КАК УСТРОЕНА ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМА | FAT-32

Цифровая информация прочно вошла в нашу повседневную жизнь, составляя часть нашей современной природы. Хотя основные действия по созданию, присвоению имен, упорядочиванию и удалению файлов кажутся простыми, они управляют хаотичным потоком байт, хранящихся на таких устройствах, как флэш-накопители и жесткие диски. Файловая система создает организованную иерархию, преобразуя необработанные данные в понятные файлы и каталоги, тем самым преобразуя случайность в структурированную информацию.

Структура физического диска и распределение в кластере Жесткий диск состоит из нескольких пластин, каждая из которых разделена на дорожки и сектора по 512 байт, доступ к которым осуществляется с помощью специальных считывающих головок. 32-разрядная система может обрабатывать примерно 4 миллиарда секторов, при этом объем используемого хранилища составляет около 2 ТБАЙТ — ограничение, которое практически устраняется за счет группировки секторов в кластеры. Кластеры, которые обычно объединяют несколько секторов в блоки, подобные блоку из 8 секторов (4 КБАЙТ), оптимизируют управление данными и удовлетворяют редкой потребности в обработке файлов размером с один сектор.

Логическое разделение на разделы и развертывание файловой системы Операционные системы разделяют физические диски на логические тома, такие как диски C и D, на которых установлены файловые системы. Эта стратегия позволяет абстрагироваться от физической сегментации секторов и кластеров, позволяя файловым системам более эффективно управлять данными. Распределяя пространство в кластерах фиксированного размера, система упрощает управление хранилищем и адаптируется к требованиям как к небольшим, так и к большим файлам.

В 1977 году файловая система FAT появилась в виде простой таблицы, связывающей кластеры путем хранения указателей на следующий сегмент данных. Его дизайн эволюционировал в различные формы, такие как FAT12, FAT16, FAT32 и даже FAT64, каждая из которых определялась размером цифровых указателей. Изначально все файлы хранились в одном корневом каталоге без какой-либо иерархии, но по мере роста требований к памяти система постоянно совершенствовалась. Несмотря на достижения, приведшие к переходу современных операционных систем, таких как Windows, на NTFS, FAT — особенно FAT32 — остается популярным на устройствах, начиная от жестких дисков и заканчивая USB-флэш-накопителями и картами мобильной памяти.

Недавний опрос показал, что многие опытные front-end разработчики, проработавшие в этой области не менее трех лет, с нетерпением ждут новых карьерных вызовов. 27 и 28 мая Яндекс проведет мероприятие, которое позволит упростить процесс найма на работу в выходные дни без прерывания текущего рабочего графика. Участники могут зарегистрироваться по указанной ссылке, а затем получить доступ к автоматизированной онлайн-платформе для решения задач и начисления баллов. Как только будет набран необходимый балл, рекрутер предоставит подготовительные материалы и подробную информацию о процессе собеседования.

Инициализация BIOS и запуск загрузки MBR Когда компьютер включается, BIOS выполняет аппаратные тесты и инициализирует систему, прежде чем выбрать загрузочное устройство. Программа считывает первый сектор выбранного устройства и копирует его содержимое в определенную ячейку памяти. Этот сектор, известный как Главная загрузочная запись (MBR), содержит исполняемый код, который запускает процесс загрузки операционной системы.

Структура таблицы разделов и активный процесс загрузки MBR содержит не только загрузочный код и сигнатуру завершения, но и таблицу разделов с четырьмя структурами, которые детализируют размеры разделов и их расположение на диске. Она определяет активный раздел, выделяет место в памяти и загружает его загрузочный сектор для передачи управления загрузчику операционной системы. Этот устаревший подход, основанный на физической адресации, был стандартным до тех пор, пока в 2010 году его не заменили обновленные версии BIOS и GPT.

Роль загрузочного сектора в структуре FAT32 Файловая система FAT32 разделена на отдельные сегменты, при этом загрузочный сектор всегда занимает нулевой сектор каждого раздела. Этот сектор содержит команду перехода и расширенные параметры, которые гарантируют загрузку только исполняемого загрузочного кода. Он также содержит важную информацию о драйвере для правильного взаимодействия с файловой системой, в то время как недопустимые или не загружаемые области заполняются нулями.

Основные метаданные и идентификация системы В загрузочном секторе хранятся важные метаданные, включая зарезервированные поля, настройки флага и серийный номер, который изначально использовался для физического форматирования. Сектор также содержит метку тома и системный идентификатор, которые определяют тип файловой системы и подчеркивают совместимость с различными операционными системами. Эти поля гарантируют, что во время загрузки запускается только корректный исполняемый код, защищая систему от непреднамеренных ошибок.

Стратегия размещения и репликации таблиц FAT Такие параметры, как количество байт на сектор и количество секторов на кластер, используются для вычисления размера кластера, который, в свою очередь, определяет местоположение основной таблицы FAT. Основная таблица располагается сразу после зарезервированной области и дублируется в качестве резервной для защиты от потери данных. Различие между FAT16 и FAT32 достигается за счет использования большего 4-байтового поля в FAT32, в результате чего расширенная таблица занимает почти 2 МБ памяти.

