), дату и время создания (или внесения в него последних изменений), а также прочую информацию (табл.1.3).
Табл.1.3 - Элементы каталога
СодержаниеРазмер (байт) Имя файла8Расширение3Байт атрибутов1Зарезервировано10Время2Дата2Номер начального кластера с данными2Размер файла4
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, а другие изменились в размере, 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. Поскольку FAT изначально проектировалась для однопользовательской операционной системы DOS, то она не предусматривает хранения такой информации, как сведения о владельце или полномочия доступа к файлу/каталогу.является наиболее распространенной файловой системой и ее в той или иной степени поддерживают большинство современных ОС. Благодаря своей универсальности FAT может применяться на томах, с которыми работают разные операционные системы.
Хотя нет никаких препятствий использовать при форматировании дискет любую другую файловую систему, большинство ОС для совместимости используют FAT. Отчасти это можно объяснить тем, что простая структура FAT требует меньше места для хранения служебных данных, чем остальные системы. Преимущества других файловых систем становятся заметны только при использовании их на носителях объемом более 100 Мб.
Надо отметить, что FAT - простая файловая система, не предотвращающая порчи файлов из-за ненормального завершения работы компьютера. В состав операционных систем, поддерживающих FAT, входят специальные утилиты проверяющие структуру и корректирующие несоответствия в файловой системе.
2. Характеристика файловых систем FAT16 и FAT32 и их сравнение
.1 Система FAT16
Файловая система FAT 16, являющаяся основной для операционных систем DOS, Windows 95⁄98⁄Me, Windows NT⁄2000⁄XP, а также поддерживается большинством других систем. FAT 16 представляет собой простую файловую систему, разработанную для небольших дисков и простых структур каталогов. Название происходит от названия метода организации файлов - Таблица размещения файлов (File Allocation Table). Эта таблица размещается в начале диска. Число 16 означает, что данная файловая система 16-разрядная - для адресации кластеров используется 16 разрядов. Операционная система использует Таблицу размещения файлов для поиска файла и определения кластеров, которые этот файл занимает на жестком диске. Кроме того, в Таблице фиксируются сведения о свободных и дефектных кластерах. Чтобы легче было осмыслить файловую систему FAT16 представьте себе оглавление книги и как вы работаете с этим оглавлением, вот именно также операционная система работает с FAT 16.
Чтобы прочитать файл, операционная система должна найти по имени файла запись в папке и прочитать номер первого кластера файла. Первый кластер представляет собой начало файла. Затем необходимо прочитать соответствующий первому кластеру файла элемент FAT. Если элемент содержит метку - последний в цепочке, то дальше ни чего искать не нужно: весь файл умещается в одном кластере. Если кластер не последний, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера. Содержимое следующего кластера должно быть прочитано вслед за первым. Когда будет найден последний кластер в цепочке, то, если файл не занимает весь кластер целиком, необходимо отсечь лишние байты кластера. Лишние байты отсекаются по длине файла, хранящейся в записи папки.
Чтобы записать файл, операционная система должна выполнить следующую последовательность действий. В свободном элементе папки создается описание файла, затем ищется свободный элемент FAT, и ссылка на него размещается в записи папки. Занимается первый кластер, описываемый найденным элементом FAT. В этот элемент FAT помещается номер следующего кластера или признак последнего кластера в цепочке.
Операционная система действует таким образом, чтобы собирать цепочки из соседних кластеров по нарастанию номера. Понятно, что обращение к последовательно расположенным кластерам будет происходить значительно быстрее, чем к кластерам, случайным образом разбросанным по диску. При этом игнорируются уже занятые и помеченные в FAT как дефектные кластеры.
