-

ты. Его логически можно разделить на четыре части. Первая часть (3 байта)

БНЗ содержит код команды JMP, обеспечивающей безусловный переход к про-

грамме начальной загрузки.

Вторая часть (8 байтов) БНЗ содержит идентификатор фирмы-

изготовителя DOS и версию системы (например, MSDOS5.0 − MS-DOS версии

5.0 фирмы Microsoft, IBM 3.1− PC-DOS версии 3.1 фирмы IBM и т.д.).

Третья часть (19 или 25 байтов) БНЗ представлена блоком параметров

BIOS (BIOS Parameter Block − BPB), который является таблицей специальных

параметров диска, используемой DOS при определении емкости диска, а также

относительного расположения таких системных областей, как FAT и корневой

каталог диска.

Четвертая часть (482 байта или 476 байтов) БНЗ содержит короткую про-

грамму начальной загрузки системных файлов MS-DOS (IO.SYS и

MSDOS.SYS) в оперативную память компьютера.

БНЗ всегда записывается на дискету при её форматировании − независи-

мо от того, является дискета системной (загрузочной) или нет. Системная дис-

кета предназначена для начальной загрузки операционной системы на компью-

тере и создается, как правило, с помощью команды FORMAT, указанной с клю-

чом /S, приводящим к переносу на дискету следующих системных файлов:

IO.SYS, MSDOS.SYS и COMMAND.COM.

4.2.4. Таблица размещения файлов (FAT)

FAT − это область диска, в которой хранится информация об использова-

нии дискового пространства. В FAT содержатся сведения о всех кластерах дис-

ка: свободных (пригодных для хранения файлов), занятых (используемых неко-

торым дисковым файлом) или помеченных как дефектные (неспособных на-

дежно хранить записанную в них информацию вследствие локальных дефектов

магнитной поверхности диска).

Для хранения информации о каждом кластере диска в FAT используется

элемент, или запись. Для всех дискет и жестких дисков, емкость которых не

превышает 10 Mбайт, элемент FAT имеет длину 12 бит (на саму FAT в этом

случае ссылаются как на FAT-12). Для дисков с объемом, превышающим 10

Mбайт, элемент FAT имеет длину 16 бит (FAT-16).

Каждому кластеру диска соответствует элемент в FAT. При этом следует

иметь в виду, что в FAT записывается информация только о файловом про-

странстве диска; в ней не представлены кластеры, отведенные под БНЗ, обе ко-

пии FAT и корневой каталог. Доступное пространство в области данных диска

начинается с кластера, которому присваивается номер 2. Причина этого кроется

в том, что элементы FAT с номерами 0 и 1 резервируются для хранения деск-

риптора носителя − кода, характеризующего тип диска.

При создании файла DOS выделяет ему первый доступный кластер диска.

При этом в FAT делается пометка об использовании этого кластера. Наоборот,

при уничтожении файла кластеры, в которых размещались данные, должны

быть отмечены в FAT как свободные.

По мере увеличения длины файла DOS выделяет дисковое пространство

кластерами и помечает это в FAT. Список кластеров, образующих дисковое

пространство, относящееся к файлу, называется цепочкой кластеров. Значения,

которые могут быть занесены в элементы FAT, приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Возможные значения элементов FAT

FAT-12 FAT-16 Описание кластера

000h 0000h Кластер свободен

001h … FEFh 0001h … FFEFh Кластер используется

FF0h … FF6h FFF0h … FFF6h Кластер зарезервирован

FF7h FFF7h Дефектный кластер

FF8h … FFFh FFF8h … FFFFh Конец цепочки кластеров

Если файл достаточно большой, т.е. занимает более одного кластера на

диске, DOS заносит номер первого (начального) кластера файла в соответст-

вующее поле записи каталога, номер второго кластера − в элемент FAT, соот-

ветствующий первому кластеру файла, номер третьего кластера − в элемент

FAT, соответствующий второму кластеру, и т.д. В элемент FAT, соответствую-

щий последнему кластеру файла, заносится код, указывающий на конец цепоч-

ки кластеров, относящихся к файлу.

