Файловые системы
9.4. Файловые системы
Все современные жесткие диски UDMA и SCSI поступают в продажу отформатированными на низком уровне, то есть с уже записанной на носителях информацией о положении цилиндров, дорожек и секторов. Это означает, что вы можете сразу разбить новый диск на разделы (программой FDISK) и провести форматирование высокого уровня (FORMAT). Указанные программы подготавливают жесткий диск к работе с конкретной файловой системой. В последующих разделах мы не будем останавливаться на подробностях организации всех существующих файловых систем, а ограничимся только обсуждением основ построения систем FAT и основными выводами, относящимися к FAT16 и FAT32.
9.4.1.Основные представления о FAT
В DOS и Windows 95/98 для размещения файлов на диске используется таблицы FAT. Физические секторы объединяются в группы, называемые кластерами (или ячейками размещении данных — allocation unit), каждому из которых присваивается определенный номер. Аналогичный способ распределения пространства используется и на гибких дисках. Различие между ними заключается в том, что номера кластеров на дискетах — 12 ти разрядные и их файловая система получила название FAT12 (имеются в виду двоичные разряды), а на жестких дисках в подавляющем большинстве случаев номера кластеров, как минимум, 16 ти разрядные (соответствующая файловая система получила название FAT16). В новых версиях Windows 95 (OSR2 и последующих) и Windows 98 каждому кластеру присваивается 32 x разрядный номер (система FAT32). Всякий раз, когда программа приложение запрашивает доступ к дисковому пространству для записи данных, операционная система в поисках свободного кластера начинает просматривать FAT с того места, где производилась последняя запись (так называемый указатель последнего записанного кластера хранится в системной памяти), и как только такой кластер находится, в него записывается часть файла. После этого система начинает поиск следующего пустого кластера, и процесс продолжается до тех пор, пока весь файл не будет сохранен на диске. Если файл стирается, то соответствующие ему кластеры помечаются в FAT как доступные для повторной записи. Будучи весьма простой, система FAT оказалась, тем не менее, достаточно универсальной и надежной.
Основная проблема, возникающая при использовании FAT, заключается в том, что количество кластеров в этой системе ограничено разрядностью их номеров. При 12 ти разрядной FAT максимальное количество кластеров равно 4096 (212). В 16 ти разрядной системе их количество увеличивается до 65 536 (216). При емкости накопителя 120 Мбайт размер каждого кластера должен быть не менее 1,8Кбайт (120 Мбайт/65 536). Округляя до ближайшей величины, кратной размеру сектора (512 байт), получим, что размер кластера на таком диске окажется равным 2 Кбайт. При емкости накопителя 500Мбайт размер кластера составит 8 Кбайт (500Мбайт/ 65 536). Минимальный объем дискового пространства, отводимого для записи файла — это кластер. Даже если размер файла всего на один байт превосходит размер кластера, для его хранения будут отведены уже две ячейки размещения данных. Более того, для размещения файла нулевого размера все равно будет выдел отдельный кластер, который фактически будет потерян для системы! Именно стремлением покончить с подобным расточительством объясняется тот факт, что система FAT12 использовалась только в тех накопителях на жестких дисках (или их разделах), емкость которых не превышала 16Мбайт. Нетрудно понять, что потери дискового пространства в накопителях большой емкости даже при использовании FAT16 могут оказаться весьма существенными.
Другим недостатком системы FAT является то, что записанные на диске файлы оказываются фрагментированными. Происходит это потому, что в процессе поиска свободного места на диске система ищет ближайший пустой кластер, расположенный после указателя последней записи — а он может оказаться где угодно, в том числе, например, в начале диска (если указатель последней записи располагался в его конце). Файл размером в несколько мегабайт (изображение, архив, звуковой файл) может быть разбит на десятки фрагментов, например: 20 смежных кластеров на дорожке 345, два ближайших доступных смежных кластера на дорожке 1012,50 кластеров надорожке 2011 ит.д. Фрагментация файлов — это неизбежное следствие того алгоритма поиска свободного пространства, который был принят разработчиками системы FAT. На практике это приводит к тому, что при считывании фрагментированного файла жесткий диск выполняет массу “лишних движений”, разыскивая очередной принадлежащий этому файлу кластер (при записи — перемещая головки на свободное пространство). Это не только снижает быстродействие накопителя, но и приводит к его повышенному износу и сокращению срока службы. Лучший способ борьбы с этим нежелательным явлением — периодически упорядочивать файлы и свободное пространство на диске с помощью прикладной программы типа DEFRAG. В процессе дефрагментации файлы перераспределяются между кластерами таким образом, чтобы свести к минимуму количество их фрагментов и консолидировать свободное пространство диска в участки максимальных размеров.