В файловой системе FAT16 под номер кластера отведено 16 разрядов. Поэтому максимальное количество кластеров составляет 65525, а максимальный размер кластера 128 секторов. В таком случае максимальный размер разделов или дисков в FAT16 составляет 4,2 гигабайта. При логическом форматировании диска или раздела операционная система старается использовать минимальный размер кластера, при котором получающееся количество кластеров не превышает 65525. Очевидно, что чем больше размер раздела, тем больше должен быть размер кластера. Многие операционные системы неправильно работают с кластером размером в 128 секторов. В результате максимальный размер раздела FAT16 уменьшается до 2 гигабайт. Обычно, чем больше размер кластера, тем больше становятся потери дискового пространства. Это связано с тем, что последний кластер, занимаемый файлом, заполнен лишь частично. Например, если файл размером 17 Кбайт записывается в раздел с размером кластера 16 Кбайт, то этот файл займет два кластера, причем первый кластер будет заполнен полностью, а во втором кластере будет записан только 1 Кбайт данных, а остальные 15 Кбайт пространства второго кластера останутся не заполненными и будут недоступными для записи других файлов. Если на больших дисках записывается большое количество маленьких файлов, то потери дискового пространства будут значительны. В следующей таблице 2.1 приводятся сведения о возможных потерях дискового пространства при разных размерах раздела.
Табл. 2.1.1 - Потери дискового пространства
Размер разделаРазмер кластераПотери дискового пространства127 Мб2 Кб2%128-255 Мб4 Кб4%256-511 МБ8 Кб10%512-1023 МБ16 Кб25%1024-2047 МБ32 Кб40%2048-4096 Мб64 Кб50%
Возможны два способа уменьшения потерь дискового пространства. Первый - разбиение дискового пространства на мелкие разделы с малым размером кластера. Второй - использование файловой системы FAT32 <#"center">2.2 Система FAT32
Файловая система FAT32 - более новая файловая система на основе формата FAT, она поддерживается Windows 95 OSR2, Windows 98 и Windows Millennium Edition. FAT32 использует 32-разрядные идентификаторы кластеров, но при этом резервирует старшие 4 бита, так что эффективный размер идентификатора кластера составляет 28 бит. Поскольку максимальный размер кластеров FAT32 равен 32 Кбайт, теоретически FAT32 может работать с 8-терабайтными томами. Windows 2000 ограничивает размер новых томов FAT32 до 32 Гбайт, хотя поддерживает существующие тома FАТ32 большего размера (созданные в других операционных системах). Большее число кластеров, поддерживаемое FAT32, позволяет ей управлять дисками более эффективно, чем FAT 16. FAT32 может использовать 512-байтовые кластеры для томов размером до 128 Мбайт.
Файловая система FAT 32 в Windows 98 используется в качестве основной. С этой операционной системой поставляется специальная программа преобразования диска из FAT 16 в FAT 32. Windows NT и Windows 2000 тоже могут использовать файловую систему FAT, и поэтому можно загрузить компьютер с DOS-диска и иметь полный доступ ко всем файлам. Однако некоторые из самых прогрессивных возможностей Windows NT и Windows 2000 обеспечиваются ее собственной файловой системой NTFS (NT File System). NTFS позволяет создавать на диске разделы объемом до 2 Тбайт (как и FAT 32), но, кроме этого, в нее встроены функции сжатия файлов, безопасности и аудита, необходимые при работе в сетевой среде. А в Windows 2000 реализуется поддержка файловой системы FAT 32. Установка операционной системы Windows NT начинается на диске FAT, но по желанию пользователя в конце установки данные на диске могут быть конвертированы в формат NTFS.
Можно сделать это и позже, воспользовавшись утилитой Convert. exe, поставляемой вместе с операционной системой. Преобразованный к системе NTFS раздел диска становится недоступным для других операционных систем. Чтобы вернуться в DOS, Windows 3.1 или Windows 9x, нужно удалить раздел NTFS, а вместо него создать раздел FAT. Windows 2000 можно устанавливать на диск с файловой системой FAT 32 и NTFS.