Рис. 4.4 иллюстрирует формирование цепочки из трех кластеров (с номе-

рами 4, 5 и 6) для небольшого файла Myfile.txt, содержащегося в корневом ката-

логе диска. Начальное “звено” цепочки, т.е. номер начального кластера файла,

указано в 2-байтовом поле 32-байтовой записи каталога. Остальные “звенья”

можно получить, если воспользоваться каждым номером, записанным в соот-

ветствующем элементе FAT, как указателем на следующий элемент FAT (и на

кластер файла соответственно). Последнее “звено” в цепочке кластеров, отно-

сящихся к файлу, помечается в FAT кодом FFFh.

Приведенные выше рассуждения позволяют сделать вывод о большой

важности информации, содержащейся в FAT. Действительно, если эта инфор-

мация будет утрачена или хотя бы частично искажена, то доступ ко всем фай-

лам или к части файлов на диске станет невозможным, хотя содержимое самих

файлов будет в “полном порядке”. Это обусловлено тем, что для файлов, запи-

санных в каталогах диска, не удастся сформировать соответствующие цепочки

кластеров из-за несоответствия указателей, содержащихся в искаженных эле-

ментах FAT.

В силу важности хранимой в FAT информации, DOS использует две ко-

пии этой таблицы. Первая копия FAT используется в работе DOS, а вторая слу-

жит для страховки на случай порчи первой копии. Однако, следует отметить,

что в самой DOS отсутствуют средства для проверки идентичности копий FAT

и восстановления искаженной первой копии по имеющейся на диске второй ко-

пии. Эта операция может быть выполнена с помощью любого из имеющихся

инструментальных пакетов программ обслуживания (утилит) диска (например,

Norton Utilities).

Первая и вторая

копии FAT

Блок

начальной

загрузки

Корневой

каталог

Кластер №7

Кластер №6

Кластер №5

Кластер №4

Кластер №3

Кластер №2

005 006 FFF . . .

Myfile txt . . . 004

FAT

Запись каталога

N-1

N-2

N-3

. . .

Рис. 4.4 Цепочка кластеров, относящихся к файлу Myfile.txt

4.2.5 Корневой каталог

Область корневого каталога диска располагается непосредственно за об-

ластью второй копии FAT. Корневой каталог содержит имена дисковых файлов

и имена подкаталогов, записанных в нем, и, возможно, имя метки тома. Коли-

чество секторов, занимаемых корневым каталогом, определяется количеством

входящих в каталог записей. Каждая запись каталога включает 32 байта и, та-

ким образом, 512-байтовый сектор может содержать 16 записей. Количество за-

нимаемых корневым каталогом секторов равно числу записей каталога, делен-

ному на 16. Таким образом, количество записей в корневом каталоге (и соответ-

ственно количество файлов, которое можно поместить в корневой каталог) за-

висит от типа диска, как показано в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Зависимость количества записей корневого каталога от типа диска

Кол-во записей Кол-во секторов Тип диска

64 4 Дискеты SS/DD

112 7 Дискеты DS/DD

224 14 Дискеты DS/HD

512 32 Жесткие диски

В табл. 4.4 кратко описана структура записи каталога, т.е. перечислены

все ее поля и указаны их размеры. Более подробное описание каждого поля за-

писи каталога приведено ниже.

Таблица 4.4

Структура записи каталога

Смещение от начала

Размер (в байтах) Описание

0 8 Имя файла

8 3 Расширение имени файла

11 1 Атрибуты файла

12 10 Зарезервировано

22 2 Время создания файла

24 2 Дата создания файла

26 2 Номер первого кластера

28 4 Длина файла (в байтах)

Имя файла. В этом поле содержится имя файла, длина которого не пре-

вышает 8 байт (символов), выровненное по левому краю. Это означает, что если

длина имени оказывается меньше 8 байт, то оставшиеся справа незанятые бай-

ты заполняются символами пробела. При удалении файла содержимое первого

байта имени файла заменяется значением E5h. Таким способом DOS помечает

запись каталога, которую можно использовать заново. Первый байт поля имени

файла в ранее неиспользовавшейся записи каталога содержит значение 00h.

