Существует множество способов хранения информации и программ на жестком диске. Очень известна система, которая сохраняет различную информацию в виде файлов, группируя их в папки с присвоением уникального . Однако, мало кто задумывался как на самом деле происходит физическое сохранение информации на носителе.

Для того, чтобы на физическом носителе можно было сохранить информацию, его нужно подготовить для использования в компьютерной операционной системе. Операционная система для сохранения информации выделяет свободную область диска. Для этого необходимо поделить диск на малые контейнеры – сектора. Форматирование диска на низком уровне выделяет для каждого сектора определенный размер. Операционная система группирует эти сектора в кластеры. Форматирование на высшем уровне задает всем кластерам одинаковый размер, обычно в интервале от 2 до 16 секторов. В дальнейшем на каждый файл выделяется по одному или несколько кластеров. Размер кластера зависит от операционной системы, ёмкости диска, а также требуемой скорости работы.

Помимо области для хранения файлов на диске имеются области, необходимые для работы операционной системы. Эти области предназначены для хранения загрузочной информации и информации для сопоставления адресов файлов с физическим положением на диске. Загрузочная область используется для запуска операционной системы. После загрузки BIOS происходит считывание и выполнение загрузочной области диска для запуска операционной системы.

Файловая система FAT

Файловая система FAT появилась вместе с операционной системой Microsoft DOS, после чего была несколько раз усовершенствована. У нее есть версии FAT12, FAT16 и FAT32. Само название FAT происходит от использования файловой системой своеобразной базы данных в виде «таблицы размещения файлов» (File Allocation Table), которая содержит запись для каждого кластера на диске. Номера версий ссылаются на количество бит, используемых в номерах элементов в таблице. Таким образом файловая система имеет ограничение на поддерживаемый размер диска. В 1987 году она не поддерживала диске размером свыше 32 Мб. С появлением Windows 95 вышла новая версия файловой системы FAT32 с теоретической поддержкой дисков емкостью до 2 ТБ. Постоянные проблемы с поддержкой дисков больших размеров появляются из-за фиксированного количества элементов, ограниченного количеством бит, используемых в определении положения кластера. Например, версия FAT16 не поддерживает более 2 16 или 65536 кластеров. Количество секторов в кластере тоже ограничено.

Еще одна проблема с большими дисками заключалась в невозможности использования огромного пространства, выделенного для мелких файлов. Из-за того, что количество кластеров ограничено, увеличивался их размер, чтобы можно было охватить всю емкость диска. Это приводит к неэффективному использованию пространства при хранении большинства файлов, размер которых не кратен размеру кластера. Например, FAT32 выделяет кластеры размером 16 Кб для разделов диска в интервале от 16 до 32 ГБ. Для хранения файла размером 20 Кб потребуется два кластера размером 16 Кб, которые займут на диске 32 Кб. Файлы размером 1 Кб занимают 16 Кб на диске. Таким образом в среднем 30-40% размера емкости диска пропадает для хранения мелких файлов. Разбиение диска на мелкие разделы позволяет уменьшить размер кластера, но для дисков емкостью более 200 Гб на практике не применяется.

Фрагментация файлов тоже не малая проблема файловой системы. Поскольку для размещения файла может потребоваться несколько кластеров, которые могут и не быть физически расположены последовательно друг за другом, время, которое требуется на считывание замедляет работу программ. Поэтому постоянно возникает необходимость в .

Файловая система NTFS

В начале 90-х Microsoft начала разработку совершенно нового ПО, предназначенного для окружения с большим потреблением ресурсов, чем обычные домашние пользователи. Для потребностей бизнеса и индустрии ресурсов, предоставляемых операционными системами Windows основанных на DOS, стало недостаточно. Корпорация Microsoft совместно с IBM работали над операционной системой OS/2 с файловой системой HPFS (High Performance File System – файловая система высокой эффективности). Корпоративная разработка не принесла успеха и в скором времени каждая компания вновь пошла своим путем. Microsoft разработала различные версии операционной системы Windows NT, на основе которых построены Windows 2000 и Windows XP. В каждой из них используется собственная версия файловой системы NTFS, которая продолжает развитие.

