Budowa logiczna dysku i

dyskietki.

System plików FAT.

Wykonał : Bartłomiej Stasiła

klasa 2 T

Budowa fizyczna dysku

Wszystkie dyski twarde mają podobną budowę. Wewnątrz obudowy
mieści się od jednego do kilku talerzy. Po obu stronach każdego z nich
znajdują się ścieżki podzielone na sektory zawierające standardowo po
512 bajtów. Liczba sektorów na ścieżce zależy zatem od odległości
danej ścieżki od środka dysku: im dalej w kierunku zewnętrznej
krawędzi, tym więcej sektorów na ścieżce. Zapisane na dysku
informacje odczytywane są przez głowice umieszczone na ruchomym
ramieniu. Te ścieżki, które można odczytać bez potrzeby
przemieszczenia ramienia z głowicami, tworzą jeden cylinder. Aby łatwo
można było poruszać się po tak skomplikowanej strukturze, cylindry,
głowice i sektory zostały ponumerowane. Odwołanie do konkretnego
miejsca na dysku wymaga więc podania trzech informacji (liczb) w
standardzie C/H/S - Cylinder / Head (głowica) / Sector (sektor).
Dokładnie taki schemat stosowano w przypadku starszych dysków o
pojemnościach do 528 MB - obecnie istnieje konieczność stosowania
tzw. translacji adresów.

Pierwszy sektor na każdym dysku, nazywany MBR (lokalizacja CHS =
001), zawiera IPL - Initial Program Loader (zwany również
bootstrapem) oraz informację o organizacji partycji na dysku
umieszczoną w Tablicy Partycji (TP). Umożliwia ona zapisanie
informacji o maksymalnie czterech partycjach. Każdą z nich cechuje:
stan (aktywna lub nie), adres początkowy zapisany w standardzie
CHS, typ (primary lub extended), adres końcowy - CHS, numer
początkowego sektora oraz liczba zajmowanych (alokowanych)
sektorów. Po włączeniu komputera wywoływany jest IPL - program
sprawdzający informacje zawarte w tablicy partycji i uruchamiający
system operacyjny z partycji, która ma ustawioną (włączoną) flagę
aktywności.

Sektor jest to obszar dysku, w którym zapisać można 512 bajtów danych. Dawniej
BIOS adresował dane bezpośrednio za pomocą metody CHS. Wykorzystywał przy
tym 24 bity do zapisania każdego wskaźnika, co pozwalało na udostępnienie
przestrzeni adresowej o maksymalnej wielkości 8,4 GB (2245512 bajtów). Wraz ze
wzrostem pojemności dysków wprowadzono bardziej wydajne tryby adresowania,
metoda adresacji CHS okazała się niewystarczająca - umożliwiała obsługę dysków
nie większych niż 504 MB. LBA (Logical Block Adresssing). W trybie tym
adresowane są ponumerowane sektory, co zapewnia pełną niezależność od
fizycznej architektury dysku. Nie należy zatem wyłączać opcji Mode | LBA w menu
Standard CMOS Setup BIOS-u. Najbezpieczniej jednak wybrać tu parametr Auto.
LBA wniosło w ten mechanizm tylko przesunięcie dwóch bitów z adresu głowicy na
adres cylindra, tak by DOS mógł zobaczyć całą przestrzeń adresową. W
przypadku pierwszych dysków IDE podawana w BIOS-ie liczba cylindrów, głowic i
sektorów dokładnie odzwierciedlała fizyczną budowę dysku. Nowoczesne dyski
IDE korzystają z wewnętrznego mechanizmu translacji (translation mode), który
przelicza rzeczywiste parametry dysku do postaci akceptowalnej przez BIOS.
Ograniczenia BIOS-u sprawiają, że nie można dowolnie "zwiększać" liczby
cylindrów czy sektorów, zmieniana jest zatem liczba głowic, których w
rzeczywistości jest tylko 2 razy tyle co talerzy.

Adres sektora fizycznego (adres CHS)

Budowa logiczna dysku

Większość popularnych systemów operacyjnych musi zostać
zainstalowana na partycji typu primary (głównej), co - ze względu na
strukturę tablicy partycji - umożliwia zainstalowanie do czterech
rożnych systemów na jednym dysku. Oprócz partycji typu primary
można założyć również partycję extended (rozszerzoną). Jej główną
zaletą jest to, że zajmując tylko jedno miejsce w tablicy partycji dysku,
można na niej utworzyć znacznie większą liczbę dysków logicznych -
czyli partycji na partycji extended. Partycja rozszerzona zakładana jest
niemal na każdym dysku. W przeciwieństwie do partycji podstawowych
dyski logiczne utworzone na partycji extended są widoczne zawsze,
jeśli system plików zgodny jest z zainstalowanym systemem
operacyjnym. Więcej niż jedną partycję primary jednocześnie "widzą"
tylko niektóre systemy, np. Linux, Windows 98. Starsze z nich, jak
DOS, współpracują tylko z aktywną partycją podstawową (primary). W
danym momencie tylko jedna partycja może mieć ustawioną flagę
aktywności. Aby przedstawić budowę logiczną dysku twardego należy
wpierw wyjaśnić metodę adresowania informacji na dysku: adres
sektora fizycznego, adres sektora logicznego oraz adres klastera.

