Файлы и файловая структура

В компьютерных технологиях единицей хранения данных является объект переменной длины, называемый файлом . Файл – - это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным именем. Файловые системы создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств ЭВМ, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных. Таким образом, файловая система – - это система управления данными.

Имя файла имеет особое значение – - оно фактически несет в себе адресные функции в иерархических структурах. Кроме того, имя может иметь расширение , в котором хранятся сведения о типе данных. Если имена создаваемых файлов пользователь может задавать произвольно, то в использовании расширений следует придерживаться некоторой традиции. Например, в операционной системе MS DOS файлы с расширениями:: .com, .exe, .bat – - исполняемые; .bat, .txt, .doc – - текстовые; .pas, .bas, .c, .for – - тексты программ на известных языках программирования: (Паскале, Бейсике, Си, Фортране соответственно); .dbf – - файл базы данных. В различных операционных системах существуют ограничения на длину имени и расширения имени файла. Так, в MS DOS длина имени файла не должна превышать восьми символов, а расширение – - трех, т. е. используется стандарт 8.3. В операционной системе Windows ограничения значительно менее жесткие.

Для пользователя файл является основным и неделимым элементом хранения данных, который можно найти, изменить, удалить, сохранить либо переслать на устройство или на другой компьютер, но только целиком.

Файловая система – - это часть операционной системы компьютера и поэтому всегда несет на себе отпечаток свойств конкретной операционной системы. Файловая система скрывает от пользователя картину реального расположения информации во внешней памяти, обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации ЭВМ, т. е. логический уровень работы с файлами. При работе с файлами пользователю предоставляются средства для создания новых файлов, операции по считыванию и записи информации и т. п., не затрагивающие конкретные вопросы программирования работы канала по пересылке данных, по управлению внешними устройствами.

Наиболее распространенным видом файлов, внутренняя структура которых обеспечивается файловыми системами различных операционных систем, являются файлы с последовательной структурой. Файлы в этом случае представляются в виде набора составных элементов, называемых логическими записями произвольной длины и с последовательным доступом. В ряде операционных систем предусматривается использование более сложных логических структур файлов, например, древовидной структуры. На физическом уровне блоки файла могут размещаться в памяти непрерывной областью или храниться несмежно. Вся учетная информация о расположении файлов на магнитном диске сводится в одно место – - каталог или директорию диска. Каталог представляет собой список элементов, каждый из которых описывает характеристики конкретного файла, используемые для организации доступа к нему – - имя файла, его тип, местоположение на диске, размер. Каталогов может быть большое число, и они связываются в информационные структуры, например, в иерархическую (древовидную) систему каталогов. Каждый каталог рассматривается как файл и имеет собственное имя. Полное имя каталога или файла в такой структуре задает путь переходов между каталогами и файлами в логической структуре каталогов (см. рис. 1.5).

Рис. 1.5. Иерархическая система каталогов

Структура самых файлов может быть тривиальной. Например, текст может сохраняться в виде последовательности байтов, соответствующих кодировке таблицы ASCII. Однако в большинстве случаев вместе с данными приходится хранить и некоторую дополни

тельную информацию. Способ организации данных в файле, т. е. структура файла, называется форматом . Формат файла определяет способ правильной интерпретации хранимых данных. Существует довольно много различных форматов файлов. Некоторые из них стандартизированы и поддерживаются любой операционной системой, некоторые специфичны только для данных операционных систем. Часто заголовок файла включает идентификатор формата файла. Современные программные системы позволяют одновременно включать в файл данные разных видов, т. е. файл может иметь очень сложный формат. Например, в документ MS Word можно включать текст, картинки, таблицы, формулы и многое другое.

В большинстве случаев пользователю ничего не нужно знать о внутреннем устройстве файлов. Это уровень абстракции интерфейса операционных систем.

Все программы и данные хранятся в долговременной памяти компьютера в виде файлов .

Определение 1

Файл – поименованная совокупность данных, записанных на носитель. Любой файл имеет имя, состоящее из двух частей, отделяемых точкой, - собственно имени и расширения. При задании имени файла желательно, чтобы оно указывало или на содержимое файла, или на автора.

Расширение указывает на вид информации, хранящийся в файле. Имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании.

Рисунок 1.

Имя файла может содержать до $255$ символов, включая расширение. Имя файла может состоять из английских и русских букв, цифр и др. символов.

В именах файлов запрещено использовать знаки:

\ / * ? : “ | .

Расширение некоторых типов файлов:

Рисунок 2.

Кроме имени и типа параметрами файла также являются: размер файла, дата и время создания, значок (элементарный графический объект, по нему можно узнать, в какой среде создан файл или какого он типа).

Рисунок 3.

Классификация значков файлов

Рисунок 4.

Определение 2

Файловая структура – совокупность файлов и взаимосвязь между ними.

Одноуровневая файловая структура используется для дисков с небольшим количеством файлов и представляет собой линейную последовательность имен файлов.

