С разными видами файловых систем мы сталкиваемся преимущественно при форматировании накопителей — сегодня почти исключительно жестких дисков и USB-флешек. Как правило, для первых почти автоматически выбирают NTFS, для вторых — FAT32 или exFAT. Иногда в свойствах подключенного диска файловая система обозначается как FAT. На самом деле такой файловой системы не существует, а FAT — это название общего типа, в который входят FAT8, FAT12, FAT16 и FAT32. На сегодняшний день первые ушли далеко в прошлое, и FAT в свойствах диска обозначает файловую систему FAT16.

Определение

FAT (в контексте FAT16) — 16-битная архитектура файловой системы, применяющаяся для жестких дисков и других накопителей малого объема.

FAT32 — 32-битная архитектура файловой системы, применяющаяся для накопителей и жестких дисков объема от 512 МБ до 2 ТБ, использующаяся в операционных системах Windows 98, Windows 95 OSR2 и Windows 2000.

Сравнение

Файловая система FAT потеряла актуальность с увеличением объемов накопителей. Сегодня ее применяют разве что в дискетах формата 3,5 дюйма. В FAT32 форматируются флеш-накопители, карты памяти и жесткие диски для старых операционных систем. FAT поддерживается и распознается всеми популярными ОС, FAT32 — только ОС семейства Windows до 2000 версии и последние версии DOS.

В FAT32 не поддерживаются логические диски (не путать с физическими накопителями), объем которых меньше 512 МБ, FAT неэффективна с логическими дисками объемом свыше 256 МБ. Соответственно, максимальный объем тома для FAT32 составляет 2 ТБ, для FAT — 2 ГБ. FAT32 эффективнее использует дисковое пространство за счет меньшего размера кластеров.

Файловая система FAT32 не поддерживает сжатие диска, тогда как в FAT сжать диск можно с помощью специальных утилит. Зато в FAT ограничено количество папок и файлов в корневом каталоге до 512 записей. Файловая система FAT32 считается более надежной и устойчивой за счет возможности перемещения корневого каталога и использования резервной копии файловой таблицы. Загрузочный сектор FAT32 больше, чем в FAT, и хранит бэкапы структуры данных.

Выводы сайт

  1. Файловая система FAT предназначена для накопителей малого объема (до 2 ГБ), FAT32 — до 2 ТБ.
  2. В FAT32 размер кластера меньше.
  3. FAT поддерживается всеми операционными системами, FAT32 — только Windows от 95 до 2000 версий и последними версиями DOS.
  4. В FAT32 не поддерживаются логические диски объемом менее 512 МБ.
  5. FAT32 эффективнее использует дисковое пространство.
  6. FAT32 не поддерживает сжатие диска.
  7. В FAT ограничено количество записей в корневом каталоге до 512.
  8. FAT32 более устойчивая и надежная.

Каждый, кто когда-либо инсталлировал операционную систему, сталкивался с тем, что на этапе форматирования установочного раздела жесткого диска программа предлагает выбрать тип файловой системы FAT или NTFS.

А тем, кому довелось выполнять форматирование флешки или другого внешнего накопительного устройства нужно было определиться между тремя файловыми системами FAT32, NTFS и exFAT. Чаще всего пользователи выбирают форматирование, предложенное по умолчанию, так как не знают, какова их разница.

Данная статья адресована тем, кто желает восполнить этот пробел в своих знаниях.

Файловая структура FAT: принципы и назначение

Файловая структура или File system была разработана в 70-х годах прошлого столетия компанией Microsoft и представляла собой определенный порядок организации пространства для хранения и доступа к данным на компьютерах и других цифровых устройствах.

Назначением функционала является обеспечение пользователю удобного управления информацией, хранящейся на диске или внешнем гаджете. В файловую систему входят файлы, папки и каталоги, а также комплекс системных инструментов, реализующих взаимодействие с ними для выполнения функций чтения-записи, создания-удаления, копирования, именования и т.п. Кроме того, данная структура организует совместный доступ к информации между пользователями и обеспечивает защиту от несанкционированных действий путем шифрования, работы в режиме «только чтение» и прочее.

Структурно вся область дискового пространства поделена на кластеры, как лист бумаги в клетку. Каждая клетка – это блок, размер которого задается при форматировании и должен быть кратным 2. Минимальный размер может быть 512 байт (у флешки), для жесткого диска он составляет 32 Кб. Один файл может занимать несколько таких кластеров. Образно можно представить дисковое пространство в виде тетради, где кластер – это буква, файл – слово, а файловая структура – оглавление тетради.

При обращении к файлу, операционная система должна найти его в нескольких кластерах, расположенных в разных местах на диске, так образуется цепочка кластеров. Каждый кластер имеет свою метку, которая определяет его как один из трех видов:

  1. Свободный, готовый к записи данных.
  2. Занятый, который хранит часть информации и имеющий в метке данные о следующем кластере в цепочке, при этом последний помечается особой меткой.
  3. BAD-блок – кластер с ошибками, который стане недоступен после форматирования.

Размер метки определяется видом файловой структуры: для FAT32 он равен 32 байтам.

Вся файловая система состоит из следующих частей:

  • загрузочного сектора, который располагается в начале диска, активируется после загрузки ОС и хранит параметры раздела;
  • таблицы размещения файлов («оглавления»), хранящей метки кластеров;
  • копии таблицы размещения файлов, чтобы восстановить данные при повреждении файловой структуры;
  • корневого каталога;
  • области данных;
  • цилиндра для выполнения операций чтения/записи.

Всего существует три типа файловой системы FAT: FAT12, FAT16 и FAT32. На смену FAT пришла NTFS, а exFAT является расширенной версией FAT32 и используется в основном для флеш-накопителей.

Достоинства и недостатки файловых структур FAT32, NTFS и exFAT

Для того чтобы определиться с выбором наиболее оптимальной файловой системы при форматировании, рассмотрим описания всех трех вариантов, останавливаясь на достоинствах и недостатках каждой.

FAT32

Среди трех рассматриваемых файловых структур FAT32 является самой старшей. Она пришла на смену FAT16 и до недавнего времени была наиболее прогрессивной. Выход FAT32 приурочили к выпуску операционной системы Windows 95 OSR2 в 1996 году. Главные отличительные особенности: 32-разрядная адресация кластеров и ограничения в размерах: файла не более 4 Гб и тома в 128 Гб.

Достоинства

Несмотря на некоторую моральную отсталость, FAT32 обладает рядом преимуществ перед другими файловыми системами. Ее главная привлекательность - совместимость и универсальность. FAT32 работает со всеми версиями операционных систем, включая Windows (сравнение всех версий), Linux и MacOS, подходит к любыми игровым консолям и прочим гаджетам с USB портом. Сегодня она используется во всех внешних накопителях (флешках, CD-картах) по умолчанию, так как многие старые устройства: ПК, ноутбуки, приставки с USB-входом могут работать только с FAT32.

Другими важными достоинствами файловой системы являются: высокоскоростная производительность, нетребовательность к объему оперативной памяти, продуктивная работа с файлами среднего и небольшого размера, а также небольшая изнашиваемость диска из-за меньших движений головки. Впрочем, она также подвержена фрагментации, и периодическая дефрагментация не помешает однозначно.

Недостатки

Главным минусом данной файловой системы являются ограничения в размере. Для кластеров он не может быть более 64 Кб, иначе некоторые приложения могут неправильно рассчитывать дисковое пространство.

Размер файла не должен превышать 4 ГБ, таким образом, максимальный размер диска при размере кластера для таблицы размещения файлов в 32 КБ будет около 8 ТБ.

При форматировании диска средством ScanDisk, являющимся 16-разрядной программой, с учетом самих таблиц FAT и при максимальном размере кластера в 32 КБ размер тома ограничивается 128-ю гигабайтами.

С учетом того, что не многие компьютерные устройства оснащены винчестером объемом более 8 Тб, этот недостаток не будет ощутимым для большинства пользователей. Однако тот момент, что FAT32 работает с файлами размером до 4 Гб, является существенным минусом, так как большинство качественных видеофайлов современного формата 4К сегодня имеют размер свыше этих 4 Гб, а значит, не совместимы с данной файловой системой.

Кроме ограничений в размерах, FAT32 имеет другие недостатки. Она не поддерживает длинные имена файлов, что не очень удобно пользователям, которые желают идентифицировать файлы по логическому принципу, исходя из его содержимого. Есть претензии к системе безопасности (не помешает дополнительный антивирусный сканер) и защищенности файлов при сбоях (особенности жестких дисков), а также низкая скорость при работе с каталогами, содержащими множество файлов.

Таким образом, FAT32 больше годится для переносных не слишком емких устройств и старых компьютеров. Последние версии Windows уже невозможно установить на диск, отформатированный с системой FAT32, необходимо переформатирование в NTFS.

Главное применение файловой системы FAT32 сегодня – это переносные флешки и SD-карты (особенности), которые содержат не много файлов и совместимы с разнообразными цифровыми устройствами.

NTFS

Данная файловая система была разработана компанией Microsoft в 1993 году и представлена вместе версией Windows NT 3.1. В самом названии new technology file system , что означает файловая система новой технологии , заложена ее прогрессивная сущность.