NTFS (New Technology File System – «файловая система новой технологии») является стандартной файловой системой для операционных систем на основе Windows NT. Она была разработана для замены FAT. NTFS наиболее гибкая по сравнению с FAT. В ее системных областях хранятся в основном файлы, а не фиксированные структуры как в FAT, что позволяет их изменять, расширять или перемещать в процессе использования. Простым примером является Master File Table (MFT) – «главная таблица файлов». MFT - это своеобразная база данных с различной информацией о файлах на диске. Файлы малого размера (1 Кб и менее) могут хранится непосредственно в MFT. Для больших файлов NTFS выделяет кластеры, но в отличие от FAT размер кластера обычно не превышает 4 Кб, а встроенный метод сжатия избавляет от проблем с неиспользованным местом, выделенным под файлы. А ещё в NTFS можно использовать .

Файловая система NTFS разработана для многопользовательского окружения и имеет встроенные механизмы защиты и разграничения прав доступа. Например, операционные системы Windows 2000 и Windows XP (кроме «Домашней редакции») позволяют устанавливать разрешения доступа к отдельным файлам и шифровать их. Однако высокий уровень безопасности усложняет работу обычных пользователей с компьютером. Необходимо быть предельно осторожным при установке паролей и разрешений на файлы, чтобы не потерять важные данные.

Должно быть, вы уже неоднократно слышали о таких файловых системах, как FAT32, NTFS и exFAT . Но в чем же между ними разница? Каждый тип обладает своим собственным набором плюсов и минусов. Именно поэтому нет единого варианта. В этой статье мы разберем основные отличия трех файловых систем.

Говоря об операционной системе Windows, мы точно знаем, что она устанавливается только на логический раздел формата NTFS. Съемные накопители и другие устройства хранения, основанные на USB-интерфейсе, используют тип FAT32.

Одним из форматов, которые можно использовать для форматирования Flash-накопителей, является exFAT — преемник старой файловой системы FAT32.

Таким образом, мы имеем три основных формата хранения данных, повсеместно используемых как для Windows, так и для разного рода носителей информации.

Что такое файловая система

Файловая система представляет из себя набор правил, определяющих то, как хранятся и извлекаются документы, хранящиеся на устройстве. Это может быть жесткий диск, Flash-накопитель или SD-карта.

Для большего понимания, приведем как пример офис обычной компании. Фрагменты установленных документов хранятся в определенном месте, допустим, в ящике стола. И при необходимости открыть их, файловая система обращается к файлам в попытке считать информацию.

Предположим на секунду, что такая система вышла из строя и сразу же получим огромное количество неопознанных данных, изучить которые не будет никакой возможности.

На самом деле существует большое количество файловых систем, например Flash File System, Tape File System и Disk File System, однако мы остановимся только на основных — FAT32 , NTFS и exFAT .

Что такое FAT32

Файловая система FAT32 является самой старой и опытной в истории компьютерных технологий. Ее путь начался с оригинальной 8-битной системы FAT в 1977 году, которая функционировала внутри автономного диска Microsoft Standalone Disk Basic-80 . Он был запущен специально для Intel 8080 NCR 7200 в 1977/1978 году, работая терминалом ввода данных с 8-дюймовыми гибкими дисками.

После обсуждений о введении системы с учредителем Microsoft Биллом Гейтсом, код был написан первым наемным сотрудником компании Марком Макдональдом.

Основной задачей файловой системы FAT была работа с данными в операционной системе Microsoft 8080/Z80 на базе платформы MDOS/MIDAS, написанной Марком Макдональдом.

В дальнейшем FAT претерпела некоторые изменения, постепенно переходя от своего первоначального вида к FAT12, FAT16 и, наконец, FAT32, название которой теперь тесно ассоциируется с внешними накопителями.

Основным отличием FAT32 от ее предшественников является преодоление ограниченного объема доступной для хранения информации. 32-разрядная система была выпущена в августе 1995 года вместе с релизом Windows 95 и в своем обновленном варианте позволила увеличить верхние пределы размера файлов и хранилища данных до 4 Гб и 16 Тб.

