ФАЛОВЫЕ СИСТЕМЫ

Файловые системы
Физическая и логическая
структура диска
Подготовила:
Банина Галина Ивановна
учитель информатики
школы № 13 г. Бердска
Жесткий диск
Жесткий магнитный диск (HDD – Hard Disk Driver) предназначен
для длительного энергонезависимого хранения информации.
Физическое устройство жесткого диска
Основными компонентом жесткого диска являются:
1. Одна или несколько пластин (платтеров), выполненных из алюминия
или стекла, покрытые магнитным слоем. Именно на этих пластинах и
хранится вся информация, расположенная на жестком диске.
2. Шпиндель - общая ось на которой закреплены жесткие диски и
вращаются с достаточно большой скоростью.
3. Блок магнитных головок, которые осуществляют чтение и запись с
поверхностей дисков. Все головки соединены и перемещаются вместе.
Физическая структура жесткого диска
Перед использованием диски должны быть отформатированы
двумя способами: физически и логически.
Физическое форматирование (форматирование низкого
уровня) обычно выполняется изготовителем, при этом жесткие
диски делятся на основные элементы: дорожки, секторы,
цилиндры.
Сектор
Цилиндр
Магнитные
головки
Дорожка 0
Физическая структура жесткого диска
Дорожки
Блок (сектор)
При физическом форматировании каждый диск разбивается на
дорожки (Track), концентрические кольца. Кроме того, диск
разбивают на секторы, области пересечения секторов и дорожек
называют блоками (block), в блоке хранится 512 байт полезной
информации (часто блок называют сектором).
Физическая структура жесткого диска
Такая адресация называется
CHS (Cyl, Sect, Hd) или Normal
LBA - логическая блочная адресация.
LBA –адресация призвана реальную геометрию диска с большим
количеством цилиндров и секторов, заменяется виртуальной, при
которой происходит перенумерация блоков, в результате
получается, что у диска меньше цилиндров, но больше головок.
Преобразование натуральной геометрии жесткого диска в
реальную осуществляет контроллер жесткого диска.
Логическая структура жесткого диска
Логическое форматирование жесткого диска задает логическую
структуру, позволяющую использовать пространство диска для
хранения и записи файлов.
Логическое форматирование HDD и включает в себя:
•
разбиение диска на разделы;
•
создание логических дисков;
•
Форматирование логических дисков.
Разбиение диска на разделы
Раздел (Partition) — это часть физического диска, которая после
форматирования может использоваться файловой системой как
отдельное устройство (логический диск).
Жесткий магнитный диск (HDD)
С:
D:
E:
F:
Типы разделов жесткого диска
Различают два типа разделов – основной и дополнительный.
Основной раздел (Primary Partition), который иногда называют
«первичным» разделом, — это часть физического диска, с которым
можно работать как с отдельным физическим устройством. На
одном физическом диске можно создать до четырех основных
разделов. Каждый основной раздел имеет собственное имя —
букву диска.
Основной
раздел
Основной
раздел
Основной
раздел
Основной
раздел
Жесткий магнитный диск (HDD)
С:
D:
E:
F:
Типы разделов жесткого диска
Дополнительный раздел (Extended Partition) — это специальный
раздел, который создается (точнее, может быть создан) на
жестком диске вместо одного из основных с целью преодоления
ограничений на максимально допустимое число основных
разделов. На дополнительном разделе создается один или
несколько логических дисков.
Основной
раздел
Дополнительный (расширенный) раздел
Жесткий магнитный диск (HDD)
С:
D:
E:
F:
G:
Логические диски
Каждый основной раздел и каждый подраздел дополнительного
раздела, создаваемые на физическом диске являются
ЛОГИЧЕСКИМИ ДИСКАМИ, с которыми можно работать как с
отдельными устройствами. Логический диск должен быть
отформатирован и ему должна быть присвоена буква диска.
Один из разделов назначается АКТИВНЫМ, с которого
производится загрузка ОС при включении компьютера. Признак
активности устанавливается для раздела при его создании, но
может быть впоследствии изменен.
Основной
раздел
Дополнительный (расширенный) раздел
активный
С:
D:
E:
F:
G:
Главная загрузочная запись - MBR
На этапе разбиения диска на разделы в первом секторе диска
создается главная загрузочная запись - MBR (Master Boot
Record), которая содержит:
•
таблицу разделов, включающую номера начального и
конечного секторов раздела, тип файловой системы,
признаки активности и видимости;
•
программу начальной загрузки, которая определяет по
таблице разделов активный раздел и передает управление
его первому сектору, в котором находится загрузочная
запись BR (Boot Record) .