9.4.1.1. FAT16
Файловая система FAT16 используется для хранения данных в DOS (в том числе и в версии DOS, входящей в состав Windows 95/98). Номера кластеров в этой системе 16 ти разрядные, что позволяет разбить раздел диска на 65 536 ячейки размещения данных. В системах с FAT16 размер кластера не может превышать 32Кбайт (64 сектора), из чего следует, что максимальный размер раздела в этой системе составляет 2Гбайт (65 536 х 32 768 = 2 147 483 648байт). Хотя 16 ти разрядная нумерация кластеров позволяет значительно увеличить их количество по сравнению с 12 ти разрядной системой, каждый файл — даже самый маленький — и в том и в другом случае занимает, по крайней мере, один кластер целиком. В результате в накопителях большой емкости, у которых размер кластера максимален, остается огромное количество пустого пространства, которое в принципе невозможно использовать для хранения данных. Рассмотрим следующий пример. В накопителе емкостью 2Гбайт (размер кластера 32Кбайт) можно разместить порядка 15 000 файлов. В среднем потери дискового пространства при сохранении каждого из них составят половину размера кластера. Общая величина пустого пространства при этом составит (15 000 х 32/2) Кбайт, т.е. около 240Мбайт! Если емкость накопителя больше, чем 2 Гбайт (предельная величина для DOS), то его можно разбить на разделы с тем, чтобы получить доступ ко всему дисковому пространству. Например, в накопителе емкостью 3,1Гбайт можно создать сначала первичный раздел размером 2Гбайт, а затем в оставшейся части накопителя емкостью 1,1Гбайт создать расширенный раздел. Что касается потерь дискового пространства, то их можно уменьшить, разделив разделы на части (тома) меньших размеров с пропорционально уменьшенными размерами кластеров.
9.4.2. Разбиение больших жестких дисков
Рекомендуемые материалы
Возможно, вы уже знакомы с DOS программой логического разбиения дисков FDISK и неоднократно пользовались ей для создания разделов в старых накопителях. Однако имея дело с большими жесткими дисками (емкостью более 2Гбайт), вам придется воспользоваться нестандартным “маневром”, поскольку DOS и Windows 95 не поддерживают разделы таких размеров. При установке жесткого диска емкостью более 2Гбайт на нем нужно создать несколько разделов — в противном случае вам не удастся получить доступ ко всему дисковому пространству. Чтобы облегчить вам выполнение этой процедуры, приведем пошаговую инструкцию по разбиению большого жесткого диска с помощью 16 ти разрядной программы FDISK.
1) В главном меню программы FDISK выберите пункт 4 “Display partition information” (Вывести сведения о существующем разбиении) и нажмите ENTER. Если на дисплей будут выведены сведения об уже существующих разделах, то, прежде чем продолжить работу, вам придется их удалить. Для этого выберите пункт 3 ”Delete partition information” (Удалитьразбиение) в главном меню программы FDISK
2) В главном меню программы FDISK выберите пункт 1 “Create DOS partition or Logical DOS drive” (Создать раздел DOS или логический диск DOS) и нажмите ENTER. На дисплей будет выведено новое меню с соответствующим названием. В нем вы также должны выбрать пункт 1 “Create Primary DOS Partition” (Создать первичный раздел DOS) и нажать ENTER.
3) На дисплей будет выведен следующий вопрос: “Do you wish to use the maximum available size for Primary DOS Partition and make the Partition active? (Y/N)” (Хотите ли вы использовать все доступное пространство для первичного раздела DOS и сделать этот раздел активным? Да/Нет). Нажмите на клавишу “N” (“Нет”), а затем на ENTER.
4) На вопрос, указанный в пункте 3, необходимо ответить “N” (“Нет”). В противном случае будет создан первичный раздел размером 2048Мбайт, и система не сможет получить доступ к оставшемуся дисковому пространству до тех пор, пока этот раздел не будет удален.