Многоуровневая файловая структура используется, если на диске хранятся тысячи файлов, сгруппированных в папки. Многоуровневость подразумевает систему вложенных папок с файлами.

Каждый диск имеет логическое имя, обозначаемое латинской буквой со знаком двоеточия:

• C:, D:, E: и т.д. – жесткие и оптические диски,
• А:, В: - гибкие диски.

Папкой верхнего уровня для диска является корневая папка, которая в OS Windows обозначается добавлением к имени диска значка «\», например, D:\ - обозначение корневой папки.

Пример файловой структуры :

Рисунок 5.

Каталог - это папка или директория, куда помещают файлы и другие каталоги.

Каталог, который не является подкаталогом ни одного другого каталога , называется корневым . Такой каталог находится на самом верхнем уровне иерархии всех каталогов. В Windows каждый из дисков имеет свой корневой каталог (D:\, C:\, E:).

Каталоги в OS Windows делятся на системные и пользовательские. Пример системных каталогов: «Рабочий стол», «Сетевое окружение», «Корзина», «Панель управления».

Рисунок 6. Системные каталоги OS Windows

Слева направо: системная папка

Корзина, папка Мои документы, ярлык к папке Мои документы

Каталог и папка физически одно и тоже.

Путь к файлу – это его адрес.

Путь к файлу всегда начинается с указанием логического имени диска (D:\, C:\, E:), затем записывается последовательность имен вложенных друг в друга папок, в последней папке содержится нужный файл. Путь к файлу вместе с именем файла называют полным именем файла, например: D:\Мои документы\Литература\Сочинение.doc полное имя файла Сочинение.doc.

Рисунок 7. Дерево каталогов и файлов

Схематично файловую структуру диска представляют в виде дерева.

Рисунок 8. Файловая структура диска Z:

• Z:\box\box1 – полное имя папки (каталога) box1
• Z:\box\box.txt – полное имя файла box.txt
• Z:\box\box2\box3\box1 - полное имя папки (каталога) box1
• Z:\box\box2\box3\box.txt - полное имя файла box.txt

Чтобы понять, как функционирую компьютерные системы, недостаточно просто на визуальном уровне взаимодействовать с операционной системой. Чтобы полностью понимать все процессы, происходящие в системе, необходимо представлять, что собой представляет файл и файловая структура. При рассмотрении этой темы будет указано, для чего это нужно.

Что такое файл и файловая структура?

Для начала необходимо определиться с основными понятиями и терминами. Здесь ключевым является понятие файла. Оно определяет механизм работы системы в программном плане. Файл представляет собой некоторый объект, который содержит определенную информацию. Чтобы понять, что такое файлы данных и файловая структура, лучше привести пример из жизни. Можно сравнить данные понятия с обычной книгой. Каждый человек наверняка знает, что в книге есть обложка, страницы, оглавление, разделы и главы.

Чтобы упростить понимание вопроса, скажем, что обложка представляет собой всю файловую систему в совокупности, страницы — это папки или директории, в которых хранятся отдельные файлы, оглавление – это файловый менеджер, разделы и главы – это файлы, которые содержат конкретную информацию. Обозначение объекта, называемого файлом, обычно состоит из двух частей – имени и расширения. Имя файла может задаваться на различных языках и быть произвольным. Расширением называют специальное обозначение, указывающее на тип данных.

Расширение обычно состоит из трех и более латинских букв. По расширению можно понять, какой программе сопоставлен файл и является ли он системным. По умолчанию в любой операционной системе открытие файла осуществляется двойным кликом мыши. Однако необязательно, что вы сможете открыть любой файл таким способом. Приведем простой пример: таким образом можно запустить исполняемые файлы с расширением.exe в операционной системе Windows, однако файлы с расширением.dll таким образом открыть не удастся.

Это связано с тем, что обращение к содержимому выполняется посредством других программных компонентов. Кроме того, вызов кода может осуществляться специализированными компонентами операционной системы. Однако, это самый простой пример. Объекты, которые не соответствуют ни операционной системе, ни в какой-либо программе, не так-то просто открыть. Операционная система не понимает, какое средство для открытия файла нужно запустить. В лучшем случае система предложит вам самому выбрать соответствующую программу из представленного списка решений.

Информатика в начале развития компьютерных технологий

Посмотрим теперь, что представляли собой информационные технологии во времена появления первых компьютеров. Основной системой, которая использовалась в те времена, была примитивная по тем временам система DOS. В этой системе для доступа к функциям нужно было вводить специальные команды. После появления уникального продукта Norton Commander необходимость в этом отпала, хотя некоторые команды все равно нужно прописывать. Данный файловый менеджер можно назвать оглавлением, поскольку вся информация, которая хранится на внешнем носителе или жестком диске, в нем была четко структурирована.

Папки и файлы

Как уже стало ясно, в любой операционной системе существует несколько основных объектов. Такие понятия, как файл и файловая система неотделимы от понятия папок. Данное понятие иногда также называют директорией или каталогом. Он представляет собой особый раздел, в котором хранятся отдельные компоненты. Чтобы объяснить данное понятие, можно привести в качестве примера комод, в котором имеется множество ящиков, в каждом из которых что-то лежит.