Таким образом, FAT32 не предназначена для хранения больших объемов данных и установки тяжелых приложений. Именно по этой причине на жестких дисках используется файловая система NTFS , которая позволяет пользователям перестать думать о загружаемых объемах информации.

Резюмируя, система FAT32 идеально подойдет для хранения данных, объем которых не превышает 4 Гб, на любых съемных носителях. Ее популярность не ограничивается только компьютерной сферой. Она используется в игровых консолях, телевизорах с высокой четкостью изображения, DVD-проигрывателях, Blu-Ray плеерах и любых других устройствах с USB-портом. FAT32 поддерживают все версии Windows, Linux и MacOS.

Что такое NTFS

В 1993 году компания Microsoft представила новую файловую систему NTFS (New Technology File System) параллельно с появление операционной системы Windows NT 3.1.

Главной особенностью системы NTFS является отсутствие каких-либо ограничений на размеры загружаемых файлов. Даже в случае попытки превзойти этот лимит, мы бы потерпели неудачу — настолько он велик.

Разработка началась в середине 1980-х годов в период сотрудничества Microsoft и IBM, целью которого было создание новой операционной системы, превосходящей предыдущие по графической производительности.

Тем не менее, союз двух компаний не был долог и, не завершив общий проект, они приняли решение прекратить сотрудничество. Впоследствии Microsoft и IBM сконцентрировались на производстве собственных файловых систем.

Для компьютерных технологий 1989 год ознаменовался созданием HPFS от IBM, которая использовалась для операционной системы OS/2. Несколькими годами позже, в 1993, компания Microsoft запустила NTFS v1.0 , которая стала официальной файловой системой для Windows NT 3.1.

Теоретический размер файла NTFS — 16 Эб — 1 Кб, что составляет 18 446 744 073 709 550 502 байта. В команду разработчиков входили Том Миллер, Гарри Кимуру, Брайан Эндрю, Девид Гебель.

Следующей версией файловой системы стала NTFS v3.1 , запущенная специально для Microsoft Windows XP. В дальнейшем она не претерпевала особых изменений, хотя в нее и было внесено множество различных дополнений. Например, появилась возможность сжатия логических разделов, восстановление и символические ссылки NTFS. Кроме того начальная емкость файловой системы составляла всего 256 Мб из колоссальных 16 Эб — 1 Кб в новых версиях, запущенных с выходом Windows 8.

Говоря о полезных функциях, внедренных в NTFS v3.1, можно отметить расширение поддерживаемых форматов файлов, квоты использования диска, шифрование файлов и создание точек повторной обработки. Примечательным является тот факт, что новые версии NTFS полностью совместимы с предыдущими.

Файловая система NTFS имеет важную особенность, когда дело доходит до ее восстановления, вследствие каких-либо повреждений. Она содержит в себе определенную структуру данных, которая отслеживает любые изменения в системе и с помощью которой всегда можно вернуть работоспособность NTFS.

Данная файловая система поддерживается всеми версиями Windows, начиная с Windows XP. К сожалению, MacOS не разделяет стремление к совместимости, продвигаемое Microsoft. Apple оставили для пользователей возможность чтения данных с дисков NTFS, однако записывать на них не получится. Поддержка данной файловой системы от Linux ограничивается лишь несколькими ее версиями.

Что такое exFAT

ExFAT (Extended FAT) — новая, расширенная файловая система от Microsoft, которая с успехом заменяет своего предшественника на поле, когда дело доходит до больших объемов информации.

Как вы наверняка знаете, большинство современных цифровых фотокамер используют систему exFAT, поскольку она существенно легче NTFS, но, в то же время, позволяет сохранять файлы размером более 4 Гб, в отличие от FAT32.

Таким образом, копируя на Flash-накопитель с файловой системой exFAT документ размером 6 Гб, вы не столкнетесь с негативными последствиями, которые можно наблюдать, используя предшествующую версию системы.

Формат exFAT набирает все большую популярность и используется преимущественно с высокоемкими картами памяти SDXC. Основной причиной тому является небольшой размер файловой системы и, как ранее описывалось, возможность сохранять документы объемом более 4 Гб.