5) Введите размер первичного раздела (в мегабайтах). Его величина может лежать в пределах от 1 до 2048Мбайт (последнее значение принимается по умолчанию). Закончив ввод, нажмите ENTER. Появится сообщение ”Primary DOS Partition created” (Первичный раздел DOS создан). Для продолжения работы нажмите ENTER.
6) В главном меню программы FDISK выберите пункт 1 ”Create DOS partition or Logical DOS drive” (Создать раздел DOS или логический диск DOS) и нажмите ENTER. На дисплей будет выведено новое мен юс соответствующим названием. В нем вы должны выбрать пункт 2 “Create Extended DOS Partition” (Создать расширенный раздел DOS) и нажать ENTER.
7) После появления на экране заголовка ”Create Extended DOS Partition” (Создание расширенного раздела DOS) нажмите ENTER. В результате все оставшееся дисковое пространство будет отведено под расширенный раздел DOS.
8) Если отвести под расширенный раздел DOS не все оставшееся пространство, то система не сможет получить доступ к недоиспользованной части диска.
9) После появления на мониторе сообщения ”Extended DOS Partition created” (Расширенный раздел DOS создан) нажмите ENTER и продолжите работу. Программа FDISK предложит вам создать логические диски в расширенном разделе DOS: “Enter logical drive size in megabytes or percent of disk space (%)” (Укажите размер логического диска в мегабайтах или в процентах от дискового пространства.).
10) Введите значение емкости логического диска (не более 2048Мбайт) и нажмите ENTER. Если введенная величина окажется меньше, чем общий размер раздела, то вам придется продолжить процесс его деления на логические диски до тех пор, пока все пространство раздела не окажется использованным.Каждому созданному логическому диску присваивается буквенное обозначение (С:, D:, Е:, F: и т.д.).
11) После появления сообщения “All available space in Extended DOS Partition is assigned to logical drives” (Все доступное пространство в расширенном разделе DOS распределено между логическими дисками) нажмите ESC.
12) Если диск предполагается сделать загрузочным, то в главном меню программы FDISK выберите пункт 2 “Select active partition” (Выбрать активный раздел) и нажмите ENTER. На экран будет выведен запрос с предложением указать номер раздела, который вы хотите сделать активным ”Enter the number of the partition you want to make active”. Нажмите “1”, а затем ENTER. Появится сообщение “Partition 1 made active” (Раздел 1 сделан активным). Нажмите ESC.
13) Нажмите ESC для выхода из программы FDISK. Если вы запускали программу из DOS, то выход из нее приведет к перезагрузке системы. Под Windows95 система вернется в режим командной строки с приглашением C:\WINDOWSCOMMAND>, и вам нужно будет перезагрузить компьютер вручную.
14) После перезагрузки каждый из созданных логических дисков должен быть отформатирован программой FORMAT. После этого накопитель будет готов к работе.
15) Программа FDISK, включенная в первую версию Windows 95, вызвала много нареканий со стороны пользователей. Поэтому, если есть возможность, лучше пользоваться программой FDISK из DOS 6.22 или 16 ти разрядной версией FDISK, входящей в OSR2.
9.4.2.1. FAT32
Присущие системе FAT16 ограничения серьезно затрудняют работу с накопителями емкостью более 6 Гбайт. Корпорация Microsoft отреагировала на это разработкой 32 x разрядной системы FAT, сначала включив ее поддержку в Windows 95 OSR2, а затем и в Windows98, 2000, XP. Старшие четыре бита зарезервированы на будущее, а это означает, что системе доступны 228 (268 435 456) кластеров. Минимальный размер кластера в FAT32 равен 4 Кбайт (при размере раздела до 8 Гбайт), а максимальный размер любого раздела 2Тбайт (терабайт, 1Тбайт = 1024Гбайт). В FAT32 устранено ограничение на размер корневого каталога, т.е. в нем может быть сколько угодно файлов и подкаталогов (в FAT16 количество записей в корневом каталоге не должно превышать 256).