Примеры поиска файлов

Исходя из сказанного выше, можно сделать вывод по поводу быстрого поиска информации. В любой современной операционной системе для этой цели предусмотрены специальные средства. Так, например, в том же файловом менеджере в специальном поле нужно ввести имя или часть имени файла, после чего система выдаст все объекты, которые содержат данную строку. Для осуществления более точного поиска необходимо знать, где именно располагается нужный вам файл. Иначе говоря, необходимо выбрать в комоде определенный ящик, в котором находится искомый предмет. Поиск осуществляется при помощи стандартного средства файлового менеджера. Можно также использовать комбинации клавиш вроде Ctrl+F, которые вызывают поисковую строку.

Что представляет собой файловая система?

Файловые структуры и файлы нельзя себе представить без понимания принципа работы файловой системы. Стоит отметить, что файловая структура и файловая система – это разные понятия. Структура представляет собой основной тип упорядочивания файлов в том случае, если речь идет о систематизации данных. Файловая система представляет собой метод, который определяет работу структуры. Проще говоря, это принцип обработки данных в смысле их размещения на носителе информации. Сегодня существует множество файловых систем. Для операционной системы Windows наиболее распространенными вариантами являются системы FAT с архитектурой 6, 16, 32 и 64 бита, ReFS и NTFS.

Понятия файловой системы и структуры файлов тесно взаимосвязаны. Однако теперь следует сказать несколько слов о самих системах. Если не говорить о технических подробностях, то необходимо отметить, что основное отличие состоит в том, что у файловой системы FAT имеется больший размер кластера для ускоренного доступа и хранения файлов небольшого объема, файловые системы NTFS и ReFS оптимизированы для больших массивов данных и быстрого доступа к ним на максимальной скорости считывания информации с жесткого диска.

Выполнение операций с файлами

Посмотрим на этот вопрос с другой стороны. Обычно, операции с файлами, предусмотренные в любой операционной системе принципиально ничем не отличаются. К основным операциям относится создание, просмотр, открытие, сохранение, редактирование, копирование, переименование, удаление и перемещение. Для всех существующих операционных систем такие действия являются стандартными. Но имеется также и ряд специфичных функций.

Архивация информации

Прежде всего к специфичным функциям можно отнести сжатие папок и файлов, которое называют архивацией, и обратный процесс – извлечение информации из архива. Во время работы на операционной системой DOS создание архивных типов данных сводилось в основном к использованию стандарта ARJ, однако с появлением технологии ZIP-архивирования, данные процессы получили большее развитие. В результате был создан универсальный RAR архиватор. Данные технологии сегодня представлены в любой операционной системе даже без необходимости установки дополнительного программного обеспечения. Операции с файлами в этом ракурсе трактуются как виртуальное сжатие. Технологии сжатия просто дают системе указание на то, чтобы она определяла вместо искомого размера меньший. Информационный объем папки или файла в процессе архивации остается неизменным.

Управление отображением файлов

Такое понятие, как структура файла необходимо рассматривать с точки зрения возможности видения самих объектов. Практически все пользователи современных компьютерных систем сегодня сталкивались с таким понятием, как скрытые файлы и папки. Что они собой представляют? Наличие таких объектов говорит о том, что в системе установлено определенное ограничение на отображение. Так, например, подобные ограничения устанавливаются на системные файлы и папки, чтобы пользователь случайно не удалил их. Таким образом, они никуда не деваются с жесткого диска в физическом плане, просто файловый менеджер их не распознает. Чтобы отобразить все скрытые объекты в том же «Проводнике» можно использовать меню «Вид».

На соответствующие вкладке необходимо поставить галочку в строке отображения скрытых файлов и папок. После включения отображения объекты такого вида будут иметь полупрозрачные иконки. Могут возникнуть определенные сложности с поиском скрытых объектов. Система может не выдавать результатов поиска даже в том случае, если будет введено имя файла и тип, а также конкретное местоположение. Чтобы найти скрытые объекты, необходимо в начале и в конце названия корневого каталога ставить символ %. Только в этом случае файл и файловая структура получат ключ к взаимодействию.

Л 5.1. АРХИТЕКТУРА ПОСТРОЕНИЯ ОС

Ключевые слова: файл, расширение имени файла, атрибуты файла, файловая структура, каталог (папка), путь к файлу, форматирование, сектор, дорожка, цилиндр, таблица размещения файлов (FAT-таблица), кластер, файловая система, FAT 16, FAT 32, NTFS, MTF, CDFS, команды ОС, рабочий стол, панель задач, значок и ярлык объекта, главное меню Windows , окно Windows , строка заголовка, панель инструментов, drag-and-drop, drag, «Проводник », буфер обмена, «Norton Commander », шаблоны выделения и поиска файлов.

Операционная система представляет собой комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение компьютера, входящее в его систему BIOS (базовая система ввода-вывода); с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней - прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями операционной системы принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Основная функция всех операционных систем - посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов интерфейса:

· интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (интерфейс пользователя);

· интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратно-программный интерфейс);

· интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный интерфейс).