Возможности файловых систем FАТ32 гораздо шире возможностей FAT16. Самая важная ее особенность в том, что она поддерживает диски объемом до 2 047 Гбайт и работает с кластерами меньшего размера, благодаря чему существенно сокращает объемы неиспользуемого дискового пространства. Например, жесткий диск объемом 2 Гбайт в FAT16 использует кластеры размером по 32 Кбайт, а в FAT32 - кластеры размером по 4 Кбайт. Чтобы по возможности сохранить совместимость с существующими программами, сетями и драйверами устройств, FAT32 реализована с минимальными изменениями в архитектуре, API-интерфейсах, структурах внутренних данных и дисковом формате. Но, так как размер элементов таблицы FAT32 теперь составляет четыре байта, многие внутренние и дисковые структуры данных, а также API-интерфейсы пришлось пересмотреть или расширить. Отдельные API на FАТ32-дисках блокируются, чтобы унаследованные дисковые утилиты не повредили содержимое FAT32-дисков. На большинстве программ эти изменения никак не скажутся. Существующие инструментальные средства и драйверы будут работать и на FAT32-дисках. Однако драйверы блочных устройств MS-DOS (например, Aspidisk. sys) и дисковые утилиты нуждаются в модификации для поддержки FAT32. Все дисковые утилиты, поставляемые Microsoft (Format, Fdisk, Defrag, а также ScanDisk для реального и защищенного режимов), переработаны и полностью поддерживают FAT32. Кроме того, Microsoft помогает ведущим поставщикам дисковых утилит и драйверов устройств в модификации их продуктов для поддержки FAT32. FAT32 эффективнее FAT16 при работе с дисками большего объема и не требует их разбиения на разделы по 2 Гбайт. Windows 98 обязательно поддерживает FAT16, так как именно эта файловая система совместима с другими операционными системами, в том числе сторонних компании. В MS-DOS реального режима и в безопасном режиме Windows 98, файловая система FAT32 работает значительно медленнее, чем FAT16. Поэтому, при запуске программ в режиме MS DOS желательно включить в файл Autoexec. bat или PIF-файл команду для загрузки Smartdrv. exe, что ускорит дисковые операции. Некоторые устаревшие программы, рассчитанные на спецификацию FAT16, могут сообщать неправильную информацию об объеме свободного или общего дискового пространства, если он больше 2 Гбайт. Windows 98 предоставляет новые API-интерфейсы для MS-DOS и Win32, которые позволяют корректно определять эти показатели.
.3 Сравнение FAT16 и FAT32
Табл.2.3.1 - Сравнение файловых систем FAT16 и FAT32
FAT16FAT32Реализована и используется большинством операционных систем (MS-DOS, Windows 98, Windows NT, OS/2, UNIX). На данный момент поддерживается только в Windows 95 OSR2 и Windows 98. Очень эффективна для логических дисков размером менее 256 Мбайт. Не работает с дисками объемом менее 512 Мбайт. Поддерживает сжатие дисков, например по алгоритму DriveSpace. Не поддерживает сжатие дисков. Обрабатывает максимум 65 525 кластеров, размер которых зависит от объема логического диска. Так как максимальный размер кластеров равен 32 Кбайт, FAT16 может работать с логическими дисками объемом не более 2 Гбайт. Способна работать с логическими дисками объемом до 2 047 Гбайт при максимальном размере кластеров в 32 Кбайт.
Максимально возможная длина файла в FAT32 равна 4 Гбайт за вычетом 2 байтов. Win32-приложения могут открывать файлы такой длины без специальной обработки. Остальные приложения должны использовать прерывание Int 21h, функцию 716С (FAT32) с флагом открытия, равным EXTEND-SIZE (1000h).
В файловой системе FAT32 на каждый кластер в таблице размещения файлов отводится по 4 байта, тогда как в FAT16 - по 2, а в FАТ12 - по 1,5.
Старшие 4 бита 32-разрядного элемента таблицы FAT32 зарезервированы и не участвуют в формировании номера кластера. Программы, напрямую считывающие FАТ32-таблицу, должны маскировать эти биты и предохранять их от изменения при записи новых значений.