После форматирования диска в системе NTFS он делится на три зоны:

  • MFT - зона или общая таблица файлов (Master File Table), где хранится информация о файлах и каталогах;
  • данные пользователя;
  • метафайлы, в которых содержится служебная информация.

Каждый из метафайлов ответственен за определённую область. Например, LogFile - это файл журналирования, в котором выполняется запись всех операций в журнал, Boot – загрузочный сектор, Bitmap контролирует свободное место в разделе и т.п. Такая структура надежно защищает файлы от любых сбоев, будь то зависания ОС или отключение электричества.

Достоинства

В отличие от FAT32 в данной файловой структуре практически отсутствуют ограничения в объеме файлов и каталогов. Размер кластера может варьироваться от 512 байт до 64 Кб, оптимальным считается размер в 4 Кб.

Благодаря множеству существенных доработок для повышения безопасности, таких как поддержка прав доступа к файлам, HPFS квотирование, шифрование, журналирование, разграничение доступа и аудит, жесткие ссылки и прочее, NTFS является идеальной для форматирования диска под системную область. Прочие разделы винчестера также могут быть отформатированы в данной системе, так как NTFS позволяет оптимально использовать дисковое пространство при наличии множеств мелких файлов.

Достоинством этой файловой организации является быстрая скорость доступа к файлам небольшого размера, высокая производительность при работе с большими файлами, а также возможность использования длинных названий файлов.

Недостатки

Главным минусом системы NTFS является несовместимость со всеми операционными системами ниже Windows NT, а также ограничения в совместимости с прочими ОС. Так, Mac OS читает файлы с дисков NTFS, но не может выполнять их запись, такая же ситуация с совместимостью файлов Linux. Самые популярные игровые консоли Playstation и Xbox 360 не работают с NTFS, только Xbox One может с ней взаимодействовать.

Среди недостатков NTFS можно назвать также высокие требования к объему оперативной памяти, более низкая скорость по сравнению с FAT32 и трудности управления каталогами среднего объема.

Таким образом, целесообразнее использовать файловую структуру NTFS на жестких дисках, в том числе и SSD под управлением последних версий Windows, начиная с NT.

exFAT

Эта файловая система является последней из рассматриваемых по времени выпуска. Она появилась в 2008 году с очередными обновлениями к Windows XP и является, по сути, расширенной версией FAT32.

Главная цель разработчиков – создать производительную, удобную и универсальную файловую структуру для переносных накопительных устройств: флешек, SD-карт и съемных жестких дисков.

Достоинства:

  • Простая организация без специализированных особенностей и ограничений в размерах файлов и раздела.
  • Отличная совместимость со всеми ОС Windows, а также Mac OS и Linux. В последнем варианте необходима установка дополнительного софта.
  • Поддержка со стороны всех современных яблочных девайсов, а также игровых приставок Xbox One и Playstation 4.

Основным недостатком файловой организации exFAT является лицензионная политика Microsoft, запрещающая ее бесплатное использование в открытом доступе.

Наиболее оптимальная файловая структура

Рассмотрев описания трех популярных файловых систем, можно сделать следующие выводы:

  • для компьютерных устройств с операционной системой выше Windows NT целесообразнее будет форматирование жесткого диска в системе NTFS;
  • для старых устройств, а также с целью совместимости с разными современными цифровыми гаджетами, оптимальным вариантом станет выбор FAT32;
  • для любых съемных носителей идеальной будет применение системы

И последнее: информацию о том, какая файловая структура реализована на ваших дисках, можно узнать во вкладке «Общие» (правая клавиша мышки «Свойства»).

Эта статья посвящена файловым системам . При установке ОС Windows предлагает выбрать файловую систему на разделе, где она будет устанавливаться, и пользователи ПК должны выбирать из двух вариантов FAT или NTFS .

В большинстве случаев пользователи довольствуются знанием, что NTFS «лучше» , и выбирают этот вариант.

Однако иногда им становится интересно, а чем именно лучше?

В данной статье я постараюсь объяснить, что такое файловая система, какие они бывают, чем отличаются, и какую стоит использовать.

В статье упрощенны некоторые технические особенности файловых систем для более понятного восприятия материала.

Файловая система – это способ организации данных на носителях информации. Файловая система определяет, где и каким образом на носителе будут записаны файлы, и предоставляет операционной системе доступ к этим файлам.

К современным файловым системам предъявляют дополнительные требования: возможность шифрования файлов, разграничение доступа для файлов, дополнительные атрибуты. Обычно файловая система записана в начале жесткого диска. ().

С точки зрения ОС, жесткий диск – это набор кластеров.

Кластер – это область диска определенного размера для хранения данных. Минимальный размер кластера – 512 байт. Поскольку используется двоичная система счисления, то размеры кластеров кратны степени двойки.

Пользователь может образно представить себе жесткий диск как блокнот в клеточку. Одна клеточка на странице – это один кластер. Файловая система – это содержание блокнота, а файл – слово.

Для жестких дисков в ПК в данный момент наиболее распространены две файловые системы: FAT или NTFS . Сначала появилась FAT (FAT16) , затем FAT32 , а потом NTFS .

FAT (FAT16) – это аббревиатура от File Allocation Table (в переводе Таблица Размещения Файлов ).

Структура FAT была разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году. Использовалась в качестве основной файловой системы в операционных системах DOS и Microsoft Windows (до версии Windows ME).

Существует четыре версии FAT - FAT12 , FAT16 , FAT32 и exFAT . Они отличаются количеством бит, отведённых для хранения номера кластера.

FAT12 применяется в основном для дискет, FAT16 - для дисков малого объёма, а новая exFAT преимущественно для флэш-накопителей. Максимальный размер кластера, который поддерживается в FAT, составляет 64Кб. ()

FAT16 впервые представлена в ноябре 1987 года. Индекс 16 в названии показывает, что для номера кластера используется 16 бит. Вследствие этого максимальный объем раздела диска (тома), который может поддерживать эта система, равен 4Гб.

Позже, с развитием технологий и появлением дисков объемом более 4Гб, появилась файловая система FAT32 . Она использует 32-разрядную адресацию кластеров и появилась вместе с Windows 95 OSR2 в августе 1996 года. FAT32 ограничена в размере тома в 128Гб. Также эта система может поддерживать длинные имена файлов. ().

NTFS (аббревиатура New Technology File System - Файловая Система Новой Технологии ) - стандартная файловая система для семейства операционных систем Microsoft Windows NT.

Представлена 27 июля 1993 вместе с Windows NT 3.1. NTFS разработана на основе файловой системы HPFS (аббревиатура High Performance File System - Высокопроизводительная Файловая Система ), создававшейся Microsoft совместно с IBM для операционной системы OS/2.

Основные особенности NTFS: встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей, а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями), использование системы журналирования для повышения надёжности файловой системы.

Спецификации файловой системы являются закрытыми. Обычно размер кластера равен 4Кб. На практике не рекомендуют создавать тома более 2ТБ. Жесткие диски только достигли таких размеров, возможно в будущем нас ждет новая файловая система. ().

Во время установки ОС Windows ХР предлагается отформатировать диск в системе FAT или NTFS . При этом имеется в виду FAT32 .

Все файловые системы построены на принципе: один кластер – один файл. Т.е. один кластер хранит данные только одного файла.

Основное отличие для обычного пользователя между этими системами – размер кластера. «Давным-давно, когда диски были маленькими, а файлы – очень маленькими» это было очень заметно.

Рассмотрим на примере одного тома на диске объемом 120Гб и файла размером 10Кб.

Для FAT32 размер кластера будет 32Кб, а для NTFS – 4Кб.

В FAT32 такой файлзаймет 1 кластер, при этом останется 32-10=22Кб незанятого места.

В NTFS такой файлзаймет 3 кластера, при этом останется 12-10=2Кб незанятого места.

По аналогии с блокнотом кластер – это клетка. И поставив точку в клетку, мы уже логически занимаем ее всю, а в действительности остается много свободного места.

Таким образом, переход от FAT32 к NTFS позволяет более оптимально использовать жесткий диск при наличии большого количества мелких файлов в системе.

В 2003 году у меня был диск на 120Гб, разделенный на тома по 40 и 80Гб. Когда я перешел с Windows 98 на Windows ХР и конвертировал диск с FAT32 в NTFS , я получил около 1Гб освободившегося места на диске. В то время это была существенная «прибавка».

Чтобы узнать, какая файловая система используется на томах жесткого диска Вашего ПК, надо открыть окно свойств тома и на закладке «Общие» прочитать эти данные.

Том – это синоним раздела диска, пользователи том обычно называют «диск С», «диск Д» и т.д. Пример показан на картинке ниже:

В настоящий момент широко используются диски объемом 320Гб и больше. Поэтому я рекомендую использовать систему NTFS для оптимального использования дискового пространства.

Также, если пользователей на ПК несколько, NTFS позволяет настроить доступ к файлам таким образом, чтобы разные пользователи не могли читать и изменять файлы других пользователей.

В организациях при работе в локальной сети системные администраторы используют и остальные возможности NTFS.

Если Вам будет интересна организация доступа к файлам для нескольких пользователей на одном ПК, то в следующих статьях будет подробно это описано.