Даже для одной аппаратной платформы, например такой, как
IBM PC, существует несколько операционных систем (ОС). Для примера, рассмотрим файловую структуру, основные объекты и приемы управления наиболее распространенных ОС: MS DOS и Windows XP.

Файловая структура персонального компьютера. При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в наиболее компактном виде и как обеспечить к ним удобный и быстрый доступ (если доступ не обеспечен, то это не хранение). Для обеспечения доступа необходимо, чтобы данные имели упорядоченную структуру. При этом образуются адресные данные. Без них нельзя получить доступ к нужным элементам данных, входящих в структуру.

В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом.

Файл - это именованная последовательность байтов произвольной длины . Поскольку файл может иметь нулевую длину, то создание файла заключается в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе - это одна из функций ОС.

Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла.

Поскольку в определении файла нет ограничений на размер, можно представить себе файл, имеющий 0 байтов (пустой файл) , и файл, имеющий любое число байтов.

В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно фактически несет в себе адресные данные, без которых данные, хранящиеся в файле, не станут информацией из-за отсутствия метода доступа к ним. Кроме функций, связанных с адресацией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем. Для автоматических средств работы с данными это важно, поскольку по имени файла (а точнее по его расширению) они могут автоматически определить адекватный метод извлечения информации из файла.

По способам именования файлов различают «короткое » (на имя файла отводится 8 символов, а на его расширение - 3 символа) и «длинное » имя (до 256 символов). Имя файла от его расширения разделяются точкой. Расширение файла является необязательным параметром и может отсутствовать.

В ОС MS DOS имя (не более 8 символов) и расширение (не более 3 символов) могут состоять из прописных и строчных латинских букв, цифр и символов:

- _ $ # & @ ! % () { } " ~ ^

Следует помнить, что для ОС линии MS DOS :

Между именем и расширением ставится точка, не входящая ни в имя, ни в расширение;

Имя файла можно набирать в любом регистре, т.к. для системы все буквы строчные;

Символы, не использующиеся в имени файла

* = + \ ; : , . < > / ?

Имена устройств не могут использоваться в качестве имен файлов:

AUX - имя дополнительного устройства ввода-вывода;

CON - имя клавиатуры при вводе или дисплея при выводе;

LPT1 … LPT3 - имена параллельных портов;

COM1 … COM3 - имена последовательных портов;

PRN - имя печатающего устройства;

NUL - имя фиктивного устройства, эмулирующего выводные операции без реального вывода.

С появлением ОС Windows 95 введено понятие «длинного » имени. Такое имя может содержать до 256 символов, что достаточно для создания содержательных имен файлов. «Длинное » имя может содержать любые символы, кроме девяти специальных:

\ / : * ? " < > |

В имени разрешается использовать пробелы и несколько точек. Расширением имени считаются все символы, идущие после последней точки.

Наряду с «длинным » именем ОС Windows 95/98/Me/2000/XP создают также и короткое имя файла - оно необходимо для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами.

Использование «длинных » имен файлов в последних ОС Windows имеет ряд особенностей .

1. Если «длинное » имя файла включает пробелы, то в служебных операциях его надо заключать в кавычки. Рекомендуется не использовать пробелы, а заменять их символами подчеркивания.

2. В корневой папке диска (на верхнем уровне иерархической файловой структуры) нежелательно хранить файлы с длинными именами - в отличие от прочих папок в ней ограничено количество единиц хранения (чем длиннее имена, тем меньше файлов можно разместить в корневой папке).

3. Кроме ограничения на длину имени файла (256 символов) существует гораздо более жесткое ограничение на длину полного имени файла (в него входит путь доступа к файлу, начиная от вершины иерархической структуры). Полное имя не может быть длиннее 260 символов.

4. Разрешается использовать символы любых алфавитов, в том числе и русского, но если документ готовится для передачи, с заказчиком необходимо согласовать возможность воспроизведения файлов с такими именами на его оборудовании.

5. Прописные и строчные буквы не различаются ОС. Имена Письмо.txt и письмо. txt соответствуют одному и тому же файлу.

6. Программисты давно научились использовать расширение имени файла для передачи ОС, исполняющей программе или пользователю сведений о том, к какому типу относятся данные, содержащиеся в файле, и о формате, в котором они записаны. Приложения систем предлагают выбрать только основную часть имени и указать тип файла, а соответствующее расширение имени приписывают автоматически.

В зависимости от расширения все файлы делятся на две большие группы: исполняемые и неисполняемые.

Исполняемые файлы - это такие файлы, которые могут выполняться самостоятельно, т.е. не требуют каких-либо специальных программ для их запуска. Имеют следующие расширения:

· ехе - готовый к исполнению файл (winrar.exe ; winword.exe );

· сот - файл операционной системы (command.com );

· sys - файл операционной системы (io.sys ) - обычно это драйвер внешнего устройства;

· bat - командный файл операционной системы MS DOS (autoexec.bat ).