9.4.2.2. Разбиение и форматирование дисков для FAT32
1) Прежде чем принять решение о переходе на FAT32, вы должны как следует разобраться с особенностями логического разбиения и форматирования дисков для этой файловой системы. Основные этапы подготовки диска совпадают с аналогичными процедурами для FAT16, однако у FAT32 есть некоторые особенности, о которых мы сейчас поговорим. В этой части главы описываются основные процедуры, с помощью которых проводится разбиение и форматирование накопителей с FAT32. В первую очередь отметим, что раздел с FAT32 может быть создан (под Windows95 OSR2 и Windows98) только при следующих условиях.
2) Общая емкость накопителя должна быть больше 512Мбайт.
3) Размер раздела должен быть больше 512Мбайт.
4) В вашем распоряжении должен быть установочный диск OS R2 или стартовый диск, записанный на другом компьютере, работающем под OSR2 (или соответствующий стартовый диск Windows98).
5) На запрос программы FDISK, входящей в состав OSR2 или Windows98, “Do you wish to enable large disk support? Y or N” (Включить поддержку больших дисков? Да или Нет) необходимо ответить ”Y” (“Да”). Если вы ответите “N” (“Нет”), то будет создан раздел с FAT16.
6) Логическое разбиение больших жестких дисков с помощью 32 х разрядной версии программы FDISK
7) Загрузите компьютер с загрузочного диска Windows 98
8) Вы окажетесь в режиме командной строки с приглашением А:>.
9) В командной строке наберите FDISK и нажмите на клавишу ENTER. На экран будет выведен запрос “Do you wish to enable large disk support? Y or N” (Включить поддержку больших дисков? Да или Нет).
10) Чтобы создать раздел с FAT32, выберите “Y” (“Да”) и нажмите ENTER. После этого на экране появится главное меню выбора операций программы FDISK. Если в системе установлено больше одного жесткого диска, то, перейдя к пункту 5 “Change current fixed drive” (Сменить текущий диск), выберите накопитель, логическое разбиение которого вы хотите выполнить. Будьте внимательны — при ошибке в выборе диска вы потеряете все записанные на нем данные.
11) В главном меню программы FDISK выберите пункт 4 ”Display partition information” (Вывести сведения о существующем разбиении) и нажмите ENTER. Если жесткий диск новый и ранее не использовался, то на экран будет выведено сообщение ”No Partitions Defined” (Разделы не определены). В противном случае перед продолжением работы вам придется сначала удалить существующие разделы (в частности, с FAT16). Учтите, что при этом вы уничтожите все записанные на жестком диске данные.
12) Нажмите ESC для возврата в главное меню программы FDISK, после чего выберите пункт 1 “Create DOS partition or Logical DOS drive” (Создать раздел DOS или логический диск DOS) и нажмите ENTER. В появившемся меню вы также должны выбрать пункт 1 ”Create Primary DOS Partition” (Создать первичный раздел DOS) и нажать ENTER.
13) После того как программа FDJSK проверит целостность диска, на дисплей будет выведен следующий вопрос: ”Do you wish to use the maximum available size for Primary DOS Partition and make the Partition active? (Y/N)” (Хотите ли вы использовать все доступное пространство для первичного раздела DOS и сделать этот раздел активным ? Да/Нет). Нажмите на клавишу ”Y” (“Да”), а затем на ENTER.
14) Выйдите из программы FDISK, нажимая на клавишу ESC до тех пор, пока на экран не будет выведено сообщение “You must restart the system for changes to take effect” (Для того чтобы изменения вступили в силу, необходимо перезагрузить компьютер). Чтобы окончательно выйти из программы FD1SK, нажмите ESC еще раз, выньте дискету из накопителя А: и перезагрузите компьютер, нажав CTRL+ALT+DEL.
9.4.2.3. Форматирование больших жестких дисков с помощью 32 x - разрядной версией программы FORMAT
1. Загрузите компьютер с загрузочного диска Windows.
2. Вы окажетесь в режиме командной строки с приглашением А:>.
3. Если у вас имеется стартовый диск OSR2 с другого компьютера, то можно загрузиться с этого диска и не тратить время на выход из программы установки OSR2.
4. В командной строке наберите FORMAT вместе с буквенным обозначением того диска, который вы хотите отформатировать (например, FORMAT D:), и нажмите клавишу ENTER для начала процесса. Как только программа начнет свою работу, на экране появится запрос “WARNING all data on non removable disk <буква> will be lost! Proceed with format? Y/N” (ВНИМАНИЕ, все данные на несъемном диске будут уничтожены! Приступить к форматированию? Да/Нет).