При написании статьи использованы материалы сайтов ru.wikipedia.org

Автор статьи: Максим Тельпари
Пользователь ПК с 15-ти летним стажем. Специалист службы поддержки видеокурса "Уверенный пользователь ПК", изучив который Вы научитесь собирать компьютер, устанавливать Windows XP и драйверы, восстанавливать систему, работать в программах и многое другое.

Заработайте на этой статье!
Зарегистрируйтесь в партнерской программе. Замените в статье ссылку на курс на свою партнерскую ссылку. Добавьте статью на свой сайт. Получить версию для перепечатки можно .

О файловых системах читайте в данной статье.

Система управления файлами является основной в абсолютном большинстве со­временных операционных систем. Все современные операционные сис­темы используют файлы и соответствующее программное обеспечение для рабо­ты с ними. Дело в том что, во-первых, через файловую систему связываются по данным многие системные обрабатывающие программы. Во-вторых, с помощью этой системы решаются проблемы централизованного распределения дискового пространства и управления данными. Наконец, пользователи получают более про­стые способы доступа к своим данным, которые они размещают на устройствах внешней памяти.

Существует большое количество файловых систем, созданных для разных уст­ройств внешней памяти и разных операционных систем. В них используются, соответственно, разные принципы размещения данных на носителе. Это системы FAT, FAT32 и NTFS.

Можно сказать, что основное назначение файловой системы и соответствующей ей системы управления файлами - предоставление удобного доступа к данным, организованным в виде файлов, то есть вместо низко­уровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нуж­ной нам записи используется логический доступ с указанием имени файла и запи­си в нем.

Файловая система FAT (File Allocation Table - таблица размещения файлов) по­лучила свое название благодаря простой таблице, в которой указываются:

  • непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенные для раз­мещения в них файлов или их фрагментов; О свободные области дискового пространства;
  • дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не га­рантируют чтение и запись данных без ошибок).

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска де­лится на две области (рис.) системную область и область данных.

Системная область логического диска создается и инициализируется при форма­тировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. Об­ласть данных логического диска содержит обычные файлы и файлы-каталоги; эти объекты образуют иерархию, подчиненную корневому каталогу. Элемент каталога описывает файловый объект, который может быть либо обычным файлом, либо файлом-каталогом. Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном про­странстве друг за другом):

  • загрузочной записи (Boot Record, BR);
  • зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec);
  • таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT);
  • корневого каталога (Root Directory, RDir).

Таблица размещения файлов является очень важной информационной структу­рой. Можно сказать, что она представляет собой адресную карту области данных, в которой описывается и состояние каждого участка области данных, и принад­лежность его к тому или иному файловому объекту,

Всю область данных разбивают на так называемые кластеры. Кластер представля­ет собой один или несколько смежных секторов в логическом дисковом адресном пространстве (точнее - только в области данных). Кластер - это минимальная адресуемая единица дисковой памяти, выделяемая файлу (или некорневому ката­логу). Кластеры введены для того, чтобы уменьшить количество адресуемых еди­ниц в области данных логического диска.

Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом мо­жет быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может приводить к заметной потере дискового пространства. На дискетах кластер зани­мает один или два сектора, а на жестких дисках его размер зависит от объема раз­дела. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или файлу-каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в файло­вой системе FAT16 используется 16-разрядное слово, следовательно, можно иметь до 2 16 = 65 536 кластеров (с номерами от 0 до 65 535).

Поскольку файлы на диске изменяются (удаляются, перемещаются, увеличива­ются или уменьшаются), то упомянутое правило выделения первого свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов, то есть дан­ные одного файла могут располагаться не в смежных кластерах, а порой в очень удаленных друг от друга, образуя сложные цепочки. Естественно, что это приво­дит к существенному замедлению работы с файлами.

В связи с тем, что таблица FAT используется при доступе к диску очень интенсив­но, она обычно загружается в оперативную память (в буферы ввода-вывода или в кэш) и остается там настолько долго, насколько это возможно. Если таблица боль­шая, а файловый кэш, напротив, относительно небольшой, в памяти размещаются только фрагменты этой таблицы, к которым обращались в последнее время.

ВЛАДИМИР МЕШКОВ

Архитектура файловой системы FAT

Общая характеристика файловой системы FAT. Структура раздела с файловой системой FAT

Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом и Марком Макдональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. Чтобы добиться переносимости программ из операционной системы CP/M в 86-DOS, в ней были сохранены ранее принятые ограничения на имена файлов. В дальнейшем 86-DOS была приобретена Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками размером менее 1 Мб и вначале не предусматривала поддержки жёстких дисков.

Структура раздела FAT изображена на рисунке.

В файловой системе FAT дисковое пространство логического раздела делится на две области – системную и область данных (см. рис. 1). Системная область создается и инициализируется при форматировании, а впоследствии обновляется при манипулировании файловой структурой. Системная область файловых систем FAT состоит из следующих компонентов:

  • загрузочная запись (boot record, BR);
  • резервная область;
  • таблицы размещения файлов;
  • область корневого каталога (не существует в FAT32).

Область данных логического диска содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому, и разделена на участки одинакового размера – кластеры. Кластер может состоять из одного или нескольких последовательно расположенных на диске секторов. Число секторов в кластере должно быть кратно 2N и может принимать значения от 1 до 64. Размер кластера зависит от типа используемой файловой системы и объема логического диска.

Назначение, структура и типы таблицы размещения файлов

Своё название FAT получила от одноимённой таблицы размещения файлов – File Allocation Table, FAT. В таблице размещения файлов хранится информация о кластерах логического диска. Каждому кластеру соответствует элемент таблицы FAT, содержащий информацию о том, свободен данный кластер или занят данными файла. Если кластер занят под файл, то в соответствующем элементе таблицы размещения файлов указывается адрес кластера, содержащего следующую часть файла. Номер начального кластера, занятого файлом, хранится в элементе каталога, содержащего запись об этом файле. Последний элемент списка кластеров содержит признак конца файла (EOF – End Of File). Первые два элемента FAT являются резервными.

Файловая система FAT всегда заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет самый первый свободный кластер в таблице размещения файлов. Если в процессе работы одни файлы были удалены, а другие изменились в размере, то появляющиеся в результате пустые кластеры будут рассеяны по диску. Если кластеры, содержащие данные файла, расположены не подряд, то файл оказывается фрагментированным.

Существуют следующие типы FAT – FAT12, FAT16, FAT32. Названия типов FAT ведут свое происхождение от размера элемента: элемент FAT12 имеет размер 12 бит (1,5 байт), FAT16 – 16 бит (2 байта), FAT32 – 32 бита (4 байта). В FAT32 четыре старших двоичных разряда зарезервированы и игнорируются в процессе работы операционной системы.

Корневой каталог

За таблицами размещения файлов следует корневой каталог. Каждому файлу и подкаталогу в корневом каталоге соответствует 32-байтный элемент каталога (directory entry), содержащий имя файла, его атрибуты (архивный, скрытый, системный и «только для чтения»), дату и время создания (или внесения в него последних изменений), а также прочую информацию. Для файловых систем FAT12 и FAT16 положение корневого каталога на разделе и его размер жестко зафиксированы. В FAT32 корневой каталог может быть расположен в любом месте области данных раздела и иметь произвольный размер.

Форматы имен файлов

Одной из характеристик ранних версий FAT (FAT12 и FAT16) является использование коротких имен файлов. Короткое имя состоит из двух полей – 8-байтного поля, содержащего собственно имя файла, и 3-байтного поля, содержащего расширение (формат «8.3»). Если введенное пользователем имя файла короче 8 символов, то оно дополняется пробелами (код 0x20); если введенное расширение короче трёх байтов, то оно также дополняется пробелами.

Структура элемента каталога для короткого имени файла представлена в таблице 1.

Первый байт короткого имени выполняет функции признака занятости каталога:

  • если первый байт равен 0xE5, то элемент каталога свободен и его можно использовать при создании нового файла;
  • если первый байт равен 0x00, то элемент каталога свободен и является началом чистой области каталога (после него нет ни одного задействованного элемента).

Таблица 1. Структура элемента каталога для короткого имени файла

Смещение

Размер (байт) Содержание
0x00 11 Короткое имя файла
0x0B 1 Атрибуты файла
0x0C 1 Зарезервировано для Windows NT.
0x0D 1 Поле, уточняющее время создания файла (содержит десятки миллисекунд). Поле обрабатывается только в FAT32
0x0E 1 Время создания файла. Поле обрабатывается только в FAT32
0x10 2 Дата создания файла. Поле обрабатывается только в FAT32
0x12 2 Дата последнего обращения к файлу для записи или считывания данных. Поле обрабатывается только в FAT32
0x14 2 Старшее слово номера первого кластера файла. Поле обрабатывается только в FAT32
0x16 2 Время выполнения последней операции записи в файл
0x18 2 Дата выполнения последней операции записи в файл
0x1A 2 Младшее слово номера первого кластера файла
0x1C 4 Размер файла в байтах

На использование ASCII-символов в коротком имени накладывается ряд ограничений:

  • нельзя использовать символы с кодами меньше 0x20 (за исключением кода 0x05 в первом байте короткого имени);
  • нельзя использовать символы с кодами 0x22, 0x2A, 0x2B, 0x2C, 0x2E, 0x2F, 0x3A, 0x3B, 0x3C, 0x3D, 0x3E, 0x3F, 0x5B, 0x5C, 0x5D, 0x7C;
  • нельзя использовать символ пробела (0x20) в первом байте имени.