Неисполняемые файлы для запуска требуют установки специальных программ. Так, например, для того чтобы просмотреть текстовый документ, требуется наличие какого-либо текстового редактора. По расширению неисполняемого файла можно судить о типе данных, хранящихся в данном файле. Приведем некоторые стандартные расширения и названия программ, предназначенных для работы с файлами указанных расширений:

ASM - текст программы на языке ассемблер ;

AVI, MPEG, MPG, WMV и т.д. - различные форматы видеофайлов, для просмотра можно воспользоваться, например, Windows Media Player - тип данных: изображение;

BAK - старая версия файла;

BAS - текст программы на языке Бейсик ;

BMP - документ, созданный в графическом редакторе, например, Paint - тип данных: изображение;

C - текст программы на языке Си ;

CDR CorelDraw - тип данных: изображение;

CPP - текст программы на языке C ++;

dbf - файл базы данных, созданный, например, в СУБД FoxPro ;

DOC - документ, созданный в текстовом процессоре Microsoft Word - тип данных: текст;

DWG, DXF - графические файлы, созданные в AutoCAD ;

HTML - документ, рассчитанный на публикацию в Интернете;

LIB - библиотека (обычно объектных модулей);

MDB - файл базы данных, созданный в СУБД Microsoft Access ;

MP3, MID, WMA, WAV – различные форматы звуковых файлов - тип данных: звук;

OBJ - объектный модуль;

PAS - текст программы на языке Паскаль ;

PDF - PDF -документ, созданный и предназначенный для просмотра в программе Adobe Reader ;

PPT - файл презентации, созданной в Microsoft PowerPoint ;

PSD - графический файл, созданный в графическом процессоре Adobe Photoshop ;

RAR WinRar ;

RTF - документ, созданный в текстовом редакторе WordPad ;

TIF, GIF, JPG - различные форматы графических файлов;

TMP - временный файл;

TXT - текстовый файл, например, созданный в программе Блокнот ;

XLS - электронная книга, созданная в табличном процессоре Microsoft Excel - тип данных: символы (текст или числа);

ZIP - архивный файл, созданный программой архиватором WinZip .

Кроме имени и расширения имени файла операционная система хранит для каждой файла дату его создания (изменения) и несколько флаговых величин, называемых атрибутами файла. Атрибуты - это дополнительные параметры, определяющие свойства файлов . Операционная система позволяет их контролировать и изменять. Состояние атрибутов учитывается при проведении автоматических операций с файлами.

Основных атрибутов четыре:

· Только для чтения (Read only);

· Скрытый (Hidden);

· Системный (System);

· Архивный (Archive).

Атрибут «Только для чтения» ограничивает возможности работы с файлом. Его установка означает, что файл не предназначен для внесения изменений.

Атрибут «Скрытый» сигнализирует операционной системе о том, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Это мера защиты против случайного (умышленного или неумышленного) повреждения файла.

Атрибутом «Системный» помечаются файлы, обладающие важными функциями для работы самой операционной системы. Его отличительная особенность в том, что средствами операционной системы его изменить нельзя. Как правило, большинство файлов, имеющих установленный атрибут «Системный» , имеют также и установленный атрибут «Скрытый» .

Атрибут «Архивный» в прошлом использовался для работы программ резервного копирования. Предполагалось, что любая программа, изменяющая файл, должна автоматически устанавливать этот атрибут, а средство резервного копирования должно его сбрасывать. Таким образом, очередному резервному копированию подлежали только те файлы, у которых этот атрибут был установлен. Современные программы резервного копирования используют другие средства для установления факта изменения файла, и данный атрибут во внимание не принимается, а его изменение вручную средствами операционной системы не имеет практического значения.

Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в данном случае называется файловой структурой (рис. 1).

Рис. 1. Иерархическая структура диска

Файловая структура - иерархическая структура, в виде которой операционная система отображает файлы и каталоги (папки).

В качестве вершины структуры служит имя носителя , на котором сохраняются файлы. Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (рис. 1).

Имена внешних носителей информации. Диски, на которых хранится информация в компьютере, имеют свои имена - каждый диск назван буквой латинского алфавита, а затем ставится двоеточие. Так, для дискет всегда отводятся буквы А: и В: . Логические диски винчестера именуются, начиная с буквы С: . После всех имен логических дисков следуют имена дисководов для компакт-дисков. Например, установлены: дисковод для дискет, винчестер, разбитый на 3 логических диска и дисковод для компакт-дисков. Определить буквы всех носителей информации. А: - дисковод для дискет; С: , D: , Е: - логические диски винчестера; F: - дисковод для компакт-дисков.

Каталог (папка ) - место на диске (специальный системный файл), в котором хранится служебная информация о файлах (имя, расширение, дата создания, размер и т.д.) . Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными. Каталог верхнего уровня (надкаталог) по отношению к каталогам более низкого уровня, называют родительским. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска (рис. 1). Каталог, с которым работает пользователь в настоящий момент, называется текущим .

