Вопрос Файловая система. Современные архитектуры файловой системы

Развитие файловых систем (ФС) ПК определялось двумя факторами – появлением новых стандартов на носители информации и ростом требований к характеристикам ФС со стороны прикладных программ. Первоначально для ФС первостепенное значение имело увеличение скорости доступа к данным и минимизация объема хранимой служебной информации. Впоследствии с появлением более быстрых жестких дисков и увеличением их объемов, на первый план вышло требование надежности хранения информации, которое привело к необходимости избыточного хранения данных.

Развитие ФС привело к изменению самого понятия "файл" – от первоначального толкования как упорядоченная последовательность логических записей, до понятия файла, как объекта, имеющего набор характеризующих его атрибутов.

Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. Например, в ФС FAT длина имен ограничивается схемой 8.3 (8 символов – собственно имя, 3 символа – расширение имени), а в ОС UNIX System V имя не может содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлу действительно мнемоническое название, по которому можно будет вспомнить, что содержит этот файл. Поэтому современные ФС поддерживают длинные символьные имена файлов (до 255 символов).

Типы файлов. Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги. Обычные файлы подразделяют на текстовые и двоичные. Текстовые файлы состоят из строк символов, представленных в ASCII-коде (документы, исходные тексты программ и т. п.). Двоичные файлы имеют сложную внутреннюю структуру, например, объектный код программы или архивный файл. Специальные файлы – это файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода, используя обычные команды записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются вначале программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются ОС в команды управления соответствующим устройством. Специальные файлы, так же как и устройства ввода-вывода, делят на блок-ориентированные и байт-ориентированные.

Каталог – это, с одной стороны, группа файлов, объединенных пользователем исходя из некоторых соображений, а с другой стороны – это файл, содержащий системную информацию о группе файлов, его составляющих. В каталоге содержится список файлов, входящих в него, и устанавливается соответствие между файлами и их характеристиками (атрибутами).

Каталоги могут непосредственно содержать значения характеристик файлов или ссылаться на таблицы, содержащие эти характеристики, как это реализовано в ОС UNIX (см. рис. 1). Каталоги могут образовывать иерархическую структуру за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня.

Разработчики ОС стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими ФС. В новом понимании файловая система состоит из многих составляющих, в число которых входят и ФС в традиционном понимании.

Новая ФС имеет многоуровневую структуру (см. рис. 7), на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель ФС.

 

Он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конкретной ФС, к которой обращается это приложение. Переключатель ФС преобразует запросы в формат, воспринимаемый следующим уровнем – уровнем ФС.

Каждый компонент уровня ФС выполнен в виде драйвера соответствующей ФС и поддерживает определенную организацию ФС. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу ФС. Приложение не может обращаться к нему напрямую. Каждый драйвер ФС в процессе собственной инициализации регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа, которые будут использоваться при последующих обращениях к ФС.

Для выполнения своих функций драйверы ФС обращаются к подсистеме ввода-вывода, образующей следующий слой ФС новой архитектуры. Подсистема ввода-вывода – это составная часть ФС, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней ФС. Обычно эти модули представляют собой драйверы портов, которые непосредственно занимаются работой с аппаратными средствами. Кроме этого подсистема ввода-вывода обеспечивает некоторый сервис драйверам ФС, что позволяет им осуществлять запросы к конкретным устройствам. Подсистема ввода-вывода должна постоянно присутствовать в памяти и организовывать совместную работу иерархии драйверов устройств. В эту иерархию могут входить драйверы устройств определенного типа (драйверы жестких дисков или накопителей на лентах), драйверы, поддерживаемые поставщиками (такие драйверы перехватывают запросы к блочным устройствам и могут частично изменить поведение существующего драйвера этого устройства, например, зашифровать данные), драйверы портов, которые управляют конкретными адаптерами.

Большое число уровней архитектуры ФС обеспечивает авторам драйверов устройств большую гибкость – драйвер может получить управление на любом этапе выполнения запроса – от вызова приложением функции, которая занимается работой с файлами, до того момента, когда работающий на самом низком уровне драйвер устройства начинает просматривать регистры контроллера. Многоуровневый механизм работы ФС реализован посредством цепочек вызова.

В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова.

Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может решить передать запрос дальше – в измененном или в неизмененном виде – на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

 

 

23вопрос.Физичекая организация файловой систем Физическая организация файла описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти, в частности, на диске. Файл состоит из физических записей – блоков. Блок – наименьшая единица данных, которой внешнее устройство обменивается с оперативной памятью. Непрерывное размещение – простейший вариант физической организации (см. рис. 4, а), при котором файлу предоставляется последовательность блоков диска, образующих единый сплошной участок дисковой памяти.ы. Для задания адреса файла в этом случае достаточно указать только номер начального блока. Другое достоинство этого метода – простота. Но имеются и два существенных недостатка. Во-первых, во время создания файла заранее не известна его длина, а значит не известно, сколько памяти надо зарезервировать для этого файла, во-вторых, при таком порядке размещения неизбежно возникает фрагментация, и пространство на диске используется не эффективно, так как отдельные участки маленького размера (минимально 1 блок) могут остаться не используемыми.

Другой способ физической организации – размещение в виде связанного списка блоков дисковой памяти (см. рис. 4, б). В начале каждого блока содержится указатель на следующий блок. В этом случае адрес файла задается одним числом – номером первого блока. В отличие от предыдущего способа, каждый блок может быть присоединен в цепочку какого-либо файла, следовательно, фрагментация отсутствует. Файл может изменяться во время своего существования, наращивая число блоков. Недостатком является сложность реализации доступа к произвольно заданному месту файла: для того, чтобы прочитать пятый по порядку блок файла, необходимо последовательно прочитать четыре первых блока, прослеживая цепочку номеров блоков.