Adres sektora logicznego

(nr sektora logicznego lub nr sektora)

Sposób numerowania sektorów logicznych (w porównaniu z
adresem CHS) przedstawia poniższy rysunek na którym
założono pewną fikcyjna geometrie dysku: 4 głowice, 4
cylindry i 8 sektorów na ścieżkę. Strona zerowa-strona ukryta
(ang. Hidden, nie ma swojego odpowiednika na dyskietce)
jest poświecona celom systemowym. Sektory tej strony nie
wchodzą do numeracji sektorów logicznych na dysku.

Adresowanie numerem klastera

Aby nie posługiwać się zwykle bardzo dużą liczbą sektorów,
powstała jednostka alokacji (zajętości) zwana klastrem
(cluster), łącząca kilka sektorów w jedną całość. Tak więc
klaster o rozmiarze 2 KB składa się z 4 sektorów, 4 KB łączą 8
sektorów itd.

Klaster z punktu widzenia systemu operacyjnego

jest to najmniejsza jednostka alokacji, najmniejsza logiczna
jednostka zarządzana przez FAT i inne systemy plików.
Fizycznie klaster składa się z jednego lub kilku sektorów. W
rzeczywistości jest wielokrotnością rozmiaru fizycznych
sektorów na dysku twardym. Klaster jest jednostką pojemności
dysku twardego wyrażoną w KB.
 Możemy obecnie podać już strukturę logiczną dysku
twardego. Jest ona pokazana na poniższym rysunku. Są tam
również podane możliwości adresowania poszczególnych
obszarów.

Reguła numerowania sektorów

logicznych

W pierwszym jego sektorze znajduje się MBR zawierający tablicę
partycji. Do oznaczenia cylindrów i głowic wykorzystuje się cyfry
zaczynające się od 0. Szesnaście głowic ma zatem numery od 0 do
15. Sektory oznaczane są liczbami od 1 do 63. Każda partycja
zaczyna się od rekordu ładującego (boot sectora). Ponieważ
początek pierwszej partycji może znajdować się na zerowym
cylindrze, ale pierwszej głowicy i pierwszym sektorze (CHS = 011),
pomiędzy MBR i BS pozostają wolne 62 sektory (31 KB), które nie są
wykorzystywane. Po BS znajduje się obszar, w którym zapisane są
informacje o rozmieszczeniu danych na partycji.

Sektorem logicznym

0 jest pierwszy sektor fizyczny na stronie 1 i ścieżce 0 dysku
(CHS=011). Kolejne numery otrzymują kolejne sektory fizyczne
leżące na tej

ścieżce (CHS=012 to sektor 1 itd.). Po wyczerpaniu

ścieżki zmieniamy stronę nie zmieniając cylindra. Dopiero po
wyczerpaniu wszystkich sektorów fizycznych bieżącego cylindra,
zmieniamy cylinder, przechodząc na cylinder o numerze wyższym o 1
i numeracje kontynuujemy od pierwszego sektora fizycznego
pierwszej strony tego cylindra.

FAT (File Allocation Table -

tablica alokacji plików)

Tablica opisująca, w których klastrach dysku twardego lub dyskietki
magnetycznej system operacyjny ma szukać każdego z zapisanych na
nim plików. FAT jest tworzony podczas formatowania nośnika danych.
Podczas zapisu pliku informacje o nim są automatycznie zachowywane w
tablicy FAT. Potocznie przez FAT rozumie się FAT16 lub FAT32.

System plików FAT został zaprojektowany przez firmę Microsoft. Pierwsza
wersja tego systemu została zaprojektowana dla dysków o niewielkiej
pojemności (głównym jej przeznaczeniem były dyskietki). Była to bardzo
uboga wersja, nie obsługująca nawet podkatalogów.  Później zaczęły
powstawać kolejne, coraz lepsze wersje systemu plików FAT.
Obecnie rozróżnia się trzy rodzaje systemów plików FAT. Są to:
•FAT12
•FAT16
•FAT32

FAT16

-

odmiana systemu plików FAT, z którego może korzystać MS-

DOS i Windows. Pierwsze pecety pracujące pod systemem DOS miały
architekturę 16-bitową. Oznaczało to, że ich system plików mógł opisać tylko
216, czyli 65 535 klastrów. Początkowo klastry były rozmiarowo równe
fizycznym sektorom dysku twardego (512 bajtów), ale szybko okazało się, że w
ten sposób można opisać pojemność tylko 32 MB. Większy dysk twardy trzeba
było dzielić na partycje. W związku z tym postanowiono zwiększyć rozmiary
jednostek alokacji. Problem zaczął się, gdy dyski przekroczyły rozmiar
gigabajta, a jednostki alokacji rozrosły się aż do 32 kilobajtów. Przy tak dużej
jednostce alokacji notatka o wielkości dwóch kilobajtów zmarnuje 30 kilobajtów
miejsca. Plików tej wielkości na dysku może być tysiące, co prowadzi do
dużych strat pojemności. FAT16 miał jeszcze jedno poważne ograniczenie -
obsługiwał partycje tylko do wielkości 2,1 gigabajta. Konieczne stało się
opracowanie nowego, lepszego systemu plików - FAT32.