Правила присвоения имени каталогу ничем не отличаются от правил присвоения имени файлу, хотя для каталогов не принято задавать расширения имен. При записи пути доступа к файлу, проходящего через систему вложенных каталогов, все промежуточные каталоги разделяются между собой определенным символом. Во многих ОС в качестве такого символа используется «\» (обратная косая черта).

Требование уникальности имени файла очевидно - без этого невозможно гарантировать однозначность доступа к данным. В средствах вычислительной техники требование уникальности имени обеспечивается автоматически - создать файл с именем, тождественным уже имеющемуся, не могут ни пользователь, ни автоматика.

Когда используется файл не из текущего каталога, программе, осуществляющей доступ к файлу, необходимо указать, где именно этот файл находится. Это делается с помощью указания пути к файлу.

Путь к файлу - это имя носителя (диска) и последовательность имен каталогов, в ОС Windows разделенных символом «\» (в ОС линии UNIX используется символ «/»). Этот путь задает маршрут к тому каталогу, в котором находится нужный файл.

Для указания пути к файлу используют два различных метода. В первом случае каждому файлу дается абсолютное имя пути (полное имя файла), состоящее из имен всех каталогов от корневого до того, в котором содержится файл, и имени самого файла. Например, путь С:\Abby\Doc\otchet.doc означает, что корневой каталог диска С: содержит каталог Abby , который, в свою очередь, содержит подкаталог Doc , где находится файл otchet.doc . Абсолютные имена путей всегда начинаются от имени носителя и корневого каталога и являются уникальными. Применяется и относительное имя пути. Оно используется вместе с понятием текущего каталога. Пользователь может назначить один из каталогов текущим рабочим каталогом. В этом случае все имена путей, не начинающиеся с символа разделителя, считаются относительными и отсчитываются относительно текущего каталога. Например, если текущим каталогом является С:\Abby , тогда к файлу с абсолютным путем С:\Abby\ можно обратиться как Doc\otchet.doc .

Файловые системы . Каждый файл на диске имеет свой адрес. Чтобы понять принцип доступа к информации, хранящейся в файле, необходимо знать способ записи данных на носители информации.

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы - табличный . Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора.

Перед использованием диск размечается на дорожки и секторы (форматируется ). С точки зрения оборудования разметка - это процесс записи на носитель служебной информации, отмечающей конец и начало каждого сектора.

Секторы – это блоки, в которых размещаются данные. Нумеруются, начиная с единицы. Помимо пользовательской информации, секторы содержат служебную информацию, например, собственный номер.

Дорожка - концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при перемещении или поиске данных . Дорожки нумеруются с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске.

Обычный объем сектора - 512 байт. На одной стороне размещается 80 дорожек. Каждая дорожка содержит 18 секторов.

Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения . Физическая структура хранения данных представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Физическая структура хранения информации

Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной-файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT -таблицах). Поскольку нарушение FAT -таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности и она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется Средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения информации является сектор. Поскольку размер FAT- таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайта, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к информации. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Как было сказано ранее, информация на дисках записывается в секторах фиксированной длины, и каждый сектор и расположение каждой физической записи (сектора) на диске однозначно определяется тремя числами: номерами поверхности диска , цилиндра и сектора на дорожке . И контроллер диска работает с диском именно в этих терминах. А пользователь желает использовать не сектора, цилиндры и поверхности, а файлы и каталоги. Поэтому как-то требуется при операциях с файлами и каталогами на дисках перевести это в понятные контроллеру действия: чтение и запись определенных секторов диска. А для этого необходимо установить правила, по которым выполняется этот перевод, то есть, прежде всего, определить, как должна храниться и организовываться информация на дисках. Набор этих правил и называется файловой системой.

Файловая система - это набор соглашений, определяющих организацию данных на носителях информации . Наличие этих соглашений позволяет операционной системе, другим программам и пользователям работать с файлами и каталогами, а не просто с участками (секторами) дисков. Файловая система определяет:

· как хранятся файлы и каталоги на диске;

· какие хранятся сведения о файлах и каталогах;

· как можно узнать, какие участки диска свободны, а какие - нет;

· формат каталогов и другой служебной информации на диске.

Для использования дисков, записанных (размеченных) с помощью некоторой файловой системы, операционная система или специальная программа должна поддерживать эту файловую систему.

Файловая система, наиболее распространенная на IBM PC -совместимых компьютерах, была введена еще в начале 80-х годов в операционных системах MS DOS 1.0 и 2.0. Эта файловая система достаточно примитивна, так как она была создана для хранения данных на дискетах. Обычно эта файловая система называется FAT , так как самой важной структурой данных в ней является таблица размещения файлов на диске, по-английски - file allocation table, сокращенно - FAT . Эта таблица содержит информацию о том, какие участки (кластеры) диска свободны, и о цепочках кластеров, образующих файлы и каталоги.