В файловых системах FAT32 и VFAT (виртуальная FAT, расширение FAT16) включена поддержка длинных имен файлов (long file name, LFN). Для хранения длинного имени используются элементы каталога, смежные с основным элементом. Имя файла записывается не ASCII-символами, а в Unicode. В одном элементе каталога можно сохранить фрагмент длиной до 13 символов Unicode. Неиспользованный участок последнего фрагмента заполняется кодами 0xFFFF. Структура элемента каталога для длинного имени файла представлена в таблице 2.

Таблица 2. Структура элемента каталога для длинного имени файла

Смещение Размер (байт) Содержание
0x00 1 Номер фрагмента
0x01 10 Символы 1-5 имени файла в Unicode
0x0B 1 Атрибуты файла
0x0C 1 Байт флагов
0x0D 1 Контрольная сумма короткого имени
0x0E 12 Символы 6-11 имени файла в Unicode
0x1A 2 Номер первого кластера (заполняется нулями)
0x1C 4 Символы 12-13 имени файла в Unicode

Загрузочный сектор

В первом секторе логического диска с системой FAT располагается загрузочный сектор и блок параметров BIOS. Начальный участок данного блока для всех типов FAT идентичен (таблица 3). Различия в структуре загрузочных секторов для разных типов FAT начинаются со смещения 0x24. Для FAT12 и FAT16 структура имеет вид, показанный в таблице 4, для FAT32 – в таблице 5.

Таблица 3. Начальный участок загрузочного сектора

Смещение Размер, байт Описание
0x00 3 Безусловный переход (jmp) на загрузочный код
0x03 8 Идентификатор фирмы-изготовителя
0x0B 2 Число байт в секторе (512)
0x0D 1 Число секторов в кластере
0x0E 2 Число резервных секторов в резервной области раздела, начиная с первого сектора раздела
0x10 1 Число таблиц (копий) FAT
0x11 2 Для FAT12/FAT16 - количество 32-байтных дескрипторов файлов в корневом каталоге; для FAT32 это поле имеет значение 0
0x13 2 Общее число секторов в разделе; если данное поле содержит 0, то число секторов задается полем по смещению 0x20
0x15 1 Тип носителя. Для жесткого диска имеет значение 0xF8; для гибкого диска (2 стороны, 18 секторов на дорожке) – 0xF0
0x16 2 Для FAT12/FAT16 это поле содержит количество секторов, занимаемых одной копией FAT; для FAT32 это поле имеет значение 0
0x18 2 Число секторов на дорожке (для прерывания 0x13)
0x1A 2 Число рабочих поверхностей (для прерывания 0x13)
0x1C 4 Число скрытых секторов перед разделом
0x20 4 Общее число секторов в разделе. Поле используется, если в разделе свыше 65535 секторов, в противном случае поле содержит 0.

Таблица 4. Структура загрузочного сектора FAT12/FAT16

Смещение Размер, байт Описание 0x24 1 Номер дисковода для прерывания 0х13 0x25 1 0x26 1 Признак расширенной загрузочной записи (0x29) 0x27 4 Номер логического диска 0x2B 11 Метка диска 0x36 8 Текстовая строка с аббревиатурой типа файловой системы

Таблица 5. Структура загрузочного сектора FAT32

Размер, байт Описание 4 Количество секторов, занимаемых одной копией FAT 2 Номер активной FAT 2 Номер версии FAT32: старший байт - номер версии, младший – номер ревизии. В настоящее время используется значение 0:0 4 Номер кластера для первого кластера корневого каталога 2 Номер сектора структуры FSINFO в резервной области логического диска 2 Номер сектора(в резервной области логического диска), используемого для хранения резервной копии загрузочного сектора 12 Зарезервировано (содержит 0)

Смещение
0x24
0x28
0x2A
0x2С
0x30
0x32
0x34

Кроме перечисленных в таблицах 2-го и 3-го полей, нулевой сектор логического диска должен содержать в байте со смещением 0x1FE код 0x55, а в следующем байте (смещение 0x1FF) – код 0xAA. Указанные два байта являются признаком загрузочного диска.

Таким образом, загрузочный сектор выполняет две важные функции: описывает структуру данных на диске, а также позволяет осуществить загрузку операционной системы.

На логическом диске с организацией FAT32 дополнительно присутствует структура FSInfo, размещаемая в первом секторе резервной области. Эта структура содержит информацию о количестве свободных кластеров на диске и о номере первого свободного кластера в таблице FAT. Формат структуры описан в таблице 6.

Таблица 6. Структура сектора FSInfo и резервного загрузочного сектора FAT32

Размер, байт Описание 4 Значение 0x41615252 – сигнатура, которая служит признаком того, данный сектор содержит структуру FSInfo 480 Зарезервировано (содержит 0) 4 Значение 0x61417272 (сигнатура) 4 Содержит текущее число свободных кластеров на диске. Если в поле записано значение 0xFFFFFFFF, то число свободных кластеров неизвестно, и его необходимо вычислять 4 Содержит номер кластера, с которого дисковый драйвер должен начинать поиск свободных кластеров. Если в поле записано значение 0xFFFFFFFF, то поиск свободных кластеров нужно начинать с кластера номер 2 12 Зарезервировано (содержит 0) 4 Сигнатура 0xAA550000 – признак конца структуры FSInfo

Смещение
0x000
0x004
0x1E4
0x1E8
0x1EC
0x1F0
0x1FC

Для доступа к содержимому файла, находящемуся на разделе с файловой системой FAT, необходимо получить номер первого кластера файла. Этот номер, как мы уже установили, входит в состав элемента каталога, содержащего запись о файле. Номеру первого кластера соответствует элемент таблицы FAT, в котором хранится адрес кластера, содержащего следующую часть файла. Элемент FAT, соответствующий последнему кластеру в цепочке, содержит сигнатуру конца файла. Для FAT12 это значение составляет 0xFFF, для FAT16 – 0xFFFF, для FAT32 – 0xFFFFFFFF.

Рассмотрим программную реализацию алгоритма чтения для каждого типа FAT, и начнём с FAT16.

Все исходные тексты, рассматриваемые в статье, доступны на сайте журнала.

Программная реализация алгоритма чтения файла с логического раздела с файловой системой FAT16

Разработаем модуль, выполняющий чтение N первых кластеров файла, созданного на разделе с файловой системой FAT16. Параметр N (число кластеров для считывания) является переменной величиной и задается пользователем. Имя файла соответствует формату «8.3», т.е. является коротким. Модуль функционирует под управлением ОС Linux.

Определим необходимые заголовочные файлы:

#include

#include

#include

#include

#include

#include "split.h"

Заголовочный файл split.h имеет следующее содержание:

#include

#define SHORT_NAME 13 // максимальная длина короткого имени файла

struct split_name {

U8 name; // имя файла

U8 ext; // расширение файла

Int name_len, // длина имени файла

Ext_len; // длина расширения файла

Cтруктура split_name предназначена для хранения составных частей короткого имени файла (имени и расширения) и их длин.

В заголовочном файле определены структурные типы, описывающие основные компоненты файловой системы FAT – загрузочный сектор, сектор FSInfo, структуры элементов каталога для короткого и длинного имён файлов.

Рассмотрим кратко поля, которые входят в каждую из этих структур.

    1. Структура загрузочного сектора struct fat_boot_sector:
      • __s8 system_id – системный идентификатор;
      • __u8 sector_size – размер сектора в байтах;
      • __u8 cluster_size – размер кластера в секторах;
      • __u16 reserved – число резервных секторов в резервной области раздела;
      • __u8 fats – количество копий FAT;
      • __u8 dir_entries – количество 32-байтных дескрипторов файлов в корневом каталоге;
      • __u8 sectors – число секторов на разделе; если это поле равно 0, используется поле total_sect;
      • __u8 media – тип носителя, на котором создана файловая система;
      • __u16 fat_length – размер FAT в секторах;
      • __u32 total_sect – размер раздела FAT в секторах (если поле sectors == 0).
      • __u32 fat32_length – размер FAT32 в секторах;
      • __u32 root_cluster – номер первого кластера корневого каталога;
      • __u16 info_sector – номер сектора, содержащего структуру FSInfo.

Следующие поля данной структуры используются только FAT32:

  1. Структура сектора FSInfo struct fat_boot_fsinfo:
    • __u32 signature1 – сигнатура 0x41615252;
    • __u32 signature2 – сигнатура 0x61417272;
    • __u32 free_clusters – количество свободных кластеров. Если поле содержит -1, поиск свободных кластеров нужно начинать с кластера номер 2.
  2. Структура элемента каталога короткого имени struct msdos_dir_entry:
    • __s8 name,ext – имя и расширение файла;
    • __u8 attr – атрибуты файла;
    • __u8 ctime_ms – это поле уточняет время создания файла до мс (используется только FAT32);
    • __u16 ctime – время создания файла (используется только FAT32);
    • __u16 cdate – дата создания файла (используется только FAT32);
    • __u16 adate – дата последнего доступа к файлу (используется только FAT32);
    • __u16 starthi – старшие 16 бит номера первого кластера файла (используется только FAT32);
    • __u16 time,date,start – время и дата создания файла, номер первого кластер файла;
    • __u32 size – размер файла (в байтах).
  3. Структура элемента каталога длинного имени:
    • __u8 id – номер элемента;
    • __u8 name0_4 – символы 1 – 5 имени;
    • __u8 attr – атрибуты файла;
    • __u8 alias_checksum – контрольная сумма короткого имени;
    • __u8 name5_10 – символы 6 – 11 имени;
    • __u8 name11_12 – символы 12 – 13 имени.