Rys. Pliki na partycji FAT16

FAT 32

- odmiana systemu plików FAT, z którego mogą

korzystać systemy operacyjne Windows 95 OSR 2, Windows 98,
Windows Millennium i Windows XP. FAT32 może rozpoznać 232 (czyli
4 294 967 296) adresów jednostek alokacji, dzięki czemu obsługuje
dyski twarde do wielkości dwóch terabajtów (dwóch tysięcy
gigabajtów). Dla partycji o rozmiarach poniżej 8 GB jednostka alokacji
ma wielkość tylko 4 kB, dzięki czemu nie ma dużych strat pojemności.
FAT32 wymaga partycji o minimalnych rozmiarach 512 MB. Jednak
FAT32 ma też wady - na razie nie można kompresować dysków z
takim systemem plików, a także wiele systemów operacyjnych nie
rozpoznaje FAT32 (np. Windows NT czy MS-DOS) - przez co nie
może go stosować ani odczytać danych na nim zapisanych.

Opis poszczególnych struktur

w systemie plików FAT:

•Klaster (ang. cluster)

Klaster jest grupą sektorów na partycji FAT. W klastry pogrupowane są tylko
sektory z danymi. Rozmiar klastra wyspecyfikowany jest w strukturze Boot
Record i może wynosić od jednego do 128 sektorów.
 

•Boot Record

Wszystkie trzy odmiany FATa posiadają strukturę Boot Record, zamieszczoną w
zarezerwowanych sektorach. Struktura Boot Record znajduje się na samym początku
każdej partycji FAT, z tym, że dla FAT12 i FAT16 zajmuje ona jeden sektor, a dla
FAT32 trzy sektory. Struktura ta zawiera pole opisujące rozmiar sektora dla danej
partycji (zwykle 512 b). 

•Tablica Alokacji Plików (ang. File Allocation Table)

Tablica alokująca pliki znajduje się na pierwszych 63 sektorach dysku, po Boot
Sektorze.
Tablica alokująca pliki jest zwykłą tablicą, zawierającą 12, 16 lub 32 bitowe elementy.
Zazwyczaj na jednej partycji znajdują się dwie  identyczne kopie. 
W strukturze Boot Record jest pole specyfikujące ilość kopii tablicy FAT. W
systemach FAT12 i FAT16 używana jest pierwsza kopia tablicy FAT, ale wszystkie
zmiany są synchroniczne nanoszone na pozostałe kopie. FAT32 został rozszerzony o
możliwość specyfikacji w polu "Flags", która kopia jest podstawowa.
O strukturze plików FAT można po prostu myśleć jako o liście, gdzie każdy łańcuch
specyfikuje, które obszary dysku zajęte są przez dany plik czy katalog. 

•Katalog główny (Root Folder / Root Directory)

Katalog główny jest wyspecyfikowany jako normalny katalog, który nie posiada
wpisów jedno- i dwu- kropkowych. W systemach FAT12 i FAT16 katalog główny
znajduje się tuż za tablicami alokacji plików. Na partycjach FAT32 katalog główny jest
utworzony ze zwykłego łańcucha klastrów, które adres początkowy znajduje się w
strukturze Boot Record. 

Rys.  Organizacja partycji FAT16 

•Katalogi

W systemach FAT12 i FAT16 wszystkie katalogi poza katalogiem głównym są w
zasadzie plikami. Plik to ciąg bajtów, umieszczony w jednym bądź wielu
klastrach. Rozmiar pliku przechowywany jest w strukturze katalogu.
Katalogi nie posiadają rozmiarów, traktowane są jako wielokrotność rozmiaru
klastra. Katalogi są powiększane, gdy dodajemy do nich wpis, a katalog był już
pełen. 
Katalog główny występuje na ustalonym miejscu w partycji. W systemach FAT12
i FAT16 katalog główny nie może być powiększony, gdyż jego rozmiar został z
góry określony przy formatowaniu partycji. Katalog główny w tych systemach
ma ustaloną maksymalną liczbę wpisów na 512. W systemie FAT32 zostało to
poprawione i nie ma ograniczeń na wpisy w katalogu głównym.
Katalog jest podzielony na małe struktury nazywane wpisami. Każde wpis ma
rozmiar 32 bajtów i jest informacją o katalogu bądź pliku, zawartym w naszym
katalogu. Wpis zawiera pola:
•Nazwa w formacie 8.3 (11 bajtów)
•Atrybut (1 bajt)
•Czas utworzenia (3 bajty)
•Data utworzenia (2 bajty)
•Data ostatniego otwarcia (2 bajty)
•Czas ostatniej modyfikacji (2 bajty)
•Data ostatniej modyfikacji (2 bajty)
•Numer początkowego klastra w tablicy alokacji plików (2 bajty)