В файловой системе FAT имена файлов и каталогов должны состоять не более чем из 8 символов плюс три символа в расширении имени. Она приводит к значительным потерям (до 20%) дискового пространства из-за больших размеров кластеров на дисках высокой емкости. Это связано с тем, что в конце последнего кластера файла остается свободное место, в среднем равное половине кластера. А на больших дисках размер кластеров FAT может достигать 32 Кбайт. Таким образом, на диске емкостью
2 Гбайта с 20000 файлов потери составят 320 Мбайт, то есть около 16%. Наконец, файловая система FAT малопроизводительна, особенно для больших дисков, не приспособлена к многозадачной работе (все операции требуют обращений к таблице размещения файлов, а потому до завершения одной операции нельзя начинать другую).

При разработке Windows 95 фирма Microsoft решила не вводить новую файловую систему, а залатать имеющуюся файловую систему FAT , позволив присваивать файлам и каталогам длинные имена. Эта файловая система стала называться FAT 32 . Принятый в Windows 95 подход хорош тем, что позволяет использовать старые диски с файловой системой FAT - на них просто начинают записываться длинные имена. Но все же это решение весьма искусственное, и многие программы - для починки файловой системы дисков, «сжатия» дисков, резервного копирования и т.д. - могут привести к потере длинных имен на диске. FAT 32 поддерживает меньшие размеры кластеров, что позволяет более эффективно использовать дисковое пространство.

При разработке операционной системы Windows NT была создана новая файловая система - NTFS . Она была ориентирована на диски большого объема, содержащие множество файлов, в них приняты существенные меры по обеспечению эффективности хранения данных и контроля доступа к ним. Эта файловая система поддерживает длинные имена файлов. На логических дисках емкостью 1-2 Гбайта файловая система NTFS позволяет хранить в среднем на 10-15% больше информации, чем FAT . А доступ к файлам в ней осуществляется заметно быстрее, особенно в многозадачной среде.

При формировании файловой системы NTFS программа форматирования создает файл Master File Table (MTF ) и другие области для хранения метаданных. Метаданные используются NTFS для реализации файловой структуры. Первые 16 записей в MTF зарезервированы самой NTFS . Местоположение файлов метаданных записано в загрузочном секторе диска. Если первая запись в MTF повреждена, NTFS считывает вторую запись для нахождения копии первой. Полная копия загрузочного сектора располагается в конце тома. В MTF хранятся метаданные, такие как копия первых четырех записей (гарантирует доступ к MTF в случае, если первый сектор поврежден). MTF содержит информацию о томе - метку и номер версии. В MTF находится таблица имен атрибутов и описания, корневой каталог и др. Остальные строки MTF содержат записи для каждого файла и каталога, расположенных на данном томе. Разработчики NTFS , не забывая об эффективности, старались также обеспечить надежность файловой системы и восстанавливаемость данных при сбоях. Для этого, в частности, NTFS дублирует всю критически важную информацию и обеспечивает регистрацию всех изменений на дисках в специальном файле регистрации, причем для каждого изменения запоминается и способ его отмены. В результате практически при любых сбоях NTFS автоматически восстанавливается. NTFS также (в отличие от FAT ) может работать с логическими дисками и файлами размером более 2 Гбайт - максимальный размер логических дисков и файлов - 4х10 18 байт.

Сравнительные характеристики файловых систем представлены в табл. 1. Если файловая система на диске не поддерживается данной операционной системой, то вся информация на этом диске окажется недоступной (при работе в этой операционной системе, естественно). Для таких логических дисков может быть либо вообще не назначена буква (то есть к диску нельзя будет обратиться), либо при любом доступе к диску будет выдаваться сообщение об ошибке.

Особая файловая система разработана для компакт-дисков (CD-ROM ). Это оказалось необходимым, так как само физическое устройство компакт-дисков не такое, как у жестких дисков или дискет: в них информация записывается не в кольцевых дорожках, а в единственной спиралеобразной дорожке (как у аудиокомпакт-дисков). Эта файловая система называется CDFS .

Таблица 1

Сравнительные характеристики файловых систем

	NTFS	FAT 32	FAT
Поддерживаемые операционные системы	Windows NT с 4 пакетом обновлений, Windows 2000, Windows XP		MS-DOS, Windows 95 OSR2, Windows 98, Windows Millennium Edition, Windows NT, Windows 2000, Windows XP
Возможные размеры логических дисков	Рекомендуемый минимальный размер логического диска (тома) равен примерно 10 МБ. Допускаются размеры томов свыше 2 ТБ. Не может использоваться для гибких дисков	Логический диск (том) объемом от 512 МБ до 2 ТБ. Может использоваться для гибких дисков	Логический диск (том) объемом до 4 ГБ. Может использоваться для гибких дисков
Возможные размеры хранимых файлов	Максимальный размер файла ограничен только размером тома	Максимальный размер файла равен 4 ГБ	Максимальный размер файла равен 2 ГБ

Файлы и файловые структуры

Логические времена устройств внешней памяти
К каждому компьютеру может быть подключено несколько устройств внешней памяти. Основным устройством внешней памяти ПК является жесткий диск. Обычно его делят на несколько логических разделов .