Итак, FAT32 обладает следующими преимуществами в сравнении с прежними реализациями файловой системы FAT:
поддерживает диски объемом до 2 Тбайт;
эффективнее организует дисковое пространство. FAT32 использует кластеры меньшего размера (4 Кбайт для дисков объемом до 8 Гбайт), что позволяет сэкономить до 10-15% пространства на больших дисках по сравнению с FAT;
корневой каталог FAT 32, как и все остальные каталоги, теперь не ограничен, он состоит из цепочки кластеров и может быть расположен в любом месте диска;
имеет более высокую надежность: FAT32 способна перемещать корневой каталог и работать с резервной копией FAT, кроме того, загрузочная запись на FАТ32-дисках расширена и теперь включает резервную копию критически важных структур данных, а это означает, что FАТ32-диски менее чувствительны к возникновению отдельных сбойных участков, чем существующие FAT-тома;
программы загружаются на 50% быстрее.
Табл.2.3.2 - Сравнение размеров кластеров
Объем дискаРазмер кластеров в FAT16, КбайтРазмер кластеров в FAT32, Кбайт256 Мбайт-511 Мбайт8Не поддерживается512 Мбайт - 1023 Мбайт1641024 Мбайт - 2 Гбайт3242 Гбайт - 8 ГбайтНе поддерживается48 Гбайт-16 ГбайтНе поддерживается816 Гбайт-32 ГбайтНе поддерживается16Более 32 ГбайтНе поддерживается32
3. Альтернативная файловая система NTFS и её сравнение с FAT32
3.1 Система NTFS
(New Technology File System) - наиболее предпочтительная файловая система при работе с ОС Windows NT, поскольку она была специально разработана для данной системы. В состав Windows NT входит утилита convert, осуществляющая конвертирование томов с FAT и HPFS в тома NTFS. В NTFS значительно расширены возможности по управлению доступом к отдельным файлам и каталогам, введено большое число атрибутов, реализована отказоустойчивость, средства динамического сжатия файлов, поддержка требований стандарта POSIX. NTFS позволяет использовать имена файлов длиной до 255 символов, при этом она использует тот же алгоритм для генерации короткого имени, что и VFAT. NTFS обладает возможностью самостоятельного восстановления в случае сбоя ОС или оборудования, так что дисковый том остается доступным, а структура каталогов не нарушается.
Каждый файл на томе NTFS представлен записью в специальном файле - главной файловой таблице MFT (Master File Table). NTFS резервирует первые 16 записей таблицы размером около 1 Мб для специальной информации. Первая запись таблицы описывает непосредственно саму главную файловую таблицу. За ней следует зеркальная запись MFT. Если первая запись MFT разрушена, NTFS считывает вторую запись, чтобы отыскать зеркальный файл MFT, первая запись которого идентична первой записи MFT. Местоположение сегментов данных MFT и зеркального файла MFT хранится в секторе начальной загрузки. Копия сектора начальной загрузки находится в логическом центре диска. Третья запись MFT содержит файл регистрации, применяемый для восстановления файлов. Семнадцатая и последующие записи главной файловой таблицы используются собственно файлами и каталогами на томе.
В журнале транзакций (log file) регистрируются все операции, влияющие на структуру тома, включая создание файла и любые команды, изменяющие структуру каталогов. Журнал транзакций применяется для восстановления тома NTFS после сбоя системы. Запись для корневого каталога содержит список файлов и каталогов, хранящихся в корневом каталоге.
Схема распределения пространства на томе хранится в файле битовой карты (bitmap file). Атрибут данных этого файла содержит битовую карту, каждый бит которой представляет один кластер тома и указывает, свободен ли данный кластер или занят некоторым файлом.также поддерживает файл плохих кластеров (bad cluster file) для регистрации поврежденных участков на томе и файл тома (volume file), содержащий имя тома, версию NTFS и бит, который устанавливается при повреждении тома. Наконец, имеется файл, содержащий таблицу определения атрибутов (attribute definition table), которая задает типы атрибутов, поддерживаемые на томе, и указывает можно ли их индексировать, восстанавливать операцией восстановления системы и т.д.распределяет пространство кластерами и использует для их нумерации 64 разряда, что дает возможность иметь 264 кластеров, каждый размером до 64 Кбайт. Как и в FAT размер кластера может меняться, но необязательно возрастает пропорционально размеру диска. Размеры кластеров, устанавливаемые по умолчанию при форматировании раздела, приведены в табл.3.1.