Основной
раздел
Основной
раздел
Основной
раздел
Основной
раздел
Жесткий магнитный диск (HDD)
С:
D:
E:
F:
Загрузочная запись - BR
BR (Boot Record) - загрузочная запись, находится в самом
первом секторе каждого из разделов. Содержит программу
загрузки операционной системы. Однако если диск не
является системным, то при попытке загрузиться с него
программа загрузки выдаст сообщение об ошибке.
Основной
раздел
С:
Основной
раздел
D:
Основной
раздел
С:
Основной
раздел
Основной
раздел
F:
E:
Расширенный (дополнительный) раздел
D:
E:
F:
G:
Логическая структура жесткого диска
Только один основной раздел может быть одновременно
активным и видимым.
Основной
раздел
Основной
раздел
активный
активный
Основной
раздел
Основной
раздел
активный
Жесткий магнитный диск (HDD)
С:
D:
Файловые системы
Каждый раздел имеет принадлежность к той или иной
файловой системе, которая создается при форматировании
логического диска.
Основной
раздел
FAT32
С:
Расширенный (дополнительный) раздел
NTFS
D:
FAT32
E:
NTFS
F:
FAT32
G:
Файловая система – является важной частью любой
операционной системы, которая отвечает за организацию
хранения и доступа к информации на каких-либо носителях.
Файловая система – это способ организации файлов на диске.
Наиболее распространены такие файловые системы, как FAT,
FAT32, NTFS, Linux Ext2, Linux Swap.
Кластер
В файловых системах FAT, FAT32, NTFS файлы хранятся в, так
называемых, кластерах.
Кластер – это минимальная единица распределения в файловых
системах FAT, FAT32, NTFS. Один кластер состоит из фиксированного
числа дисковых секторов. Причем, при помощи специальных утилит
размер кластера можно задавать самому. Кластер не может быть по
размеру меньше, чем один дисковый сектор (в большинстве
современных винчестеров - 512 байт).
FAT16 (FAT)
Файловая система FAT была разработана Биллом Гейтсом и
Марком МакДональдом в 1977 году.
FAT была предназначена для работы с гибкими дисками
размером менее 1 Мбайта, и вначале не предусматривала
поддержки жестких дисков. В настоящее время FAT
поддерживает файлы и разделы размеров до 2 Гбайт.
В FAT применяются следующие соглашения по именам
файлов:
имя должно начинаться с буквы или цифры и может содержать
любой символ ASCII, за исключением пробела и символов
"/\[]:;|=,^*?
Длина имени не превышает 8 символов, за ним следует
точка и необязательное расширение длиной до 3 символов.
Регистр символов в именах файлов не различается и не
сохраняется.
FAT16 (FAT)
Свое название FAT получила от одноименной таблицы
размещения файлов (File Allocation Table) .
В таблице размещения файлов хранится информация о
кластерах логического диска. Каждому кластеру в FAT
соответствует отдельная запись, которая показывает,
свободен ли он, занят ли данными файла, или помечен как
сбойный (испорченный). Если кластер занят под файл, то в
соответствующей записи в таблице размещения файлов
указывается адрес кластера, содержащего следующую часть
файла.
Так как каждому кластеру может быть присвоен уникальный
16-разрядный номер, то FAT поддерживает максимально
216, или 65536 кластеров на одном томе.
FAT16 (FAT)
Поскольку загрузочная запись слишком мала для хранения алгоритма поиска
системных файлов на диске, то системные файлы должны находиться в
определенном месте, чтобы загрузочная запись могла их найти.
Фиксированное положение системных файлов в начале области данных
накладывает жесткое ограничение на размеры корневого каталога и таблицы
размещения файлов. Вследствие этого общее число файлов и подкаталогов
в корневом каталоге на диске FAT ограничено 512.
Каждому файлу и подкаталогу в FAT соответствует 32-байтный элемент
каталога, содержащий имя файла, его атрибуты (архивный, скрытый,
системный и “только для чтения”), дату и время создания (или внесения в
него последних изменений), а также прочую информацию (табл. 3).
FAT16 (FAT)
Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске
последовательно от начала к концу. При создании нового файла или
увеличении уже существующего она ищет самый первый свободный
кластер в таблице размещения файлов.
Если в процессе работы одни файлы были удалены, то появляющиеся в
результате пустые кластеры будут рассеяны по диску. Если кластеры,
содержащие данные файла, расположены не подряд, то файл
оказывается фрагментированным.
Сильно фрагментированные файлы значительно снижают
эффективность работы, так как головки чтения/записи при поиске
очередной записи файла должны будут перемещаться от одной области
диска к другой. В состав операционных систем, поддерживающих FAT,
обычно входят специальные утилиты дефрагментации диска,
предназначенные повысить производительность файловых операций.