Наличие нескольких логических разделов на одном жестком диске обеспечивает пользователю следующие преимущества:

• 
  Можно хранить операционную систему в одном логическом разделе, а данные - в другом, что позволит переустанавливать операционную систему, не затрагивая данные;
• 
  На одном жестком диске в различные логические разделы можно установить разные операционные системы;
• 
  Обслуживание одного логического раздела не затрагивает другие разделы.

Устройства внешней памяти и логические разделы диска имеют логическое имя .

В ОС Windows приняты логические имена, состоящие из латинской буквы и двоеточия:

• 
  для дисководов гибких дисков (дискет) – A: и B:
• 
  для жестких дисков и логических разделов –C:, D:, E: и т.д.
• 
  для оптических дисководов – имена, следующие после жестких дисков (например, F:)
• 
  Для подключаемой к компьютеру флеш-памяти – следующее имя (например, G:)

В ОС Linux приняты другие правила именования дисков:

• 
  Логические разделы, принадлежащие первому жесткому диску – имена hda1, hda2 и т.д.;
• 
  Логические разделы, принадлежащие второму жесткому диску получают имена hdb1, hdb2 и т.д.

Все программы и данные хранятся во внешней памяти компьютера в виде файлов.
^ Файл – это поименованная область внешней памяти.
Файловая система – это часть ОС, определяющая способ организации, хранения и именования файлов на носителях информации.
Файл характеризуется набором параметров (имя, размер, дата создания, дата последнего изменения) и атрибутами, используемыми операционной системой для его обработки (архивный, системный, скрытый, только для чтения). Размер файла выражается в байтах.

Имя файла , как правило, состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имени файла и расширения .

Имя файлу дает пользователь. Расширение имени обычно задается программой автоматически при сохранении файла. Расширение позволяет пользователю его тип, а операционной системе открыть файл с помощью нужного приложения.
В ОС Windows в имени файла зап0рещено использование следующих символов: \, /, :, *, ?, ”, |. В Linux эти символы, кроме /, допустимы.

Операционная система Linux, в отличие от Windows, различают строчные и прописные буквы в имени файла: например FILE.txt, file.txt и FiLe.txt – это в Linux три разных файла.

Наиболее распространенные типы файлов и расширений:

Тип файла	Примеры расширений
Системный файл	drv, sys
Текстовый файл	txt, rtf, doc, docx, odt
Графический файл	bmp, gif, jpg, tif, png, psd
Web-страница	htm, html
Звуковой файл	wav, mp3, midi, kar, ogg
Видеофайл	avi, mpeg
Архив	zip, rar
Электронная таблица	xls, ods
Код (текст) программы на языках программирования	bas, pas

В ОС Linux выделяют следующие типы файлов:

• 
  обычные файлы – файлы с программами и данными
• 
  каталоги – файлы, содержащие информацию о каталогах
• 
  ссылки – файлы, содержащие ссылки на другие файлы
• 
  специальные файлы устройств – файлы, используемые для представления физических устройств компьютера (жестких и оптических дисководов, принтера, звуковых колонок и т.д.)

Каталоги
На каждом компьютере или носителе информации может находиться большое количество файлов. Для удобства поиска информации файлы по определенным признакам объединяются в группы, называемые каталогами или папками .
Каталоги также получают собственное имя. Каталог сам может входить в состав другого, внешнего по отношению к нему каталога. Каждый каталог может содержать множество файлов и вложенных каталогов.

Каталог – это поименованная совокупность файлов и подкаталогов (вложенных каталогов).
Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом .

В ОС Windows любой информационный носитель имеет корневой каталог, который создается операционной системой без участия пользователя. Обозначаются корневые каталоги добавлением к логическому имени соответствующего устройства внешней памяти знака «\» (обратный слеш): А:\, С:\, В:\ и т.д.

В Linux каталоги жестких дисков или их логических разделов не принадлежат верхнему уровню файловой системы (не являются корневыми каталогами). Они «монтируются» в каталог mnl. Другие устройства внешней памяти (гибкие, оптические и флеш-диски) «монтируются» в каталог media. Каталоги mnt и media в свою очередь, «монтируются» в единый корневой каталог, который обозначается знаком «/» (прямой слеш).

Файловая структура диска – это совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними.

Файловые структуры бывают простыми и многоуровневыми (иерархическими).

Простые файловые структуры могут использоваться для дисков с небольшим (до нескольких десятков) количеством файлов. В этом случае оглавление диска представляет собой линейную последовательность имен файлов.
Иерархические файловые структуры используются для хранения большого (сотни и тысячи) количества файлов. Иерархия – это расположение частей (элементов) целого в порядке от высшего к низшим.

Графическое изображение иерархической файловой структуры называется деревом .

Чтобы обратиться к нужному файлу, хранящемуся на некотором диске, можно указать путь к файлу – имена всех каталогов от корневого до того, в котором непосредственно находится файл.

Последовательно записанные путь к файлу и имя файла составляют полное имя файла .
Пример полного имени файла в ОС Windows:

E:\изображения\фото\Поездка.jpeg