Вычисление размера тома и локализация корневого каталога Общий размер тома определяется путем умножения общего количества секторов на фиксированный размер сектора, применимый как к жестким, так и к съемным дискам. Зарезервированные области и дублированные таблицы FAT учитываются при расчете точной начальной точки для корневого каталога. Измененное использование ранее назначенных полей поддерживает методы прерывания BIOS, обеспечивая точное преобразование кластерных индексов в точные байтовые адреса.

Повысьте свои профессиональные навыки в онлайн-учреждении, которому доверяют технологические гиганты, банки и операторы связи. В рамках программы проводятся открытые онлайн-конференции, на которых ведущие эксперты обсуждают актуальные проблемы в области Kubernetes и архитектуры приложений. Участники получают консультации по вопросам карьеры, получают представление о различных форматах работы и получают практическое представление о современной инфраструктуре обучения. Эксклюзивные преимущества - от участия в мероприятиях премиум-класса до подписки на курсы - открывают широкий путь к профессиональному росту.

Структура FSINFO построена с учетом избыточности за счет сохранения резервной копии в специально отведенном секторе с низким индексом для защиты от повреждения. Это упрощает работу файловой системы, сохраняя важные данные, которые указывают либо точное количество свободных кластеров, либо начальный кластер для последующего поиска, тем самым сокращая время, затрачиваемое на сканирование обширных таблиц FAT. Остальные поля, для которых установлены фиксированные значения со специальной подписью из трех частей, обеспечивают целостность и эффективность управления кластером.

Структура таблицы жиров и ограничения по вместимости Система резервирует исходные сектора с нулями и резервной последовательностью перед запуском таблицы FAT в указанном секторе. Таблица FAT назначает кластеры, используя 4-байтовые ячейки, которые, по сути, обеспечивают 28-битную адресацию, что ограничивает возможности кластера даже при максимальном размере кластера в 32 КБ. Последующая 64-разрядная версия FAT преодолевает эти ограничения за счет расширения указателей кластеров и размеров полей.

Объединение файловых кластеров в цепочки и управление фрагментацией Файлы хранятся в виде цепочки кластеров, где каждая запись FAT указывает на следующий кластер в последовательности файлов. Специальные маркеры в цепочке обозначают конец файла, свободное пространство, зарезервированные области или ошибки, тем самым разделяя файлы на отдельные группы. Эти маркеры помогают ориентироваться в фрагментированных кластерах, которые могут быть сильно разделены, что влияет на физический процесс чтения. Исходная ссылка на кластер хранится отдельно в структуре каталогов для инициализации сборки цепочки.

Основы корневого каталога и метаданных Файловая система начинается с корневого каталога, в котором хранятся такие важные данные, как имена файлов, их размеры и атрибуты. Выделенный начальный кластер определяет структуру, а таблица FAT помечает кластеры для завершения работы с файлами и создания резервных копий. Ключевые метаданные, включая конкретные значения атрибутов, отличают корневой каталог от других каталогов. Эта основа создает основу для хорошо организованной иерархии дисков, основанной на зарезервированных кластерах и четко определенных свойствах файлов.

Ограничения на временную метку на битовом уровне и именование файлов Временные метки файлов кодируются с использованием специальных битовых полей — 4 бита для часов, 6 бит для минут и 5 бит для секунд, — что ограничивает максимальное значение секунд до 29. Дизайн включает как номер первого кластера, так и размер файла в последующие поля, причем последний ограничен 4 ГБ из-за ограничения в 4 байта. Строгое 11-байтовое распределение имен файлов, разделенных на 8-байтовое основное имя и 3-байтовое расширение, создает дополнительные ограничения. Этот эффективный подход к кодированию оптимизирует пространство при точном управлении файловыми метаданными и временной информацией.

Для преодоления ограничений, связанных со стандартным хранением имен файлов, введена дополнительная структура, позволяющая использовать больше символов, чем позволяет базовое распределение. Эта структура располагается перед основным форматом имени файла и сохраняет исходные данные о регистре с помощью специального флага, который переключает отображение между прописными и строчными буквами, в то время как при использовании обоих регистров создается отдельная структура Unicode. Каждый дополнительный блок выделяет по 2 байта на символ длиной до 13 символов, и несколько таких блоков расположены в обратном порядке, чтобы точно восстановить полное имя. Определенные поля, включая схему нумерации структур и зарезервированную контрольную сумму, обеспечивают целостность данных, хотя в некоторых версиях Windows по умолчанию одно поле полностью отсутствует.

Точный адрес файла в блоке данных определяется, начиная с первого сектора корневого каталога и вычисляя смещение файла в кластерных единицах. Преобразуя это смещение кластера в секторы и добавляя его к исходному сектору корневого каталога, мы получаем начальный сектор для данных файла. Умножение этого индекса сектора на размер сектора дает абсолютный адрес файла в памяти. Эта структура поддерживается с помощью кластерных цепочек, которые связывают каталоги, файловые дескрипторы и указатели FAT для отображения всей файловой иерархии.

Удаление файла в FAT32 не приводит к удалению самих данных; оно просто помечает кластеры файла как неиспользуемые, вставляя специальный байт в начало его структуры и обнуляя указатели на кластеры. Этот процесс оставляет исходные данные нетронутыми до тех пор, пока они не будут перезаписаны новой информацией. Возможность быстрого форматирования диска и восстановления удаленных файлов даже по прошествии многих лет подчеркивает эффективную и простую конструкцию FAT32, которая отличается высокой скоростью работы и меньшим износом флэш-накопителей.