Размер разделаРазмер кластера< 512 Мб512 байт513 Мб - 1024 Мб (1 Гб) 1 Кб1 Гб - 2 Гб2 Кб2 Гб - 4 Гб4 Кб4 Гб - 8 Гб8 Кб8 Гб - 16 Гб16 Кб16 Гб - 32 Гб32 Кб> 32 Гб64 Кбпозволяет хранить файлы размером до 16 эксабайт (264 байт) и располагает встроенным средством уплотнения файлов в реальном времени. Сжатие является одним из атрибутов файла или каталога и подобно любому атрибуту может быть снято или установлено в любой момент (сжатие возможно на разделах с размером кластера не более 4 Кб). При уплотнении файла, в отличие от схем уплотнения используемых в FAT, применяется пофайловое уплотнение, таким образом, порча небольшого участка диска не приводит к потере информации в других файлах.
Для уменьшения фрагментации NTFS всегда пытается сохранить файлы в непрерывных блоках. Эта система использует структуру каталогов в виде B-дерева, аналогичную высокопроизводительной файловой системе HPFS, а не структуре со связанным списком применяемой в FAT. Благодаря этому поиск файлов в каталоге осуществляется быстрее, поскольку имена файлов хранятся сортированными в лексикографическом порядке.была разработана как восстанавливаемая файловая система, использующая модель обработки транзакций. Каждая операция ввода-вывода, изменяющая файл на томе NTFS, рассматривается системой как транзакция и может выполняться как неделимый блок. При модификации файла пользователем сервис файла регистрации фиксирует всю информацию необходимую для повторения или отката транзакции. Если транзакция завершена успешно, производится модификация файла. Если нет, NTFS производит откат транзакции.
Несмотря на наличие защиты от несанкционированного доступа к данным NTFS не обеспечивает необходимую конфиденциальность хранимой информации. Для получения доступа к файлам достаточно загрузить компьютер в DOS с дискеты и воспользоваться каким-нибудь сторонним драйвером NTFS для этой системы.
Начиная с версии Windows NT 5.0 (новое название Windows 2000) Microsoft поддерживает новую файловую систему NTFS 5.0. В новой версии NTFS были введены дополнительные атрибуты файлов; наряду с правом доступа введено понятие запрета доступа, позволяющее, например, при наследовании пользователем прав группы на какой-нибудь файл, запретить ему возможность изменять его содержимое. Новая система также позволяет:
вводить ограничения (квоты) на размер дискового пространства, предоставленного пользователям;
проецировать любой каталог (как на локальном, так и на удаленном компьютере) в подкаталог на локальном диске.
Интересной возможностью новой версии Windows NT является динамическое шифрование файлов и каталогов, повышающее надежность хранения информации. В состав Windows NT 5.0 входит файловая система с шифрованием (Encrypting File System, EFS), использующая алгоритмы шифрования с общим ключом. Если для файла установлен атрибут шифрования, то при обращении пользовательской программы к файлу для записи или чтения происходит прозрачное для программы кодирование и декодирование файла.
.2 Сравнение NTFS и FAT32
.
Достоинства:
. Быстрая скорость доступа к файлам малого размера;
. Размер дискового пространства на сегодняшний день практически не ограничен;
. Фрагментация файлов не влияет на саму файловую систему;
. Высокая надежность сохранения данных и собственно самой файловой структуры;
. Высокая производительность при работе с файлами большого размера;
Недостатки:
. Более высокие требования к объему оперативной памяти по сравнению с FAT 32;
. Работа с каталогами средних размеров затруднена из-за их фрагментации;
. Более низкая скорость работы по сравнению с FAT 3232
Достоинства:
. Высокая скорость работы;
. Низкое требование к объему оперативной памяти;
. Эффективная работа с файлами средних и малых размеров;
. Более низкий износ дисков, вследствие меньшего количества передвижений головок чтения/записи.