Интересным будет факт, что Microsoft хранит патент США 8321439, позволяющий быстро найти файл при помощи хэша имени. Благодаря данной функции, любой документ можно найти в разы быстрее.

Стоит отметить, что для файловой системы exFAT не было выпущено всех доступных дополнений в общий доступ. Для их приобретения поставщики обязаны приобрести ограниченную лицензию от Microsoft.

Данное действие было предпринято для того, чтобы поставщики не пытались монетизировать продукт Microsoft, отмечая себя частью компании, поскольку они имели бы в наличии исходный код файловой системы.

Поскольку Microsoft неизменны в своем упрямстве, многие пользователи занялись созданием собственными модификациями exFAT, одной из которых стала exfat-fuse . Она обеспечивает операции чтения и записи для дистрибутивов Linux, включая FreeBSD.

Созданная в 2006 году файловая система exFAT, имеющая общий предел объема информации, что и NTFS, является более легкой, поскольку не содержит в себе всевозможных дополнений, как вторая.

ExFAT поддерживает функции чтения, записи и совместима с операционными системами Mac, Android и Windows. Для Linux понадобится вспомогательное программное обеспечение.

Сравнение файловых систем

FAT32:

• Совместимость: Windows, MacOS, Linux, игровые консоли и устройства с USB-портом.
• Плюсы: кросс-платформенная совместимость, легкая файловая система.
• Минусы: ограничения в размерах файлов (доступны документы до 4 Гб) и размеры разделов до 16 Тб.
• Назначение: съемные накопители. Используется для форматирования Flash-накопителей, однако exFAT предпочтительнее.

NTFS:

• Совместимость: Windows, MacOS (доступно только чтение), Linux (только чтение для некоторых дистрибутивов), Xbox One.
• Плюсы: отсутствие ограничений по размеру файлов и разделов.
• Минусы: ограниченная межплатформенная совместимость.
• Назначение: хорошо подходит для внутренних жестких дисков, поскольку позволяет хранить информацию большого объема, справиться с которым другие файловые системы не смогут.

exFAT:

• Совместимость: Windows XP и более поздние версии, MacOS 10.6.5 и выше, Linux (с использованием FUSE), Android.
• Плюсы: имеет общие положительные эффекты от FAT32 и NTFS, которые включают в себя возможность хранения файлов, размером свыше 4 Гб.
• Минусы: Microsoft ограничивают использование лицензии.
• Назначение: позволяет исключить ограничения по размеру файлов для съемных накопителей. Гораздо предпочтительнее своего предшественника FAT32.

В случае необходимости восстановить логический раздел с неизвестной, поврежденной или удаленной файловой системой — вам помогут инструменты Starus Recovery.

Инструмент Starus Partition Recovery , или его аналоги, Starus FAT Recovery, Starus NTFS Recovery, предназначены для работы с определенными файловыми системами - FAT и NTFS. Основной софт способен взаимодействовать с обоими. Cкачать и опробовать программы для восстановления файловых систем FAT32 и NTFS можно совершенно бесплатно!

FAT (англ. File Allocation Table - «таблица размещения файлов»)- классическая архитектура файловой системы, которая из-за своей простоты всё ещё широко используется для флеш-накопителей. Используется в дискетах, и некоторых других носителях информации. Ранее использовалась и на жестких дисках.

Файловая система была разработана Биллом Гейтсом и Марком Мак Дональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. 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 жестких дисков.

Сейчас существует четыре версии FAT - FAT8, FAT12 , FAT16 и FAT32 . Они отличаются разрядностью записей в дисковой структуре, то есть количеством бит, отведённых для хранения номера кластера . FAT12 применяется в основном для дискет, FAT16 - для дисков малого объёма, FAT32- для жестких дисков. На основе FAT была разработана новая файловая система exFAT (extended FAT), используемая преимущественно для флеш-накопителей.

