Файловые системы VFAT и FAT32

Одной из важнейших характеристик исходной файловой системы FAT было ис­пользование имен файлов формата 8.3. К стандартной системе FAT (имеется в виду прежде всего реализация FAT 16) добавились еще две разновидности, используе-

172___________________________________________ Глава 6. Файловые системы

мые в широко распространенных ОС от Microsoft (конкретно — в Windows 95 и Windows NT): VFAT (виртуальная система FAT) и система FAT32, используе­мая в одной из редакций ОС Windows 95 и Windows 98. Ныне файловая система FAT32 поддерживается и такими последними системами, как Windows Millennium Edition, Windows 2000 и Windows XP. Имеются реализации FAT32 и для Windows NT, и для Linux.

Файловая система VFAT впервые появилась в Windows 3.11 (Windows for Work­groups). С выходом Windows 95 в VFAT добавилась поддержка длинных имен файлов (Long File Name, LFN). Тем не менее, VFAT сохраняет совместимость с ис­ходным вариантом FAT; это означает, что наряду с длинными именами в ней под­держиваются имена формата 8.3, а также существует специальный механизм для преобразования имен 8.3 в длинные имена, и наоборот. Именно файловая система VFAT поддерживается исходными версиями Windows 95, Windows NT 4, Windows 2000 и Windows XP. При работе с VFAT крайне важно использовать файловые утилиты, обслуживающие VFAT вообще и длинные имена в частности. Дело в том, что более ранние файловые утилиты DOS запросто модифицируют то, что кажет­ся им исходной структурой FAT. Это может привести к потере или порче длинных имен из таблицы размещения файлов, поддерживаемой VFAT (или FAT32). Сле­довательно, для томов VFAT необходимо пользоваться файловыми утилитами, которые понимают и сохраняют файловую структуру VFAT.

Основными недостатками файловых систем FAT и VFAT, которые привели к разработке новой реализации файловой системы, основанной на той же идее (таб­лице размещения файлов), являются большие потери на кластеризацию при боль­ших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического дис­ка. Поэтому в Microsoft Windows 95 OEM Service Release 2' на смену системе VFAT пришла файловая система FAT32, которая является полностью самостоя­тельной 32-разрядной файловой системой и содержит многочисленные усовер­шенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT. Самое принципиальное отличие заключается в том, что FAT32 намного эффек­тивнее расходует дисковое пространство. Прежде всего, кластеры в этой системе меньше, чем кластеры в предыдущих версиях, в которых могло быть не более 65 535 кластеров на логический диск (соответственно с увеличением размера диска приходилось увеличивать и размер кластеров). Следовательно, даже для дисков размером до 8 Гбайт FAT32 может использовать 4-килобайтные класте­ры. В результате по сравнению с дисками FAT 16 экономится значительное дис­ковое пространство (в среднем 10-15%). В FAT32 проблема решается за счет того, что собственно сама таблица размещения файлов в этой файловой системе может содержать до 2²⁸ кластеров².

FAT32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную ко­пию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет

¹ Эту версию Windows 95 часто называют Windows 95 OSR2.

² В 32-разрядном слове FAT32, используемом для представления номера кластера, фактически учи­
тываются только 28 разрядов, что приводит к тому, что размер таблицы размещения файлов в этой
системе не может превышать 2²⁸ элементов.

Файловая система FAT________________________________________________ 173

создавать копии критически важных структур данных; это повышает устойчивость дисков FAT32 к нарушениям структуры таблицы размещения файлов по сравне­нию с предыдущими версиями. Корневой каталог в FAT32 представлен в виде обыч­ной цепочки кластеров, следовательно, он может находиться в произвольном месте диска, что снимает действовавшее ранее ограничение на размер корневого катало­га (512 элементов).

Системы Windows 95 OSR2 и Windows 98 могут работать и с разделами VFAT, созданными Windows NT. To, что говорилось ранее об использовании файловых утилит VFAT с томами VFAT, относится и к FAT32. Поскольку прежние утили­ты FAT (для FAT32 в эту категорию входят обе файловые системы, FAT и VFAT) могут повредить или уничтожить важную служебную информацию, для томов FAT32 нельзя пользоваться никакими файловыми утилитами, кроме утилит FAT32.