Недостатки:
. Низкая защита от сбоев системы;
. Не эффективная работа с файлами больших размеров;
. Ограничение по максимальному объему раздела и файла;
. Снижение быстродействия при фрагментации;
. Снижение быстродействия при работе с каталогами, содержащими большое количество файлов;
Итак, обе файловые системы хранят данные в кластерах минимальный размер которого равен 512 b. Как правило обычный размер кластера равен 4 Kb. На этом сходства пожалуй и заканчиваются. Кое-что о фрагментации: скорость работы NTFS резко снижается при заполнении диска на 80 - 90 %. Это связано с фрагментацией служебных и рабочих файлов. Чем больше Вы работаете с таким загруженным диском, тем сильнее фрагментация и тем ниже производительность. В FAT 32 фрагментация рабочей области диска происходит и на более ранних этапах. Дело тут зависит от того, насколько часто Вы записываете/стираете данные. Как и в NTFS, фрагментация сильно снижает производительность. Теперь об оперативной памяти. Объем самой электронной таблицы FAT 32 может занимать в ОЗУ порядка нескольких мегабайт. Но на помощь приходит кэширование. Что записывается в кэш:
. Наиболее используемые каталоги;
. Данные о всех используемых в данный момент времени файлах;
. Данные о свободном пространстве диска;
А что же NTFS? Кэшированию трудно поддаются каталоги больших размеров, а они могут достигать размеров нескольких десятков мегабайт. Плюс MFT, плюс информация о свободном месте на диске. Хотя надо заметить, что NTFS все же довольно экономно расходует ресурсы оперативной памяти. В наличии удачная система хранения данных, в MFT каждая запись примерно равна 1 Kb. Но все же требования к объему ОЗУ выше, чем для FAT 32. Короче, если Ваша память меньше или равна 64 Mb, то эффективнее с точки зрения скорости окажется FAT 32. Если больше - разница в скорости будет маленькая, а зачастую вообще никакой. Теперь о самом жестком диске. Для использования NTFS желательно наличие Bus Mastering. Что это? Это особый режим работы драйвера и контроллера. При использовании BM обмен происходит без участия процессора. Отсутствие ВМ скажется на производительности системы. Кроме этого, вследствие использования более сложной файловой системы количество движений головок чтения/записи возрастает, что так же влияет на скорость. Наличие дискового кэша одинаково положительно сказывается, как на NTFS, так и на FAT 32.
Заключение
Преимущества FAT - низкие накладные расходы на хранение данных и тотальная совместимость с огромным количеством операционных систем и аппаратных платформ. Этой файловой системой по-прежнему пользуются для форматирования дискет, где большой объем раздела, поддерживаемый другими файловыми системами, не играет роли, а низкие накладные расходы позволяют экономно использовать малый объем дискеты (NTFS требует для хранения данных больше места, что совершенно не приемлемо для дискет).
Область применения FAT32 на самом деле гораздо уже - эту файловую систему стоит применять, если Вы собираетесь получать доступ к разделам и с помощью Windows 9x и с помощью Windows 2000/XP. Но так как актуальность Windows 9x сегодня практически сошла на нет, то и использование этой файловой системы не представляет особого интереса.
Список литературы
1. http://yura. puslapiai. lt/archiv/per/fat.html <http://yura.puslapiai.lt/archiv/per/fat.html>
. http://www.windxp.com.ru/sistem2. htm <http://www.windxp.com.ru/sistem2.htm>
. Brian Kahin. Microsoft Roils the World with FAT Patents <http://www.huffingtonpost.com/brian-kahin/microsoft-roils-the-world_b_171985.html>. The Huffington Post <http://ru.wikipedia.org/wiki/The_Huffington_Post> 2009.
. Информатика и компьютерные технологии. <http://www.alleng.ru/d/comp/comp52.htm> Степаненко И.А. 2010.
. Операционные системы. Разработка и реализация. <http://www.alleng.ru/d/comp/comp65.htm> Пакетов О.К. 2009.
. Современная информатика. <http://www.alleng.ru/d/comp/comp229.htm> Цаплин А.А. 2011
. Развитие и инновации в информационных технологиях. Семизаров В.С. 2010
. Современные тенденции в развитии компьютерной техники. Будянин О.Е. 2012