Файловая система FAT заполняет свободное место на диске последовательно от начала к концу. При создании нового файла или увеличении уже существующего она ищет первый свободный кластер в таблице размещения файлов. Если 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 . Сильно фрагментированные файлы значительно снижают эффективность работы, так как головки чтения/записи при поиске очередной записи файла должны будут перемещаться от одной области диска к другой. Желательно, чтобы кластеры, выделенные для хранения файла, шли подрят, так, как это позволяет сократить время его поиска. Однако, это можно сделать только с помощью специальной программы, подобная процедура получила название дефрагментации файла.

Недостатком FAT так же является то, что ее производительность зависит от количества файлов, находящихся в одном каталоге. При большом количестве файлов (около тысячи), выполнение операции считывания списка файлов в каталоге может занять несколько минут. FAT не предусматривает хранения такой информации, как сведения о владельце или полномочия доступа к файлу.

FAT - простая файловая система, не предотвращающая порчи файлов из-за ненормального завершения работы компьютера, она является одной из самых распространенных файловых систем, и ее поддерживают большинство ОС.

Организация файловой системы fat

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним.. Для того, чтобы данные могли быть записаны на диск, его поверхность необходимо структурировать -т.е. разделить на сектора и дорожки .

A- дорожка

C- кластер

Рисунок 1- Структура диска

Дорожки - это концентрические окружности, покрывающие поверхность диска. Ближайшей к краю диска дорожке присвоен номер 0, следующей за ней - 1 и т.д. Если дискета двусторонняя, то пронумерованы обе ее стороны. Номер первой стороны - 0, номер второй - 1.

Каждая дорожка разбивается на участки, называемые секторами . Секторам также присваиваются номера. Первому сектору на дорожке присваивается номер 1, второму - 2 и т.д.

Жесткий диск состоит из одной или нескольких круглых пластин. Для хранения информации используются обе поверхности пластины. Каждая поверхность разбивается на дорожки, дорожки, в свою очередь, - на сектора. Дорожки одинакового радиуса составляют цилиндр . Таким образом, все нулевые дорожки составляют цилиндр с номером ноль, дорожки с номером 1 - цилиндр с номером 1 и т.д.

Поэтому поверхность жесткого диска можно рассматривать как трехмерную матрицу, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения.

Файловая система это всего лишь способ организации данных на носителе, ничего сложного в этой организации нет.

Возможно вы думаете: «что файловая система это сложная и непонятная штука, ведь с ней работают операционные системы, а там все просто быть не может…»

Частично вы правы, но весь изюм находиться в драйвере файловой системе, т.е. в программе, которая предоставляет API для остальных прикладных программ. Она как раз и выполняет такие действия как:

• создать файл
• удалить файл
• переименовать
• скопировать
• показать содержимое каталога
• перейти в другой каталог и т.п.

Сам принцип организации файловой системы прост.

В этом посте, я не буду рассматривать как устроен драйвер и как он создает/удаляет файлы, я расскажу вам о принципе организации файловой системы FAT16.

(про то, как написать драйвер, есть отдельный )

Почему FAT16?

Я считаю её наиболее удобной для обучения, её легко осмыслить. А зная идею, уже не сложно изучать другие файловые системы — FAT32, NTFS, и т.п.

Зачем мне нужно знать как устроена файловая система?

Зная принцип организации файловой системы, вы можете разработать свой драйвер или файловый менеджер на любом вычислительном устройстве.

Описание файловой системы FAT16

Для удобного ориентирования по посту, я приведу список вопросов, на которые вы найдете ответы:

Файловая система FAT16 делит все адресное пространство носителя на две области:

• системную область
• область данных

Для наглядности изобразим все адресное пространство прямоугольником. Малая верхняя часть прямоугольника (адресного пространства) это системная область, нижняя массивная это область данных.

Все данные, которые мы храним на своем носителе, т.е. все файлы и каталоги — хранятся в области данных. Системная же область, хранит параметры данного носителя и характеристики файлов и директорий – имя файла, имя директориии, атрибуты файла и т.п.

Начнем с простого, пару слов про область данных и как там хранятся данные

Про область данных …

Чтобы не адресовать каждый байт (хотя некоторые носители информации позволяют работать и побайтно) в файловой системе используют другую минимальную адресуемую единицу – сектор . Размер сектора 512 байт . Помимо сектора файловая система FAT16 использует еще такое понятие как кластер . Кластер это один или несколько расположенных подряд секторов .