Рис. 6.3. Элементы каталогов для FAT, VFAT и FAT32

174__________________________________________ Глава 6. Файловые системы

Помимо повышения максимального объема логического диска и уменьшения эф­фекта кластеризации, файловая система FAT32 вносит ряд необходимых усовер­шенствований в структуру корневого каталога. Предыдущие реализации требова­ли, чтобы вся информация корневого каталога FAT находилась в одном дисковом кластере. При этом корневой каталог мог содержать не более 512 файлов. Необхо­димость представлять длинные имена и обеспечить совместимость с прежними версиями FAT привела разработчиков компании Microsoft к компромиссному ре­шению: для представления длинного имени они стали использовать элементы каталога, в том числе и корневого. По этой причине для того, чтобы компенсиро­вать сокращение элементов главного каталога при использовании длинных имен, в FAT32 было увеличено их количество с 512 до 2048. Более того, чтобы не испы­тывать возможных проблем из-за расходования элементов активного каталога на описания файлов с длинными именами, компания Microsoft не рекомендует да­вать файлам слишком длинные имена.

Рассмотрим способ представления в VFAT длинного имени файла (рис. 6.3).

Первые 11 байт элемента каталога DOS используются для хранения имени файла. Каждое такое имя разделяется на две части: в первых восьми байтах хранятся сим­волы собственно имени, а в последних трех — символы так называемого расшире­ния, с помощью которого реализуются механизмы предопределенных типов. Были введены соответствующие системные соглашения, и файлы определенного типа желательно именовать с оговоренным расширением. Например, исполняемые фай­лы с расширением СОМ определяют исполняемую двоичную программу с про­стейшей односегментной структурой. Более сложные программы имеют расши­рение ЕХЕ. Определены расширения для большого количества типов файлов и эти расширения используются для ассоциированного запуска программ, обраба­тывающих эти файлы.

Если имя файла состоит менее чем из восьми символов, то в элементе каталога оно дополняется символами пробела, чтобы полностью заполнить все восемь байтов соответствующего поля. Аналогично и расширение может содержать от нуля до трех символов. Остальные (незаполненные) позиции в элементе каталога, опреде­ляющие расширение имени файла, заполняются символами пробела. Поскольку при работе с именем файла учитываются все одиннадцать свободных мест, то не­обходимость в отображении точки, которая обычно вводится между именем фай­ла и его расширением, отпадает. В элементе каталога она просто подразумевается.

В двенадцатом байте элемента каталога хранятся атрибуты файла. Шесть из вось­ми указанных разрядов используются DOS². Они перечислены ниже.

- A (Archive — архив). Показывает, что файл был открыт программой таким об­разом, чтобы у нее была возможность изменить содержимое этого файла. DOS устанавливает этот разряд при открытии файла. Программы резервного копи­рования (или, как часто говорят, архивирования, то есть составления архивов

¹ Для программных модулей, имеющих такую структуру, может использоваться и расширение BIN.

² В некоторых операционных системах, в частности вNovell Netware, используется один или два до­
полнительных разряда атрибутов.

Файловая система FAT________________________________________________ 175

данных) нередко сбрасывают его в ходе резервного копирования файла. Если применяется подобная методика, то в следующую создаваемую по порядку ре­зервную копию будут добавлены только те файлы, в которых данный разряд установлен.

- D (Directory — каталог). Показывает, что данный элемент каталога указывает
на подкаталог, а не на файл.

- V (Volume — том). Применяется только к одному элементу каталога в корне­
вом каталоге. В нем собственно и хранится имя дискового тома. Этот атрибут
также применяется в случае длинных имен файлов, о чем можно будет узнать
из следующего раздела.

- S (System — системный). Показывает, что файл является частью операционной
системы или специально отмечен подобным образом прикладной программой,
что иногда делается для защиты от копирования.

- Н (Hidden — скрытый). К скрытым относятся также файлы с установленным атрибутом S (системный), которые не отображаются по команде DIR.

- R (Read only — только для чтения). Показывает, что данный файл не подле­жит изменению. Разумеется, поскольку это лишь разряд байта, хранящего­ся на диске, то любая программа может изменить этот разряд и, значит, разрешить изменение соответствующего файла. Этот атрибут в основном ис­пользуется для примитивной защиты от пользовательских ошибок, то есть он помогает избежать неумышленного удаления или изменения ключевых файлов.

Следует отметить, что файл, помеченный одним или более из указанных выше ат­рибутов, может иметь вполне определенный смысл. Например, большинство фай­лов, отмечаемых в качестве системных, отмечаются также атрибутами «скрытый» и «только для чтения».