Продолжим рассмотрение программной реализации алгоритма и определим имя раздела, на котором создана файловая система FAT16:

#ifndef FAT16_PART_NAME

#define FAT16_PART_NAME "/dev/hda1"

#endif

Глобальные структуры:

struct fat_boot_sector fbs; // структура загрузочного сектора

struct msdos_dir_entry dentry; // структура элемента каталога

Глобальные переменные:

U16 *fat16; // сюда копируем таблицу FAT16

U16 sector_size; // размер сектора (из FAT16)

U16 dir_entries; // число 32-байтных дескрипторов

// в root-каталоге (0 для FAT32)

U16 sectors; // общее число секторов в разделе

U32 fat16_size; // размер FAT16

U32 root_size; // размер корневого каталога

U16 byte_per_cluster; // размер кластера в байтах

U16 next_cluster; // очередной кластер в цепочке

int fat;

Начнём рассмотрение с главной функции:

int main()

Int num;

Задаем полное имя файла, содержимое которого мы хотим прочитать. Напомню, что мы работаем только с короткими именами файлов. Порядок работы с длинными именами в данной статье не рассматривается.

U8 *full_path = "/Folder1/Folder2/text.txt";

Открываем файл устройства:

Hard = open(FAT16_PART_NAME, O_RDONLY);

If(hard < 0) {

Perror(FAT16_PART_NAME);

Exit(-1);

Считываем первые 10 кластеров файла. Считывание выполняет функция fat16_read_file(). Параметры функции – полное имя файла и число кластеров для чтения. Функция возвращает число прочитанных кластеров или -1, если при чтении произошла ошибка:

Num = fat16_read_file(full_path, 10);

If(num < 0) perror("fat16_read_file");

Else printf("Read %d clusters ", num);

Закрываем файл устройства и выходим:

Close(hard);

Return 0;

Функция чтения кластеров файла имеет следующий вид:

int fat16_read_file(__u8 *full_path, int num)

Struct split_name sn; // структура для хранения составных частей файла

U8 tmp_name_buff; // буфер для временного хранения составных элементов полного пути файла

Static int i = 1;

Int n;

U8 *tmp_buff;

U16 start_cluster, next_cluster;

Параметры функции мы перечислили при рассмотрении функции main.

Подготовительные операции – обнуляем буфер tmp_name_buff и структуру struct split_name sn:

Первым символом в абсолютном путевом имени файла должен быть прямой слэш (/). Проверяем это:

Считываем с раздела загрузочный сектор:

If(read_fbs() < 0) return -1;

Считанный загрузочный сектор находится сейчас в глобальной структуре struct fat_boot_sector fbs. Скопируем из этой структуры размер сектора, число записей в корневом каталоге и общее число секторов на разделе:

Определим размер кластера в байтах:

Byte_per_cluster = fbs.cluster_size * 512

Отобразим информацию, находящуюся в загрузочном секторе:

Printf("System id - %s ", fbs.system_id);

Printf("Sector size - %d ", sector_size);

Printf("Cluster size - %d ", fbs.cluster_size);

Printf("Reserved - %d ", fbs.reserved);

Printf("FATs number - %d ",fbs.fats);

Printf("Dir entries - %d ", dir_entries);

Printf("Sectors - %d ", sectors);

Printf("Media - 0x%X ", fbs.media);

Printf("FAT16 length - %u ", fbs.fat_length);

Printf("Total sect - %u ", fbs.total_sect);

Printf("Byte per cluster - %d ", byte_per_cluster);

Вычисляем размер FAT16 в байтах и считываем её:

Fat16_size = fbs.fat_length * 512;

If(read_fat16() < 0) return -1;

Считываем корневой каталог:

If(read_root_dentry() < 0) return -1;

Сейчас указатель dir_entry позиционирован на область памяти, содержащую записи корневого каталога. Размер этой области памяти равен размеру корневого каталога (root_size).

Сохраним (для контроля) содержимое корневого каталога в отдельном файле:

#ifdef DEBUG

Close(fat);

#endif

Вычисляем начало области данных:

Data_start = 512 * fbs.reserved + fat16_size * fbs.fats + root_size;

Имея все записи корневого каталога, мы можем добраться до содержимого файла test.txt. С этой целью организуем цикл. В теле цикла проведем разбор полного имени файла, выделяя его элементы – подкаталоги (их у нас два, Folder1 и Folder2) и имя искомого файла (test.txt).

While(1) {

Memset(tmp_name_buff, 0, SHORT_NAME);

Memset((void *)&sn, 0, sizeof(struct split_name));

For(n = 0 ; n < SHORT_NAME; n++, i++) {

If((tmp_name_buff[n] == "/") || (tmp_name_buff[n] == "?")) {

I++;

Break;

Tmp_name_buff[n] = "?";

Заполняем структуру struct split_name sn соответствующей информацией. Заполнение выполняет функция split_name, при этом выполняется проверка имени файла на соответствие формату «8.3»:

< 0) {

Printf("not valid name ");

Return -1;

Для каждого элемента полного имени файла определяем начальный кластер. Для этого ищем в элементах каталога (начиная с корневого) запись, соответствующую элементу полного имени, и считываем эту запись. Процедуру поиска выполняет функция get_dentry():

If(get_dentry(&sn) < 0) {

Printf("No such file! ");

Return -1;

Проверяем атрибуты файла. Если это каталог, считываем его содержимое и продолжаем цикл:

If(dentry.attr & 0x10) {

If(read_directory(dentry.start) < 0) return -1;

Continue;

Если это файл – считываем первые num кластеров. Для контроля считанную информацию сохраним в отдельном файле:

If(dentry.attr & 0x20) {

Start_cluster = dentry.start;

Tmp_buff = (__u8 *)malloc(byte_per_cluster); // сюда будет считываться содержимое кластера

N = open("clust", O_CREAT|O_RDWR, 0600); // в этом файле сохраним считанную информацию

If(n < 0) {

Perror("open");

Return -1;

Для считывания кластеров файла организуем цикл:

For(i = 0; i < num; i++) {

Считываем содержимое кластера в буфер tmp_buff и сохраняем его в отдельном файле:

< 0) return -1;

< 0) {

Perror("write");

Close(n);

Return -1;

Считываем из FAT16 номер следующего кластера, занятого под данный файл. Если это последний кластер – прерываем цикл и возвращаемся в главную функцию:

#ifdef DEBUG

Printf("OK. Readed ");

Printf("file`s next cluster - 0x%X .. ", next_cluster);

#endif

If(next_cluster == EOF_FAT16) {

#ifdef DEBUG

Printf("last cluster. ");

#endif

Free(tmp_buff);

Close(n);

Return ++i;

#ifdef DEBUG

Printf("stop reading ");

#endif

Return i;

Чтение загрузочного сектора FAT16 выполняет функция read_fbs(). Результат помещается в глобальную структуру fbs:

int read_fbs()

If(read(hard,(__u8 *)&fbs, sizeof(fbs)) < 0) return -1;

Return 0;

Чтение таблицы размещения файлов файловой системы FAT16 выполняет функция read_fat16():

int read_fat16()

U64 seek = (__u64)(fbs.reserved) * 512; // смещение к FAT16 от начала раздела

Fat16 = (void *)malloc(fat16_size);

If(pread64(hard, (__u8 *)fat16, fat16_size, seek) < 0) return -1;

Return 0;

Чтение корневого каталога выполняет функция read_root_dentry():

int read_root_dentry()

U64 seek = (__u64)fbs.reserved * 512 + fat16_size * fbs.fats; // смещение к корневому каталогу от начала раздела

Root_size = 32 * dir_entries; // вычисляем размер корневого каталога

Dir_entry = (__u8 *)malloc(root_size);

If(!dir_entry) return -1;

Memset(dir_entry, 0, root_size);

If(pread64(hard, dir_entry, root_size, seek) < 0) return -1;

Return 0;

Чтение кластера, принадлежащего файлу, выполняет функция read_cluster(). Входные параметры функции – номер кластера cluster_num и указатель на буфер __u8 *tmp_buff, куда нужно поместить результат чтения. Смещение к кластеру на разделе вычисляется по формуле (см. ):

SEEK = DATA_START + (CLUSTER_NUM - 2) * BYTE_PER_CLUSTER,

  • SEEK – смещение к кластеру на разделе
  • DATA_START – начало области данных
  • CLUSTER_NUM – порядковый номер кластера
  • BYTE_PER_CLUSTER – размер кластера в байтах

int read_cluster(__u16 cluster_num, __u8 *tmp_buff)

U64 seek = (__u64)(byte_per_cluster) * (cluster_num - 2) + data_start; // вычисляем смещение к кластеру