Этим параметром (число секторов на кластере) часто манипулируют при форматирование носителей информации. Т.к. от него зависит скорость работы и «степень упаковка данных». FAT16 как и все файловые системы использует такое понятие как файл. Файл это область данных имеющая имя и некоторые атрибуты. Физически в области данных это один или несколько занятых кластеров, причем файл занимает целое число кластеров. Даже, если он занимает чуть больше чем два кластера для файловой системы занятых под файл будет считаться три кластера. Поэтому, чем меньше размер кластера, тем больше «степень упаковки данных» и экономичнее используется область данных. С другой стороны, считывать файл из больших кусков памяти т.е. кластеров быстрее, чем из мелких. Поэтому, выбор размера кластера это дело компромисса.

Файловая система FAT16 накладывает ограничения на размер кластера , не более 128 секторов (т.е. не более 64 кб) и на количество кластеров не более 65525 штук . Если использовать все по максимум, т.е. максимальные размер секторов и максимальное количество кластером, то выходит что FAT16 не может адресовать больше чем 4.2 гигабайта информации .

Если мы производим форматирование в автоматическом режиме (когда не указываем размер кластера), то размер кластер выбирается минимальным, при котором получающееся количество кластеров не превышает 65525.

Про системную область …

Системная область создается при форматирование носителя и носит описательный характер . Она состоит из следующих частей:

Разберем каждую часть подробнее

1. Загрузочный сектор

Загрузочный сектор представляет собой таблицу параметров и программу загрузчик . Размер загрузочного сектора обычно 512 байт , но он может быть больше.

Рассмотрим структуру загрузочного сектора.

Не пугайтесь большого количества полей в загрузочном секторе, он излишен . Например, в нем храниться информация не актуальная для флеш накопителей: число секторов на треке, число головок. Так, что не все параметры для нас будут полезны.

Если посмотреть HEX код , какого-нибудь носителя информации отформатированного в формате FAT16 , то мы увидим значение полей. В качестве примера я приведу HEX код образа в формате FAT16 созданного в WinImage. Для удобства ориентирования по коду, я пометил цветами какой фрагмент HEX кода к какому параметру относиться.

P.S. Значение для каждой ячейки считаются справа налево , например если написано 00 02 h, то на самом деле это 02 00 h, т.е. 512

P.S. Загрузочный сектор всегда заканчивается 55AAh.

Важно обратить внимание на параметр «ReservedSectors » — количество зарезервированных секторов, по смещению 0Eh . В самом начале, я говорил, что загрузочный сектор обычно имеет размер 512 байт, но может быть и больше. Определяется его размер параметром «ReservedSectors », в нашем случае ReservedSectors = 01h , значит загрузочный сектор занимает 1-ин сектор или 512 байт .

2. FAT

После загрузочного сектора с размером 512* ReservedSectors байт , идет таблица FAT1 , её размер определяется двухбайтовым полем — SectorPerFat (16h) загрузочного сектора. В примере выше значение данного поля равняется 0001h или 1 , т.е. один сектор или 512 байт .

Что такое FAT?

Первым делом это аббревиатура – File Allocation Table , означающая «таблица расположение файлов». Это таблица с одним столбцом и 512/2 количеством строк (если размер таблицы FAT – 512 байт или SectorPerFat равен 0001h, как в нашем случае). Каждая строка таблицы FAT занимает 2 байта памяти , поэтому количество строк для нашего случая это 512/2 .

Таблица служит в роли карты по кластерам , каждая её строка характеризует какой либо кластер , первая строка – первый кластер, вторая – второй и так для всех кластеров, что есть в области данных. Перед таблицей стоит дескриптор таблицы F8FFh (то же значение, что и в 15h загрузочного сектора) и заполнитель FFFFh . Далее идут строки таблицы, значения которых могут быть следующие:

• 0000h - свободный кластер;
• 0002h-FFEFh - номер следующего элемента в цепочке;
• FFF0h-FFF6h - зарезервированный;
• FFF7h - дефектный;
• FFF8h-FFFFh - последний в цепочке;

Приведу пример HEX кода с пояснением .

