Физическая организация файловой системы FAT

Рассмотрим физическую организацию одной из самых старых и распространённых файловых систем FAT (File Allocation Table).

Логический раздел, отформатированный под файловую систему FAT, состоит из следующих областей (Рис. 21).

Загрузочный сектор содержит программу начальной загрузки операционной системы. Вид этой программы зависит от типа операционной системы, которая будет загружаться из этого раздела

Основная копия FAТ содержит информацию о размещении файлов и каталогов на диске.

Резервная копия FAT.

Корневой каталог.

Область данных предназначена для размещения всех файлов и всех каталогов, кроме корневого каталога.

Рис. 21.Физическая структура файловой системы FAT

Файловая система FAT поддерживает всего два типа файлов: обычный файл и каталог. Файловая система распределяет память только из области данных, причем использует в качестве минимальной единицы дискового пространства кластер.

Таблица FAT (как основная копия, так и резервная) состоит из массива индексных указателей, количество которых равно количеству кластеров области данных. Между кластерами и индексными указателями имеется взаимно однозначное соответствие — нулевой указатель соответствует нулевому кластеру и т. д.

Индексный указатель может принимать следующие значения, характеризующие состояние связанного с ним кластера: кластер свободен (не используется); кластер используется файлом и не является последним кластером файла - в этом случае индексный указатель содержит номер следующего кластера файла; последний кластер файла; дефектный кластер; резервный кластер.

Таблица FAT является общей для всех файлов раздела. В исходном состоянии (после форматирования) все кластеры раздела свободны и все индексные указатели, кроме тех, которые соответствуют резервным и дефектным блокам, принимают значение «кластер свободен». При размещении файла ОС просматривает FAT, начиная с начала, и ищет первый свободный индексный указатель. После его обнаружения в каталоге в поле записи «номер начального кластера» (Рис. 22 ) фиксируется номер этого указателя. В кластер с этим номером записываются данные файла, он становится первым кластером файла. Если файл умещается в одном кластере, то в индексный указатель, соответствующий данному кластеру, заносится код соответствующий состоянию «последний кластер файла». Если же размер файла больше одного кластера, то ОС продолжает просмотр FAT и ищет следующий индексный указатель на свободный кластер. После его обнаружения в предыдущий индексный указатель заносится номер этого кластера, который теперь становится следующим кластером файла. Процесс повторяется до тех пор, пока не будут размещены все данные файла. Таким образом создается связный список всех кластеров файла.

Рис. 22 Схема адресации файла в ФС FAT

В начальный период после форматирования файлы будут размещаться в последовательных кластерах области данных, однако после определенного количества удалений файлов кластеры одного файла окажутся в произвольных местах области данных, чередуясь с кластерами других файлов (Рис. 22) или с пустыми кластерами.

Размер таблицы FAT и разрядность используемых в ней индексных указателей определяется количеством кластеров в области данных. Для уменьшения потерь из-за фрагментации желательно кластеры делать небольшими, а для сокращения объема адресной информации и повышения скорости обмена наоборот — чем больше, тем лучше. При форматировании диска под файловую систему FAT обычно выбирается компромиссное решение и размеры кластеров выбираются из диапазона от 1 до 128 секторов, или от 512 байт до 64 Кбайт.

Очевидно, что разрядность индексного указателя должна быть такой, чтобы в нем можно было задать максимальный номер кластера для диска определенного объема. Известны файловые системы FAT12, FAT16 и FAT32, отличающиеся разрядностью индексного указателя и соответственно количеством кластеров в области данных, а значит емкость диска. В современных операционных системах используется файловая система FAT32, с 32-разрядным индексным указателем, в котором можно задать указатель для более чем 4 миллиардов кластеров (4Гбайт).

FAT32 подходит для больших дисков, она способна использовать кластеры 4 Кбайт при работе с дисками объемом до 8 Гбайт и только для дисков большего объема начинает использовать кластеры 8, 16 и 32 Кбайт.

Таблица FAT при фиксированной разрядности индексных указателей имеет переменный размер, зависящий от объема области данных диска.

При удалении файла из файловой системы FAT в первый байт записи каталога соответствующей полю «имя файла» заносится специальный признак, свидетельствующий о том, что эта запись свободна, а во все индексные указатели файла заносится признак «кластер свободен». Остальные данные в записи каталога, в том числе номер первого кластера файла, остаются нетронутыми, что оставляет шансы для восстановления ошибочно удаленного файла. Существует большое количество утилит для восстановления удаленных файлов FAT, выводящих пользователю список имен удаленных файлов с отсутствующим первым символом имени, затертым после освобождения записи.

Резервная копия FAT всегда синхронизируется с основной копией при любых операциях с файлами, поэтому резервную копию нельзя использовать для отмены ошибочных действий пользователя. Резервная копия может быть полезна только в том случае, когда секторы основной памяти оказываются физически поврежденными и не читаются.

Используемый в FAT метод хранения адресной информации о файлах не отличается большой надежностью — при разрыве списка индексных указателей в одном месте, например из-за сбоя в работе программного кода ОС по причине внешних электромагнитных помех, теряется информация обо всех последующих кластерах файла.