< 0) return -1;

Return 0;

Функция read_directory выполняет чтение записей каталога (не корневого) и помещает результат в область памяти, на которую настроен указатель dir_entry:

int read_directory(__u16 start_cluster)

Int i = 1;

U16 next_cluster;

For(; ;i++) {

Выделяем память для хранения содержимого каталога, считываем содержимое стартового кластера и получаем из таблицы FAT16 значение очередного кластера:

If(!dir_entry) return -1;

< 0) return -1;

Next_cluster = fat16;

Сохраним содержимое каталога в отдельном файле (для контроля):

#ifdef DEBUG

Printf("Next cluster - 0x%X ", next_cluster);

Fat = open("dir16", O_CREAT|O_WRONLY, 0600);

Write(fat, dir_entry, root_size);

Close(fat);

#endif

Если достигнут последний кластер, выходим из цикла, иначе продолжаем чтение каталога, увеличив размер буфера dir_entry ещё на один кластер:

If(next_cluster & EOF_FAT16) break;

Start_cluster = next_cluster;

Return 0;

Поиск в содержимом каталога элемента, соответствующего искомому файлу, выполняет функция get_dentry(). Входные параметры этой функции – указатель на структуру struct split_name *sn, содержащую элементы короткого имени файла:

Int i = 0;

В глобальном буфере dir_entry находится массив элементов каталога, в котором мы собираемся искать запись файла (или каталога). Для поиска организуем цикл. В теле цикла производим копирование элементов каталога в глобальную структуру dentry и сравниваем значение полей name и ext этой структуры с соответствующими полями структуры struct split_name *sn. Совпадение этих полей означает, что мы нашли в массиве элементов каталога запись искомого файла:

for(; ; i++) {

If(!(memcmp(dentry.name, sn->name, sn->name_len)) &&

!(memcmp(dentry.ext, sn->ext, sn->ext_len)))

Break;

If(!dentry.name) return -1;

#ifdef DEBUG

Printf("name - %s ", dentry.name);

Printf("start cluster - 0x%X ", dentry.start);

Printf("file size - %u ", dentry.size);

Printf("file attrib - 0x%X ", dentry.attr);

#endif

Return 0;

Весь вышеприведенный код находится в каталоге FAT16, файл fat16.c. Для получения исполняемого модуля создадим Makefile следующего содержания:

INCDIR = /usr/src/linux/include

PHONY = clean

Fat16: fat16.o split.o

Gcc -I$(INCDIR) $^ -g -o $@

%.o: %.c

Gcc -I$(INCDIR) -DDEBUG -c $^

Clean:

Rm -f *.o

Rm -f ./fat16

Программная реализация алгоритма чтения файла с логического раздела с файловой системой FAT12

В целом алгоритм чтения файла с раздела FAT12 идентичен алгоритму чтения файла с раздела FAT16. Отличие заключается в процедуре чтения элементов из таблицы FAT12. Таблица FAT16 рассматривалась нами как простой массив 16-разрядных элементов. Для чтения элементов таблицы FAT12 в предложен следующий алгоритм:

  • умножить номер элемента на 1.5;
  • извлечь из FAT 16-разрядное слово, используя в качестве смещения результат предыдущей операции;
  • если номер элемента четный, выполнить операцию AND над считанным словом и маской 0x0FFF. Если номер нечетный, сдвинуть считанное из таблицы слово на 4 бита в сторону младших разрядов.

Базируясь на этом алгоритме, реализуем функцию чтения элементов из таблицы FAT12:

int get_cluster(__u16 cluster_num)

U16 seek;

U16 clust;

Вычисляем смещение в таблице FAT12 и считываем из таблицы 16-разрядное слово:

Seek = (cluster_num * 3) / 2;

Memcpy((__u8 *)&clust, (__u8 *)(fat12 + seek), 2);

Если стартовый номер кластера – четное число, сдвигаем считанное из таблицы значение на 4 бита в сторону младших разрядов, если нечетное – суммируем его с 0x0FFF:

If(cluster_num % 2) clust >>= 4;

Else clust &= 0x0FFF;

Этот фрагмент можно также реализовать на ассемблере:

" xorw %%ax, %%ax "

" btw $0, %%cx "

" jnc 1f "

" shrw $4, %%dx "

" jmp 2f "

"1: andw $0x0FFF, %%dx "

"2: movw %%dx, %%ax "

:"=a" (next)

:"d" (clust), "c" (cluster_num));

Возвращаем результат:

Return clust;

Остановимся чуть подробнее на самом алгоритме. Предположим, что на разделе с FAT12 создан файл, который занимает 9-й и 10-й кластеры. Каждый элемент FAT12 занимает 12 бит. Т.к. из таблицы мы считываем 16-разрядные элементы, то смещение к 9-му элементу будет равно 13 байт (9 * 1.5 = 13, остаток отбрасываем), при этом младшие 4 разряда будут принадлежать 8-му элементу FAT. Их необходимо отбросить, а для этого достаточно сдвинуть считанный элемент на 4 бита в сторону младших разрядов, что и предусмотрено алгоритмом. Смещение к 10-му элементу будет равно 15 байт, и старшие 4 бита будут принадлежать 11-му элементу FAT. Чтобы их отбросить, необходимо выполнить операцию AND над 10-м элементом и маской 0x0FFF, что так же соответствует вышеприведенному алгоритму.

Исходные тексты модуля чтения файла с раздела FAT12 находятся в каталоге FAT12, файл fat12.c.

Программная реализация алгоритма чтения файла с логического раздела с файловой системой FAT32

Алгоритм чтения файла с раздела с файловой системой FAT32 практически не отличается от алгоритма для FAT16, за исключением того, что в FAT32 корневой каталог может располагаться в любом месте раздела и иметь произвольный размер. Поэтому, чтобы было интереснее, усложним задачу – предположим, что нам известен только номер раздела с файловой системой FAT32. Чтобы считать с этого раздела информацию, необходимо вначале определить его координаты – смещение к разделу от начала диска. А для этого надо иметь представление о логической структуре жесткого диска.

Логическая структура жесткого диска

Рассмотрим логическую структуру жесткого диска, соответствующую стандарту Microsoft – «основной раздел – расширенный раздел – разделы non-DOS».

Пространство на жестком диске может быть организовано в виде одного или нескольких разделов, а разделы могут содержать один или несколько логических дисков.

На жестком диске по физическому адресу 0-0-1 располагается главная загрузочная запись (Master Boot Record, MBR). В структуре MBR находятся следующие элементы:

  • внесистемный загрузчик (non-system bootstrap – NSB);
  • таблица описания разделов диска (таблица разделов, partition table, PT). Располагается в MBR по смещению 0x1BE и занимает 64 байта;
  • сигнатура MBR. Последние два байта MBR должны содержать число 0xAA55.

Таблица разделов описывает размещение и характеристики имеющихся на винчестере разделов. Разделы диска могут быть двух типов – primary (первичный, основной) и extended (расширенный). Максимальное число primary-разделов равно четырем. Наличие на диске хотя бы одного primary-раздела является обязательным. Extended-раздел может быть разделен на большое количество подразделов – логических дисков. Упрощенно структура MBR представлена в таблице 7. Таблица разделов располагается в конце MBR, для описания раздела в таблице отводится 16 байт.

Таблица 7. Структура MBR

Смещение Размер, байт 0 446 0x1BE 16 0x1CE 16 0x1DE 16 0x1EE 16 0x1FE 2

Структура записи элемента таблицы разделов показана в таблице 8.

Таблица 8. Структура записи элемента таблицы разделов

Смещение Размер, байт Содержание
0x00 1 Признак активности (0 - раздел не активный, 0x80 – раздел активный)
0x01 1 Номер головки диска, с которой начинается раздел
0x02 2 Номер цилиндра и номер сектора, с которых начинается раздел
0x04 1 Код типа раздела System ID
0x05 1 Номер головки диска, на которой заканчивается раздел
0x06 2 Номер цилиндра и номер сектора, которыми заканчивается раздел
0x08 4 Абсолютный (логический) номер начального сектора раздела
0x0C 4 Размер раздела (число секторов)

Первым байтом в элементе раздела идет флаг активности раздела (0 – неактивен, 0x80 – активен). Он служит для определения, является ли раздел системным загрузочным и есть ли необходимость производить загрузку операционной системы с него при старте компьютера. Активным может быть только один раздел. За флагом активности раздела следуют координаты начала раздела – три байта, означающие номер головки, номер сектора и номер цилиндра. Номера цилиндра и сектора задаются в формате прерывания Int 0x13, т.е. биты 0-5 содержат номер сектора, биты 6-7 – старшие два бита 10-разрядного номера цилиндра, биты 8-15 – младшие восемь бит номера цилиндра. Затем следует кодовый идентификатор System ID, указывающий на принадлежность данного раздела к той или иной операционной системе. Идентификатор занимает один байт. За системным идентификатором расположены координаты конца раздела – три байта, содержащие номера головки, сектора и цилиндра соответственно. Следующие четыре байта – это число секторов перед разделом, и последние четыре байта – размер раздела в секторах.