Синей рамкой я обозначил таблицу FAT1 , красной таблицу FAT2 (копия таблицы FAT1). Закрашенный зеленый квадратик это дескриптор таблицы F8FFh и заполнитель FFFFh . Не закрашенные квадратики, это строки таблицы. Я не стал обозначать все строки зеленой рамкой, обвел только не нулевые.

Как применяется и зачем нужна FAT, я объясню чуть позже.

3. Корневой каталог

После таблиц FAT идет «корневой каталог ». Это область памяти, содержащая 32-ух байтовые элементы . Каждый элемент описывает , какой либо файл или каталог, находящиеся в корневом каталоге или другим языком «в корне» жесткого диска/флешки. Выходит корневой каталог описывает все то, что есть в корне.

Размер корневого каталога зависит от параметра RootEntries (11h) загрузочного сектора. В нем указывается максимальное число 32-ух байтных элементов в корневом каталоге. Выходит размер каталога это RootEntries * 32 , для нашего случая это 512 * 32 = 16384 байт .

Каждый элемент имеет следующую структуру:

Приведу пример HEX кода с пояснением.

Зеленой рамкой я обозначил область памяти, отвечающая за корневой каталог , синей 32-ух байтные элементы корневого каталога . Не пустые 32-ух байтные элементы я закрасил голубым.

Здесь два не пустых 32-ух байтных элемента , значит, в корневом каталоге храниться два «чего-то» , это могут быть как файлы так и другие каталоги . В данном случае для простоты примера в корне храниться два файла «1.txt » и «test.txt ».

Рассмотрим поближе этих два 32-ух байтных элемента, для удобства я отметил цветами фрагмент HEX кода и соответствующий параметр 32-ух байтного элемента в таблице.

P.S . Если первый байт имени файла заменить на «E5» , то проводник Windows будет считать его как удаленный . Такой файл возможно восстановить, заменив первый символ E5 в имени на прежнее значение. Не уверен до конца, но думаю, что так работает корзина в Windows. Помещая в корзину, операционная система сохраняет, где-то имя файла и заменяет первый байт в имени на E5, а при восстановление присваивает файлу прежнее имя.

P.S . Имена файлов в системе FAT16 хранятся в формате 8.3 . Т.е. 8-байтов выделено для имени и 3-и байта выделено для расширения . Имена кодируются в формате ASCII , один символ это один байт. Поэтому имя не может иметь длину больше чем 8-емь символов , а расширения больше 3-ех . Если имя короче 8-и символов , то недостающие байты заполняются 20h (знак пробела в ASCII коде).

P.S . Напомню, что значение для каждой ячейки считается справа налево, например если написано 00 02 h, то на самом деле это 02 00 h, т.е. 512 в десятичной системе исчисления.

Самый важный для нас параметр находится по адресу 1Аh — «младшее слово первого кластера файлов ». В нем храниться номер кластера, в котором находиться содержимое файл, а это значит мы можем работать с информацией данного файла, т.е. считывать, редактировать его и т.п.

Например «1.txt » храниться в кластере номер 0x0003 или 3 в десятичной системе исчисления. А это значит, что если мы перейдем к кластеру №3 в области данных (напомню, область данных это просто подряд идущие кластеры) мы попадем к содержимому данного файла .

У вас может возникнуть «практический» вопрос, а как найти этот третий кластер? По какому адресу он находиться?

Как найти адрес кластера зная его номер?

Для этого, вам нужно знать какой объем у вас занимает системная область и какого размера кластеры (т.е. сколько секторов (или 512 байт) содержит в себе кластер).

Узнать размер системной области вам поможет следующий рисунок:

Пример для моего случая

Загрузочный сектор имеет объем 512*ReservedSectors байт, в моем случае 512 байт . Далее, таблица FAT у меня занимает один сектор , т.е. 512 байт (т.к. SectroPerFat равен 1). Таблицы две (т.к. NumberOfFATs равен 2), значит две таблицы в сумме 512*2=1024 байт . Размер корневого каталога 512-ть 32-ух значных элементов, т.е. 512*32=16384 байт . Считаем:

512 (загрузочный сектор) + 1024 (две таблицы FAT) + 16384 (корневой каталог) = 17920 байт или 4600 в шестнадцатеричной системе исчисления.