На дисках FAT 12 или FAT16 следующие за именем 10 байт не используются. Обык­новенно они заполняются нулями и считаются резервными значениями. А на дис­ке с файловой системой FAT32 эти 10 байт содержат самую разную информацию о файле. При этом байт, отмеченный как зарезервированный для NT, представля­ет собой, как подразумевает его название, поле, не используемое в DOS или Win­dows 9х, но применяемое в Windows NT.

Из соображений совместимости поля, которые встречаются в элементах каталога для коротких имен формата FAT 12 и FAT 16, находятся на тех же местах и в эле­ментах каталога для коротких имен формата FAT32. Остальные поля, которые встречаются только в элементах каталога для коротких имен формата FAT32, со­ответствуют зарезервированной области длиной 10 байт в элементах каталога для коротких имен форматов FAT 12 и FAT 16.

Как видно из рис. 6.3, для длинного имени файла используется несколько элемен­тов каталога. Таким образом, появление длинных имен фактически привело к даль­нейшему уменьшению количества файлов, находящихся в корневом каталоге. По­скольку длинное имя может содержать до 256 символов, всего один файл с полным длинным именем занимает до 25 элементов FAT (1 для имени 8.3 и еще 24 для

176___________________________________________ Глава 6. Файловые системы

самого длинного имени). Таким образом, количество элементов корневого катало­га VFAT уменьшается до 21. Очевидно, что это не вполне красивое решение, по­этому компания Microsoft советует избегать длинных имен в корневых каталогах при отсутствии системы FAT32, у которой количество элементов каталога просто требуемым образом увеличено¹.

Загрузочная запись для системы FAT32 несколько отличается от загрузочной записи FAT16. Так, например, в загрузочном секторе для тома с FAT32 в блоке DPB содер­жатся дополнительные поля, а те поля, что находятся в привычном для системы FAT16 месте, перенесены. Поэтому операционная система, в которой есть возможность рабо­тать с файловой системой FAT16, но нет системы управления файлами, понимающей спецификации FAT32, не может читать данные с томов, отформатированных под фай­ловую систему FAT32. В загрузочном секторе для файловой системы FAT32 по-пре­жнему байты с ООН по ОАН содержат команду перехода и OEM ID, а в байтах с ОВН по 59Н содержатся данные блока параметров диска (PDB). Отличие заключается именно в несколько иной структуре блока DPB (табл. 6.5).

Таблица 6.5.Структура загрузочной записи для FAT32

Смещение поля, Длина поля, Обозначение Содержимое поля
байт байт поля

ООН(0) 3 JUMP 3EH Безусловный переход на начало

системного загрузчика

ОЗН (3) 8 Системный идентификатор

ОВН (11) 2 SectSize Размер сектора, байт

0DH(13) 1 ClastSize Число секторов в кластере

0ЕН(14) 2 ResSecs Число зарезервированных секторов,

для FAT32 равно 32

10Н(16) 1 FATcnt Число копий FAT

11Н(17) 2 RootSize 0000H

13Н (19) 2 TotSecs 0000H

15Н (21) 1 Media Дескриптор носителя

16Н(22) 2 FATsize 0000H

18Н(24) 2 TrkSecs Число секторов на дорожке

1АН(26) 2 HeadCnt Число рабочих поверхностей

1СН(28) 4 HidnSecs Число скрытых секторов

(располагаются перед загрузочным сектором). Используется при загрузке для вычисления абсолютного смещения корневого каталога и данных

¹ Помните и о том, что длина полной файловой спецификации, включающей путь и имя файла (длин­ное или в формате 8.3), тоже ограничивается 260 символами. FAT32 успешно справляется с пробле­мой длинных имен в корневом каталоге, но проблема с ограничением длины полной файловой спе­цификации остается. По этой причине Microsoft рекомендует ограничивать длинные имена 75-80 символами, чтобы оставить достаточно места для пути (180-185 символов).

Файловая система HPFS______________________________________________ 177

Смещение поля, Длина поля, Обозначение Содержимое поля
байт байт поля

20Н (32) 4 Число секторов на логическом диске

24Н (36) 4 Число секторов в таблице FAT

28Н (37) 2 Расширенные флаги

2АН (38) 2 Версия файловой системы

2СН (39) 4 Номер кластера для первого кластера

корневого каталога

34Н (43) 2 Номер сектора с резервной копией

загрузочного сектора

36Н (54) 12 Зарезервировано

Заметим, что загрузочная запись для диска с FAT32 занимает не один сектор, как в FAT16 и FAT12, а три. Резервная загрузочная запись, как правило, располагает­ся в секторах 7-9.