Еще один недостаток FAT заключается в том, что ее производительность
сильно зависит от количества файлов, хранящихся в одном каталоге.
При большом количестве файлов (около тысячи), выполнение операции
считывания списка файлов в каталоге может занять несколько минут.
Это обусловлено тем, что в FAT каталог имеет линейную
неупорядоченную структуру, и имена файлов в каталогах идут в
порядке их создания. В результате, чем больше в каталоге записей, тем
медленнее работают программы, так как при поиске файла требуется
просмотреть последовательно все записи в каталоге.
FAT32
FAT32 - усовершенствованная версия файловой системы FAT16,
поддерживающая жесткие диски объемом до 2 терабайт. Впервые
файловая система FAT32 была включена в состав ОС Windows 95
OSR 2. В FAT32 были расширены атрибуты файлов, позволяющие
теперь хранить время и дату создания, модификации и последнего
доступа к файлу или каталогу.
Из-за требования совместимости с ранее созданными программами
структура FAT32 содержит минимальные изменения. Главные
отличия от предыдущих версий FAT состоят в следующем.
Блок начальной загрузки на разделах с FAT32 был увеличен до 2
секторов и включает в себя резервную копию загрузочного
сектора, что позволяет системе быть более устойчивой к
возможным сбоям на диске.
FAT32
Объем, занимаемый таблицей размещения файлов, увеличился,
поскольку теперь каждая запись в ней занимает 32 байта, и общее
число кластеров на разделе FAT32 больше, чем на разделах FAT.
Соответственно, выросло и количество зарезервированных
секторов.
Корневой каталог в FAT32 больше не располагается в
определенном месте, вместо этого в блоке MBR хранится указатель
на начальный кластер корневого каталога. В результате снимается
ранее существовавшее ограничение на число записей в корневом
каталоге.
Кроме того, для учета свободных кластеров, в зарезервированной
области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число
свободных кластеров и номер самого последнего использованного
кластера. Это позволяет системе при выделении следующего
кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файла.
FAT32
В отличие от FAT16 в системе FAT32 корневой каталог располагается
в кластерах, подобно другим файлам. Загрузочная запись содержит
ссылку на его первый кластер. В результате снимается ранее
существовавшее ограничение на число записей в корневом каталоге.
Кроме того, для учета свободных кластеров, в зарезервированной
области на разделе FAT32 имеется сектор, содержащий число
свободных кластеров и номер самого последнего использованного
кластера. Это позволяет системе при выделении следующего
кластера не перечитывать заново всю таблицу размещения файла.
FAT32 имеет типичный размер области FAT порядка сотен килобайт (а
на больших дисках - даже несколько мегабайт).
FAT32
Итак, файловая система FAT32 обеспечивает следующие преимущества по
сравнению с прежними реализациями файловой системы FAT:
• Обеспечивается поддержка дисков размером до 2 терабайт.
• Более эффективно используется дисковое пространство, за счет того, что
FAT32 использует более мелкие кластеры (.
• Обеспечивается большая надежность. FAT32 обладает возможностью
перемещения корневого каталога и использования резервной копии FAT
вместо стандартной копии по умолчанию. В дополнение, загрузочная
запись на дисках FAT32 была расширена, и включает в свой состав
резервные копии наиболее важных структур данных.
• Более быстрая загрузка программ. Благодаря тому, что FAT32 имеет
меньшие размеры кластеров, приложения и необходимые для их загрузки
файлы могут быть оптимальным образом размещены на диске.
Примечание : Windows 2000 поддерживает том FAT32. имеющие любой
объем и созданные версиями Windows Эх. Однако система будет
форматировать тома FAT32 только в том случае, если их объем не
превышает 32 Гбайт. Причиной этого ограничения являются ограничения по
памяти, присущие таким утилитам восстановления, как Autochk. Вследствие
этого ограничения Microsoft рекомендует форматировать тома, размер
которых превышает 32 Гбайт, с помощью файловой системы NTFS.
NTFS
Файловая система NTFS (расшифровывается как New Technology
File System) была разработана достаточно давно для Windows
NT. В настоящее время она является файловой системой всего
семейства Microsoft Windows NT, а также Windows XP.
Раздел NTFS, теоретически, может быть почти какого угодно
размера. Она поддерживает огромные диски – до 16 Экзабайт.
Самый главный файл на NTFS называется MFT (Master File Table) –
общая (основная) таблица файлов, которыйи представляет собой
централизованный каталог всех остальных файлов диска, и себя
самого. MFT поделен на записи фиксированного размера
(обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо
файлу (в общем смысле этого слова).