В итоге, в нашем случае область данных начинается с 0x4600 , посмотрим:

Мы видим содержимое, какого то файла, но не нашего. Данные интересующего наc файла (1.txt) хранятся в кластере №3 .

Теперь нужно узнать размер кластера, в этом нам поможет параметр загрузочного сектора – SectorPerCluster (0xD, размер параметра 1 байт). В нашем случае размер кластера 4-е сектора , т.е. 512*4=2048 байт или 800 в шестнадцатеричной системе исчисления. Важно заметить, что кластеры нумеруются с двойки, а не с единицы (!).

Подсчитываем, с какого адреса начинается кластер №3 :

0x4600 (системная область) + 0x800 (второй кластер) = 0x4E00

Подсчитываем, по какому адресу кончается кластер №3 :

0x4E00 (начало кластера №3) + 0x800 (512*4 или размер одного кластера в HEX) = 0x5600

В результате кластер №3 лежит в диапазоне адресов 0x4E00 — 0x5600.

Посмотрим HEX код

Синий рамкой я обозначил содержимое файла 1.txt . Все, что выше рамки — содержимое другого файла. Пустые области сектора заполняются 0x00.

Так зачем нужна таблица FAT?

Если файл занимает больше чем один кластер (в нашем случае если файл больше 2048 байт), то нам приходит в помощь таблица FAT. Она представляет собой что-то вроде «карты» кластеров. Т.е. когда мы узнаем номер сектора , с которого начинается интересующий нас файл, первом делом мы должны посмотреть такой же номер строки в FAT .

Если строка имеет значение 0xFF8-0xFFFF , то это значит, что это последний кластер для данного файла, т.е. файл занимает всего один кластер .

Если строка имеет значение 0x0002-0xFFEF , то это означает, что файл растянулся на еще один кластер . Цифра означает номер следующего кластера , в котором храниться продолжение файла. Мы должны продолжить считывать файл по данному номеру кластера.

После считывания нового кластера, нужно посмотреть значение строки по данному номеру в FAT. Если значение строки равно 0x FF8-0xFFFF, то это значит, что данный кластер последний в файле. Если 0x0002-0xFFEF, то это номер для следующего кластера, считываем дальше и повторяем действие. Считывание файла это цикл с условием.

Итак мы разобрались с файлами, теперь пришло время разобраться с директориями.

Что такое директория?

Директория для файловой системы FAT16 (да и для многих других) это особый файл с нулевым размером хранящий список своего содержимого .

Допустим, мы добавили в наш образ FAT16 директорию «TEST_DIR » c файлом «in_dir.txt ». Тогда в корневом каталоге появиться новый 32-ух байтный элемент , он описывает директорию также как и файл , но с небольшими отличиями.

Я отметил красным параметры характерные для директорий, это 0x10 – метка каталога и 0x00000000 — размер файла.

Как видно в синем квадрате, директория у нас лежит в кластере №5 , посмотрим что там.

Содержимого «файла» TEST_DIR по сути, это тот же корневой каталог , т.е. набор 32-ух байтных элементов . Я обозначил каждый элемент зеленой рамкой.

В элементах описывается имя файла или каталога, атрибуты и номер кластера в котором лежат его данные. В любой папке, всегда есть два каталога с именем «.» и «..» .

Первый лежит в кластере №5 , т.е. это тот же самый каталог , а второй на кластер номер №0 . Под этим номером понимается «корневой каталог» , т.е. это выход в корневой каталог.

Описание файла «in_dir.txt » стандартное, как и для корневого каталога (см. корневой каталог). Для нас главное, это номер кластера в котором находиться содержимое данного файла (обозначил красным квадратом).

Смотрим кластер №6 и видим содержимое файла «in_dir.txt ». Красной линей я обозначил начало кластера.

Вам будет интересно:

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 .