Расширение имени (тип) файла. В этом поле содержится расширение

имени файла (если оно, конечно, было указано для файла). Длина расширения

имени не должна превышать 3 символов, а само расширение выравнивается

слева, т.е. незанятые справа байты заполняются символами пробела.

Атрибуты файла. В данном однобайтовом поле представлены биты,

обозначающие различные атрибуты (характеристики, свойства) файла: обычный

файл, предназначенный для чтения-записи, или файл только для чтения, скры-

тый файл, системный файл и т.д. Возможные значения для байта атрибутов

файла приведены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Атрибуты файла

Значение Описание

00h Обычный файл (для чтения-записи)

01h Файл только для чтения

02h Скрытый файл

04h Системный файл

08h Метка тома

10h Подкаталог

20h Необходимо архивирование

Установка атрибута “файл только для чтения” защищает файл от внесе-

ния изменений в файл при вызове стандартных функций DOS, выполняющих

запись в файл. Установка атрибута “скрытый файл” означает, что данная запись

каталога не будет отображена в листинге каталога, полученном с помощью ко-

манды DIR. С помощью атрибута “системный файл” помечаются два систем-

ных файла MS-DOS (IO.SYS и MSDOS.SYS), расположенных на системном

диске. Эти два файла загружаются в память компьютера в ходе начальной за-

грузки MS-DOS. Атрибут “метка тома” указывает, что данная запись каталога в

полях “Имя файла” и “Расширение имени файла” содержит метку тома. Уста-

новка атрибута “подкаталог” означает, что данная запись описывает не обыч-

ный дисковый файл, а файл подкаталога. Атрибут “необходимо архивирование”

используется утилитой резервного копирования файлов BACKUP.COM, как ин-

дикатор того, что с данного файла необходимо снять резервную копию. После

создания резервной копии файла этот бит сбрасывается (очищается).

Время создания или последнего обновления файла. В это поле заносится

значение времени в специальном (системном) формате на момент создания

файла. Это относится также к таким элементам корневого каталога, как подка-

талоги и метка тома. При обновлении файла в данное поле заносится время его

модификации. Следует отметить, что к записям, представляющим подкаталоги,

это не относится, т.е. изменение содержимого подкаталога никак не отражается

на значении поля “Время создания файла”.

Значение времени представляется в специальном формате

(чччччммммммссссс, где ч, м и с − обозначение битов, представляющих часы,

минуты и секунды соответственно) и может рассматриваться как целое без зна-

ка, хранящееся в слове (2 байта). Это представление позволяет легко сравнивать

его с аналогичными значениями, записанными в других записях каталогов.

Значение времени, хранящееся в слове, рассчитывается по следующей

формуле:

Время = (Часы × 2048) + (Минуты × 32) + (Секунды + 2),

где Часы − 0 ÷ 23; Минуты − 0 ÷ 59; Секунды − 0 ÷ 29 (для хранения всех секунд

не хватает 1 бита, поэтому отсчет секунд производится “единицами”, равными

2 секундам). Таким образом, время 11:32:10 будет представлено значением

5C05h (или 23557

Дата создания или последнего обновления файла. В это поле заносится

значение даты (число, месяц и год) в специальном (системном) формате на мо-

мент создания файла. Это относится так же к таким элементам корневого ката-

лога, как подкаталоги и метка тома. При обновлении файла в данное поле зано-

сится дата его модификации. Следует отметить, что к записям, представляю-

щим подкаталоги, это не относится, т.е. изменение содержимого подкаталога

никак не отражается на значении поля даты.

Значение даты представляется в специальном формате (гггггггммммччччч,

где г, м и ч − обозначение битов, представляющих год, месяц и число соответ-

ственно) и может рассматриваться как целое без знака, хранящееся в слове (2

байта). Это представление позволяет легко сравнивать его с аналогичными зна-

чениями, записанными в других записях каталогов.

Значение даты, хранящееся в слове, рассчитывается по следующей фор-

муле:

Дата = ((Год - 1980) × 512) + (Месяц × 32) + Число,

где Год − 0 ÷ 127; Месяц − 0 ÷ 15; Число − 0 ÷ 31.