Таким образом, элемент таблицы раздела можно описать при помощи следующей структуры:

struct pt_struct {

U8 bootable; // флаг активности раздела

U8 start_part; // координаты начала раздела

U8 type_part; // системный идентификатор

U8 end_part; // координаты конца раздела

U32 sect_before; // число секторов перед разделом

U32 sect_total; // размер раздела в секторах (число секторов в разделе)

Элемент первичного раздела указывает сразу на загрузочный сектор логического диска (в первичном разделе всегда имеется только один логический диск), а элемент расширенного раздела – на список логических дисков, составленный из структур, которые именуются вторичными MBR (Secondary MBR, SMBR).

Свой блок SMBR имеется у каждого диска расширенного раздела. SMBR имеет структуру, аналогичную MBR, но загрузочная запись у него отсутствует (заполнена нулями), а из четырех полей описателей разделов используются только два. Первый элемент раздела при этом указывает на логический диск, второй элемент указывает на следующую структуру SMBR в списке. Последний SMBR списка содержит во втором элементе нулевой код раздела.

Вернемся к рассмотрению модуля чтения файла с раздела FAT32.

Заголовочные файлы:

#include

#include

#include

#include

#include

Сигнатура MBR:

#define SIGNATURE 0xAA55

Файл устройства, с которого будет считываться информация о разделах:

#define DEVICE "/dev/hda"

Размер элемента таблицы разделов (16 байт):

#define PT_SIZE 0x10

Следующий массив структур устанавливает соответствие между кодом типа раздела и его символьным отображением:

struct systypes {

U8 part_type;

U8 *part_name;

struct systypes i386_sys_types = {

{0x00, "Empty"},

{0x01, "FAT12"},

{0x04, "FAT16 <32M"},

{0x05, "Extended"},

{0x06, "FAT16"},

{0x0b, "Win95 FAT32"},

{0x0c, "Win95 FAT32 (LBA)"},

{0x0e, "Win95 FAT16 (LBA)"},

{0x0f, "Win95 Ext"d (LBA)"},

{0x82, "Linux swap"},

{0x83, "Linux"},

{0x85, "Linux extended"},

{0x07, "HPFS/NTFS"}

Определим число элементов в массиве i386_sys_types при помощи макроса PART_NUM:

#define PART_NUM (sizeof(i386_sys_types) / sizeof(i386_sys_types))

Установим ограничение на количество логических дисков:

#define MAX_PART 20

Следующий массив структуры будет содержать информацию о логических дисках на устройстве (жестком диске):

struct pt_struct {

U8 bootable;

U8 start_part;

U8 type_part;

U8 end_part;

U32 sect_before;

U32 sect_total;

} pt_t;

int hard; // дескриптор файла устройства

U8 mbr; // сюда считаем MBR

Номер раздела, на котором создана файловая система FAT32:

#define FAT32_PART_NUM 5

Структуры загрузочного сектора, сектора FSInfo и элемента каталога (определены в файле ):

struct fat_boot_sector fbs;

struct fat_boot_fsinfo fsinfo;

struct msdos_dir_entry dentry;

U32 *fat32 = NULL; // сюда копируем таблицу FAT32

U16 sector_size; // размер сектора (из FAT32)

U16 dir_entries; // 0 для FAT32

U16 sectors; // число секторов на разделе

U32 fat32_size; // размер FAT32

U32 data_start; // начало области данных

U16 byte_per_cluster; // сколько байт в кластере (размер кластера в байтах)

U32 next_cluster; // очередной кластер в цепочке

U32 root_cluster; // ROOT cluster - начальный кластер корневого каталога

U8 *dir_entry = NULL; // указатель на записи каталога

U64 start_seek = 0; // стартовое смещение к разделу (в байтах)

Главная функция:

int main()

Int num = 0;

Int cluster_num = 5; // сколько кластеров считывать из файла

U8 *full_path = "/Folder1/Folder2/readme"; // файл для считывания

Открываем устройство, получаем информацию о таблице разделов на устройстве и отображаем информацию о разделах:

Hard = open(DEV_NAME, O_RDONLY);

If(hard < 0) {

Perror(DEV_NAME);

Exit(-1);

If(get_pt_info(hard) < 0) {

Perror("get_pt_info");

Exit(-1);

Show_pt_info();

Вычисляем стартовое смещение к разделу:

Start_seek = (__u64)(pt_t.sect_before) * 512;

Считываем кластеры, принадлежащие файлу:

Num = fat32_read_file(full_path, cluster_num);

If(num < 0) perror("fat32_read_file");

Else printf("Read %d clusters\n", num);

Close(hard);

Return 0;

Информацию о таблице разделов считывает функция get_pt_info():

int get_pt_info(int hard)

Int i = 0;

U64 seek;

Считываем таблицу разделов из MBR и проверяем сигнатуру:

Read_main_ptable(hard);

If(check_sign() < 0) {

Printf("Not valid signature!\n");

Return -1;

Ищем идентификатор расширенного раздела. Если таковой имеется, вычисляем смещение к расширенному разделу и считываем информацию о логических дисках:

for(; i < 4; i++) {

If((pt_t[i].type_part == 0xF) || \

(pt_t[i].type_part == 0x5) || \

(pt_t[i].type_part == 0x0C)) {

Seek = (__u64)pt_t[i].sect_before * 512;

Read_ext_ptable(hard, seek);

Break;

Return 0;

Функция чтения таблицы разделов read_main_ptable():

void read_main_ptable(int hard)

If(read(hard, mbr, 512) < 0) {

Perror("read");

Close(hard);

Exit(-1);

Memset((void *)pt_t, 0, (PT_SIZE * 4));

Memcpy((void *)pt_t, mbr + 0x1BE, (PT_SIZE * 4));

Return;

Функция проверки сигнатуры check_sign():

int check_sign()

U16 sign = 0;

Memcpy((void *)&sign, (void *)(mbr + 0x1FE), 2);

#ifdef DEBUG

Printf("Signature - 0x%X\n", sign);

#endif

If(sign != SIGNATURE) return -1;

Return 0;

Функция чтения расширенной таблицы разделов:

void read_ext_ptable(int hard, __u64 seek)

Int num = 4; // начиная с этой позиции, массив структур pt_t будет заполняться информацией о логических дисках

U8 smbr;

Входные данные:

  • hard – дескриптор файла устройства;
  • seek – смещение к расширенному разделу от начала диска (в байтах).

Для получения информации о логических дисках организуем цикл:

For(;;num++) {

Считываем SMBR, находящуюся по смещению seek от начала диска:

Memset((void *)smbr, 0, 512);

Pread64(hard, smbr, 512, seek);

Заполняем два элемента таблицы pt_t, начиная с позиции num. Первый элемент будет указывать на логический диск, а второй – на следующую структуру SMBR:

Memset((void *)&pt_t, 0, PT_SIZE * 2);

Memcpy((void *)&pt_t, smbr + 0x1BE, PT_SIZE * 2);

Вносим поправку в поле «Номер начального сектора» – отсчет ведется от начала диска:

Pt_t.sect_before += (seek / 512);

Если код типа раздела равен нулю, то больше логических дисков нет:

If(!(pt_t.type_part)) break;

Вычисляем смещение к следующему SMBR:

Seek = ((__u64)(pt_t.sect_before + pt_t.sect_total)) * 512;

Return;

Функция show_pt_info() отображает информацию о найденных логических дисках на устройстве:

void show_pt_info()

Int i = 0, n;

#ifdef DEBUG

Printf("Число разделов на диске - %d\n", PART_NUM);

#endif

For(; i < MAX_PART; i++) {

If(!pt_t[i].type_part) break;

Printf("\nТип раздела %d - ", i);

For(n = 0; n < PART_NUM; n++) {

If(pt_t[i].type_part == i386_sys_types[n].part_type) {

Printf("%s\n", i386_sys_types[n].part_name);

Break;

If(n == PART_NUM) printf("unknown type\n");

Printf("Признак загрузки - 0x%X\n", pt_t[i].bootable);

Printf("Секторов в разделе %d - %d\n", i, pt_t[i].sect_total);

Printf("Секторов перед разделом %d - %d\n\n", i, pt_t[i].sect_before);

Return;

Чтение кластеров файла с раздела FAT32 выполняет функция fat32_read_file(). Эта функция имеет много общего с функцией fat16_read_file(), поэтому за подробными комментариями обратитесь к п. 6:

int fat32_read_file(__u8 *full_path, int num)

Struct split_name sn;

U8 tmp_name_buff;

Int i = 1, n;

U32 start_cluster, next_cluster;

U8 *tmp_buff;

Подготовительные операции – чистим буфер, структуру и проверяем первый слэш:

Memset(tmp_name_buff, 0, SHORT_NAME);

Memset((void *)&sn, 0, sizeof(struct split_name));

If(full_path != "/") return -1;

Считываем загрузочный сектор:

If(read_fbs() < 0) return -1;

Memcpy((void *)§or_size, (void *)fbs.sector_size, 2);

Memcpy((void *)&dir_entries, (void *)fbs.dir_entries, 2);

Memcpy((void *)§ors, (void *)fbs.sectors, 2);

Считываем структуру FSInfo и отобразим сигнатуру, находящуюся в ней:

If(read_fs_info() < 0) return -1;

Printf("Signature1 - 0x%X\n", fsinfo.signature1);