NTFS
Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны
операционной системе - они называются метафайлами, причем
самый первый метафайл - сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT единственная часть диска, имеющая фиксированное положение.
Интересно, что вторая копия этих же 16 записей, для надежности
(они очень важны) хранится ровно посередине диска. Остальной
MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в
произвольных местах диска - восстановить его положение можно с
помощью его самого, "зацепившись" за самую основу – за первый
элемент MFT.
NTFS
Диск NTFS поделен на две зоны. В начала диска идет MFT зона зона, куда растет MFT, Master File Table. Зона занимает минимум
12% диска, и запись данных в эту зону невозможна. Это сделано
для того, чтобы не фрагментировался хотя бы MFT. Но когда весь
остальной диск заполняется - зона сокращается ровно в два раза
:). И так далее. Таким образом мы имеем не один заход окончания
диска, а несколько. В результате если NTFS работает при диске,
заполненном на около 90% - фрагментация растет как бешенная.
Размеры кластеров, устанавливаемые
по умолчанию при форматировании.
Размер раздела
Размер кластера
FAT16
FAT32
NTFS
128 Мб – 255 Мб
4 Кб
512 байт
512 байт
256 Мб – 511 Мб
8 Кб
4 Кб
1 Кб
512 Мб - 1024 Мб
(1 Гб)
16 Кб
4 Кб
1 Кб
1 Гб - 2 Гб
32 Кб
4 Кб
2 Кб
2 Гб - 4 Гб
-
4 Кб
4 Кб
4 Гб - 8 Гб
-
4 Кб
8 Кб
8 Гб - 16 Гб
-
8 Кб
16 Кб
16 Гб - 32 Гб
-
16 Кб
32 Кб
> 32 Гб
-
32 Кб
64 Кб
NTFS (фрагментация)
Фрагментации файлов в NTFS способствует странный алгоритм
нахождения свободного места для записи файловюв.
Берется какой-то определенный объем диска и заполняется
файлом до упора. Причем по очень интересному алгоритму:
сначала заполняются большие дырки, потом маленькие. Т.е.
типичное распределение фрагментов файла по размеру на
фрагментированной NTFS выглядит так (размеры фрагментов):
16 - 16 - 16 - 16 - 16 - [скачек назад] - 15 - 15 - 15 - [назад] - 14 14 - 14 .... 1 - 1 - 1 -1 - 1...
Так процесс идет до самых мелких дырок в 1 кластер, несмотря на
то, что на диске наверняка есть и гораздо более большие куски
свободного места.
FAT
FAT32
NTFS
Системы, её
поддерживающие
DOS, Windows9Х, NT всех версий
Windows98, NT5,
Windows 2000, Windows XP
NT5. Windows 2000,
Windows XP
Максимальный размер
тома
2 Гбайт
практически неограничен
практически неограничен
Макс. число файлов на
томе
примерно 65 тысяч
практически не ограничено
практически не ограничено
Имя файла
с поддержкой длинных имен - 255
символов, системный набор
символов
с поддержкой длинных имен 255 символов,
системный набор
символов
255 символов, любые символы
любых алфавитов (65 тысяч
разных начертаний)
Возможные атрибуты
файла
Базовый набор
Базовый набор
всё, что придет в голову
производителям программного
обеспечения
Безопасность
нет
нет
да (начиная с NT5.0 встроена
возможность физически
шифровать данные)
Сжатие
нет
нет
да
Устойчивость к сбоям
средняя (система слишком проста и
поэтому ломаться особо нечему :))
плохая (средства оптимизации
по скорости привели к
появлению слабых по
надежности мест)
полная - автоматическое
восстановление системы при
любых сбоях (не считая
физические ошибки записи,
когда пишется одно, а на
самом деле записывается
другое)
Экономичность
минимальная (огромные размеры
кластеров на больших дисках)
улучшена за счет уменьшения
размеров кластеров
максимальна. Очень
эффективная и разнообразная
система хранения данных
Быстродействие
высокое для малого числа файлов,
но быстро уменьшается с
появлением большого количества
файлов в каталогах. результат - для
слабо заполненных дисков максимальное, для заполненных плохое
полностью аналогично FAT, но
на дисках большого размера
(десятки гигабайт)
начинаются серьезные
проблемы с общей
организацией данных
система не очень эффективна
для малых и простых разделов
(до 1 Гбайт), но работа с
огромными массивами данных
и внушительными каталогами
организована как нельзя
более эффективно и очень
сильно превосходит по
скорости другие системы