Подобная схема хранения даты позволяет использовать для “года” значе-

ния вплоть до 2107. Однако максимальное значение года, поддерживаемое MS-

DOS, равняется 2099.

Номер начального кластера. В этом поле содержится номер начального

(первого) кластера, выделенного для файла. Этот номер играет также роль ука-

зателя на начало области, предоставленной файлу в FAT.

Размер файла. В этом поле содержится значение размера файла в байтах.

В двойном (длинном) слове можно хранить 32-разрядное значение, которое на-

много превышает максимально допустимый размер файла в DOS (32 Мбайта).

4.2.6 Логическая организация жесткого диска

В MS-DOS, начиная с версии 2.0, появилась возможность использовать

жесткие (винчестерские) диски. При этом MS-DOS позволяет разбить жесткий

диск на несколько (от 1 до 4) логических дисков, называемых также разделами

(partitions) жесткого диска. Затем каждый раздел можно отформатировать так,

чтобы использовать MS-DOS или другую операционную систему (например,

Windows, Unix или Novell NetWare). Разбиение жесткого диска на разделы

обеспечивает также удобство управления диском большого объема нескольки-

ми пользователями (для каждого пользователя может быть предоставлен собст-

венный раздел).

Для подготовки жесткого диска к работе в MS-DOS имеется специальная

программа FDISK (сокращение от Fixed Disk − фиксированный, т.е. несъёмный,

или винчестерский диск), обеспечивающая выполнение следующих четырех

функций: создание раздела, активизацию раздела, уничтожение раздела и про-

смотр информации о разделах диска. Более подробную информацию о работе с

программой FDISK можно получить в [41].

Разделы начинаются на границе цилиндра. При определении раздела его

начало и конец определяются номерами цилиндров. Таким образом, раздел на-

чинается на 0-й поверхности в 1-ом секторе начального цилиндра раздела. Так

как на всех поверхностях диска дорожки нумеруются одинаково, в состав раз-

дела будет входить набор дорожек, соответствующих всем поверхностям. На-

пример, если диск содержит 4 рабочих поверхности (с 0-й по 3-ю) и раздел на-

чинается с цилиндра 200 и заканчивается цилиндром 300, то этот раздел будет

содержать все четыре набора дорожек с номерами от 200 до 300, соответст-

вующие четырем поверхностям диска.

Первый сектор жесткого диска, называемый главной записью загрузки

(Master Boot Record − MBR), содержит информацию о разделах диска и про-

грамму, определяющую активный раздел диска и выполняющую загрузку БНЗ в

память компьютера. Сами разделы располагаются за ним, как показано на рис.

4.5 (для простоты изображена только 0-я поверхность диска).

Главная запись

загрузки

Блок начальной загрузки

Раздел 1

Раздел 3

Раздел 2

Рис. 4.5 Взаимное расположение разделов на жестком диске

Таблица разделов включает четыре 16-байтовых записи, каждая из кото-

рых содержит информацию об отдельном разделе. Структура записи таблицы

разделов жесткого диска представлена в табл. 4.6. Ниже каждое поле этой запи-

си описано более подробно.

Таблица 4.6

Структура записи таблицы разделов жесткого диска

Смещение

от начала

Размер (в

байтах)

Описание поля

0 1 Индикатор активного раздела

1 1 Номер начальной головки (поверхности)

2 1 Номер начального сектора

3 1 Номер начального цилиндра

4 1 Индикатор операционной системы

5 1 Номер конечной головки (поверхности)

6 1 Номер конечного сектора

7 1 Номер конечного цилиндра

8 4 Относительный сектор (от начала диска)

12 4 Размер раздела (в секторах)

Индикатор активного раздела. Это поле показывает, активен ли данный

раздел или нет. Если в поле находится значение 80h, то определяемый данной

записью раздел активен, т.е. он содержит (или будет содержать) операционную

систему, загружаемую в память при включении компьютера. В любой момент

времени только один раздел может быть активным и, таким образом, если для

данного раздела FDISK заносит в это поле значение 80h, то в соответствующие

поля для остальных разделов заносится значение 00h.