Printf("Signature2 - 0x%X\n", fsinfo.signature2);

Fat32_size = fbs.fat32_length * 512; // размер FAT32 в байтах

Data_start = 512 * fbs.reserved + fat32_size * 2; // начало поля данных

Byte_per_cluster = fbs.cluster_size * 512; // размер кластера в байтах

Root_cluster = fbs.root_cluster; // номер кластера корневого каталога

Считываем FAT32:

If(read_fat32() < 0) return -1;

Выделяем память для записей каталога:

Dir_entry = (__u8 *)malloc(byte_per_cluster);

If(!dir_entry) return -1;

Считываем корневой каталог:

If(read_directory(root_cluster) < 0) return -1;

Проводим разбор полного пути файла и разделение каждого элемента на составляющие:

While(1) {

Memset(tmp_name_buff, 0, SHORT_NAME);

Memset((void *)&sn, 0, sizeof(struct split_name));

For(n = 0 ; n < SHORT_NAME; n++, i++) {

Tmp_name_buff[n] = full_path[i];

If((tmp_name_buff[n] == "/") || (tmp_name_buff[n] == "\0")) {

I++;

Break;

Tmp_name_buff[n] = "\0";

If(split_name(tmp_name_buff, &sn) < 0) {

Printf("not valid name\n");

Return -1;

If(get_dentry(&sn) < 0) {

Printf("No such file!\n");

Return -1;

Для получения стартового номера кластера в файловой системе FAT32 необходимо задействовать старшее слово номера первого кластера файла – поле starthi структуры dentry:

Start_cluster = (((__u32)dentry.starthi << 16) | dentry.start);

Проверяем байт атрибутов:

If(dentry.attr & 0x10) { // это каталог

If(read_directory(start_cluster) < 0) return -1;

Continue;

If(dentry.attr & 0x20) { // а это - файл

Tmp_buff = (__u8 *)malloc(byte_per_cluster);

N = open("clust", O_CREAT|O_RDWR, 0600);

If(n < 0) {

Perror("open");

Return -1;

Printf("file`s first cluster - 0x%X .. ", start_cluster);

For(i = 0; i < num; i++) {

Memset(tmp_buff, 0, byte_per_cluster);

If(read_cluster(start_cluster, tmp_buff) < 0) return -1;

If(write(n, tmp_buff, byte_per_cluster) < 0) {

Perror("write");

Return -1;

If(next_cluster == EOF_FAT32) {

Free(tmp_buff);

Close(n);

Return ++i;

Start_cluster = next_cluster;

Return i;

Назначение следующих трёх функций – получить содержимое системной области, т.е. загрузочного сектора, структуры FSInfo и таблицы FAT32:

1) функция read_fbs() выполняет чтение загрузочного сектора:

int read_fbs()

If(pread64(hard, (__u8 *)&fbs, sizeof(fbs), start_seek) < 0) return -1;

Return 0;

2) функция read_fs_info() считывает структуру FSInfo:

int read_fs_info()

U64 seek = (__u64)fbs.info_sector * 512 + start_seek;

If(pread64(hard, (__u8 *)&fsinfo, sizeof(fsinfo), seek) < 0) return -1;

Return 0;

3) функция read_fat32() считывает таблицу FAT32:

int read_fat32()

U64 seek = (__u64)fbs.reserved * 512 + start_seek;

Fat32 = (void *)malloc(fat32_size);

If(!fat32) return -1;

If(pread64(hard, (__u8 *)fat32, fat32_size, seek) < 0) return -1;

Return 0;

Функция read_cluster() выполняет чтения кластера с указанным номером:

int read_cluster(__u32 cluster_num, __u8 *tmp_buff)

U64 seek = (__u64)(byte_per_cluster) * (cluster_num - 2) + data_start + start_seek;

If(pread64(hard, tmp_buff, byte_per_cluster, seek) < 0) return -1;

Return 0;

Чтением каталогов (в том числе и корневого) занимается функция read_directory():

int read_directory(__u32 start_cluster)

Int i = 2;

U32 next_cluster;

Параметры функции – стартовый кластер каталога. Считываем содержимое каталога в глобальный буфер dir_entry:

If(read_cluster(start_cluster, dir_entry) < 0) return -1;

Next_cluster = fat32;

Если каталог занимает один кластер – выходим, если нет – увеличиваем размер памяти и продолжаем чтение:

For(; ;i++) {

Start_cluster = next_cluster;

Dir_entry = (__u8 *)realloc(dir_entry, i * byte_per_cluster);

If(!dir_entry) return -1;

If(read_cluster(start_cluster, (dir_entry + (i - 1) * byte_per_cluster)) < 0) return -1;

Next_cluster = fat32;

If((next_cluster == EOF_FAT32) || (next_cluster == 0xFFFFFF8)) return 0;

Return 0;

Последняя функция, которую мы рассмотрим, ищет в содержимом каталога элемент, соответствующий искомому файлу:

int get_dentry(struct split_name *sn)

Int i = 0;

Указатель dir_entry настроен на область памяти, содержащую массив записей каталога, в котором мы собираемся искать файл (или каталог). Для поиска организуем цикл и найденную запись поместим в глобальную структуру dentry:

For(;;i++) {

Memcpy((void *)&dentry, dir_entry + i * sizeof(dentry), sizeof(dentry));

If(!(memcmp(dentry.name, sn->name, sn->name_len)) &&

!(memcmp(dentry.ext, sn->ext, sn->ext_len)))

Break;

If(!dentry.name) return -1;

Return 0;

На этом рассмотрение модуля чтения файла с раздела FAT32 завершим.

Исходные тексты модуля находятся в каталоге FAT32, файл fat32.c.

Отличия в организации хранения записей о файлах в каталогах для файловых систем FAT и EXT2

Несколько слов об отличиях в организации хранения записей о файлах в каталогах для файловых систем FAT и EXT2. Структура файловой системы EXT2 была рассмотрена в .

C FAT мы только что ознакомились – в ней все элементы каталога имеют фиксированную величину. При создании файла драйвер файловой системы ищет первую незанятую позицию и заполняет её информацией о файле. Если длина каталога не умещается в одном кластере, то под него отводится ещё один кластер и т. д.

Рассмотрим, как обстоят дела в EXT2.

Предположим, у нас есть раздел с файловой системой EXT2, размер блока равен 4096 байт. На этом разделе мы создаем каталог. Размер каталога будет равен размеру блока – 4096 байт. В каталоге операционная система сразу создаёт две записи – запись текущего и запись родительского каталогов. Запись текущего каталога займет 12 байт, в то время как длина записи родительского будет равна 4084 байта. Создадим в этом каталоге какой-нибудь файл. После этого в каталоге будут присутствовать три записи – запись текущего каталога длиной 12 байт, запись родительского каталога длиной уже 12 байт, и запись созданного файла длиной, как вы наверно догадались, 4072 байт. Если мы удалим созданный файл, длина записи родительского каталога опять возрастёт до 4084 байт.

Таким образом, при создании файла драйвер файловой системы EXT2 ищет в каталоге запись максимальной длины и расщепляет её, выделяя место для новой записи. Ну, а если всё-таки места не хватает, под каталог отводится ещё один блок, и длина каталога становится равной 8192 байт.

И в заключение – небольшая правка к статье «Архитектура файловой системы EXT2» .

Эта правка касается функции определения номера inode по имени файла get_i_num(). Старый вариант этой функции выглядел так:

int get_i_num(char *name)

Int i = 0, rec_len = 0;

Struct ext2_dir_entry_2 dent;

For(; i < 700; i++) {

If(!memcmp(dent.name, name, dent.name_len)) break;

Rec_len += dent.rec_len;

Return dent.inode;

Исправленный вариант:

int get_i_num(char *name)

* Параметр функции - имя файла. Возвращаемое значение - номер inode файла.

Int rec_len = 0;

Struct ext2_dir_entry_2 dent; // эта структура описывает формат записи корневого каталога:

* В глобальном буфере buff находится массив записей каталога. Для определения порядкового номера inode файла необходимо найти

* в этом массиве запись с именем этого файла. Для этого организуем цикл:

For(;;) {

/* Копируем в структуру dent записи каталога: */

Memcpy((void *)&dent, (buff + rec_len), sizeof(dent));

* Длина имени файла равная нулю означает, что мы перебрали все записи каталога

* и записи с именем нашего файла не нашли. Значит, пора возвращаться:

If(!dent.name_len) return -1;

/* Поиск выполняется путем сравнения имен файлов. Если имена совпадают - выходим из цикла: */

If(!memcmp(dent.name, name, strlen(name))) break;

/* Если имена не совпали - смещаемся к следующей записи: */

Rec_len += dent.rec_len;

/* В случае успеха возвращаем номер inode файла: */

Return dent.inode;

Литература:

  1. В.Кулаков. Программирование на аппаратном уровне: специальный справочник. 2-е изд. / – СПб.: Питер, 2003 г. – 848 с.
  2. А.В.Гордеев, А.Ю.Молчанов. Системное программное обеспечение / – СПб.: Питер – 2002 г.
  3. Мешков В. Архитектура файловой системы ext2. – Журнал «Системный администратор», № 11(12), ноябрь 2003 г. – 26-32 с.

Вконтакте