5. Выберите “Y” (“Да”) и нажмите ENTER. Программа FORMAT подготовит ваш жесткий диск для файловой системы FAT32.
9.4.3. Представление о главной загрузочной записи
Главная загрузочная запись (MBR) — это информация, которая обычно хранится в первом секторе жесткого диска. Структура этой записи весьма проста, а ее назначение состоит в том, чтобы инициализировать процесс загрузки и указать область жесткого диска, в которой расположена операционная система (ОС). В результате последующих операций ОС загружается в оперативную память (ОЗУ) компьютера. MBR состоит из двух частей: исполняемого кода (программы) и таблицы разделов, в которой описан каждый из существующих на жестком диске разделов.
Программа, записанная в MBR, начинает процесс загрузки с просмотра таблицы разделов в поисках того из них, в котором хранится операционная система. Найдя такой раздел, программа переписывает его загрузочный сектор в оперативную память и передает управление программе, записанной в загрузочном секторе раздела. Программа из загрузочного сектора раздела завершает загрузку файлов операционной системы в оперативную память.
9.4.4. Создание и восстановлении главной загрузочной записи
MBR создается в процессе логического разбиения диска (с помощью программы FD1SK). Если запись повреждена, то ее иногда удается восстановить, запустив FDISK с ключом/МВR: FDISK/MBR
Прежде чем воспользоваться этой командой, имеет смысл зарезервировать данные, хранящиеся в накопителе. Теоретически программа не должна портить разделы жесткого диска и содержащиеся в них данные, но бывает всякое.
9.4.5. Главная загрузочная запись и программы “оверлея дисков”
· Если системная BIOS или контроллер накопителя не позволяют получить доступ ко всему объему накопителя, то вы можете либо обновить BIOS или контроллер, либо воспользоваться одной из так называемых программ ”оверлея дисков” (EZ-Drive, MaxBlast).
Обратите внимание на лекцию "I. Чрезвычайные ситуации природного характера".
· Предполагается, что файл SMARTDRV.EXE находится в одном из каталогов, перечисленных в команде PATH (в AUTOEXEC.BAT). В подавляющем большинстве ситуаций это именно так. В противном случае вам надо найти этот файл и перейти в соответствующий каталог. Собственно говоря, эта программа кэширования диска не является необходимой. и т.п. Оверлейные программы изменяют порядок считывания секторов, а также расположение MBR на диске и ее содержимое. При использовании для управления накопителем, например, программы EZ-Drivc MBR перемешается во второй сектор жесткого диска, а в первый сектор записывается исполняемый код EZ-Drive (который иногда называют EZ-B1OS). В секторах с 3 го по 17 ый также хранятся коды EZ-Drive, выполняющие функции обработчика программного прерывания с номером 13 (INT13, используется при обслуживании жестких дисков). При включении система, как обычно, обращается к первому сектору жесткого диска в поисках инструкций по дальнейшей загрузке. Последовательность событий при использовании EZ-Drive будет следующей.
· В память загружается код EZ-Drive из первого сектора.
· Код программы EZ-Drive инициирует загрузку обработчика INT13, расположенного в секторах с 3 го по 17 ый. Считанная информация используется для настройки параметров жесткого диска (или подмены кодов BIOS) и получения доступа ко всему дисковому пространству.
· Программа EZ Drive загружает в память стандартную MBR, расположенную во втором секторе диска, и передает управление содержащейся в ней программе. Далее процесс протекает точно так же, как было описано выше.
9.4.6. Вирусы и главная загрузочная запись
Типичные вирусы подменяют MBR своим собственным кодом. При каждом включении компьютера этот код загружается в память. Некоторые MBR вирусы просто ”улиганят”, выводя на экран какое нибудь сообщение, но существуют и более подлые “звери”, которые в состоянии уничтожить все данные на жестком диске. MBR вирусы обычно попадают в систему с дискет, к которым компьютер обращается либо при загрузке, либо в процессе работы. Если в BIOS предусмотрена функция защиты главной загрузочной записи (”MBR protection”, “Virus protection” и т.п.), то в процессе настройки параметров системы ее крайне желательно включить. В результате всякая попытка изменить содержимое главной загрузочной записи будет заблокирована, а на экран будет выведено соответствующее сообщение.
