Логическая структура диска в DOS

2.1. Таблица разделов и логические диски

2.2. Загрузочная запись BOOT

2.3. Таблица размещения файлов

2.4. Файлы и каталоги

2.5. Программа FDISK и диск-менеджеры

До сих пор при работе с дисками мы не обращались за помощью к DOS, выполняя все дисковые операции либо на уровне команд ввода/вывода, либо на уровне функций BIOS. Операционная система предоставляет намного более удобные средства для работы с диском, чем обращение к отдельным секторам по их номеру, номерам дорожки и головки. К сожалению, некоторые операции можно выполнить только с помощью функций BIOS или даже только с помощью непосредственного программирования контроллера дисковода.

Если возможности DOS по обслуживанию диска вас устраивают, то лучше пользоваться именно функциями DOS - вам не придется заботиться о многих мелочах и вы будете застрахованы от некоторых ошибок. Есть и другие причины предпочтительного использования функций DOS - ваша программа будет меньше зависеть от типа и конфигурации конкретной машины, так как дисковые драйверы DOS скроют от вас многие детали и особенности конкретной системы.

Мы будем изучать возможности DOS по управлению дисковой подсистемой от простых функций ко все более сложным, постепенно вводя все необходимые определения.

2.1. Таблица разделов и логические диски

Персональный компьютер обычно комплектуется одним или двумя НМД. Однако операционная система позволяет вам разбивать НМД на части, причем каждая часть будет рассматриваться DOS как отдельный, "логический" диск.

Зачем нужно разбивать диск на логические диски?

Первые персональные компьютеры IBM PC были укомплектованы только НГМД. Дискеты позволяют хранить относительно небольшие объемы информации, поэтому делить флоппи-диск на части не имеет смысла. Следующая модель компьютера - IBM XT- имела жесткий диск объемом 10 или 20 мегабайт. Диск объемом 20 мегабайтов имели и некоторые экземпляры IBM AT. При использовании таких дисков и операционных систем MS-DOS версий до 3.20 у пользователей не возникало никаких проблем и желания разбить диск относительно малого объема на еще меньшие части.

Проблемы возникли, когда производители НМД освоили выпуск дисков объемом 40 мегабайтов и больше. Оказалось, что используемый DOS механизм 16-ти разрядной адресации секторов не позволяет использовать диски объемом, большим, чем 32 мегабайта.

Операционная система MS-DOS версии 3.30 предложила некоторый выход из создавшегося положения. С помощью утилиты FDISK можно было разбить физический диск на логические, каждый из которых не должен превышать по объему 32 мегабайта.

Впоследствии в версиях 4.00 MS-DOS и 3.31 COMPAQ DOS указанное выше ограничение на размер логического диска было снято, однако схема разделения физического диска на логические полностью сохранилась. Существуют и другие причины, по которым может быть полезно разделение большого диска на части:

• В случае повреждения логического диска пропадает только та информация, которая находилась на этом логическом диске.
• Реорганизация и выгрузка диска маленького размера проще и быстрее, чем большого.
• Возможно разделение дискового пространства между отдельными пользователями персонального компьютера. Такая практика "коллективной" работы на персональном компьютере очень распространена.
• При использовании специальных утилит для разбиения диска на части (диск-менеджеров) возможна установка для отдельных логических дисков защиты от записи. Вы можете записывать на такие диски неизменяющуюся информацию. Вред от программ-вирусов также будет меньше - вирус не сможет записать себя на защищенный диск.
• Один диск может содержать несколько различных операционных систем, расположенных в разных разделах диска. В ходе начальной загрузки вы можете указать раздел диска, из которого должна производиться загрузка операционной системы.

По своей внутренней структуре логический диск полностью соответствует дискете, поэтому сначала мы изучим логическую структуру жесткого диска, затем сделаем некоторые замечания, касающиеся дискет.

Самый первый сектор жесткого диска (сектор 1, дорожка 0, головка 0) содержит так называемую главную загрузочную запись (Master Boot Record). Эта запись занимает не весь сектор, а только его начальную часть. Сама по себе главная загрузочная запись является программой. Эта программа во время начальной загрузки операционной системы с жесткого диска помещается по адресу 7C00:0000, после чего ей передается управление. Загрузочная запись продолжает процесс загрузки операционной системы.

В конце самого первого сектора жесткого диска располагается таблица разделов диска (Partition Table). Эта таблица содержит четыре элемента, описывающих максимально четыре раздела диска. В последних двух байтах сектора находится число 55AA. Это признак таблицы разделов.

Для просмотра и изменения содержимого таблицы разделов жесткого диска используется утилита DOS FDISK, или аналогичная утилита другой операционной системы.

Что представляет из себя элемент таблицы разделов диска?

Это структура размером 16 байтов, описывающая часть диска, называемую разделом. В структуре описаны границы раздела в терминах номеров сектора, дорожки и головки, там располагается информация о размере раздела в секторах и о назначении раздела. Разделы диска могут быть активными, активный раздел может быть использован для загрузки операционной системы. Заметьте, что диск может содержать одновременно несколько активных разделов, которые могут принадлежать разным операционным системам.

Приведем формат первого сектора жесткого диска:

Все элементы таблицы разделов диска имеют одинаковый формат:

В самом первом секторе активного раздела расположена загрузочная запись (Boot Record), которую не следует путать с главной загрузочной записью (Master Boot Record). Загрузочная запись считывается в оперативную память главной загрузочной записью, после чего ей передается управление. Загрузочная запись и выполняет загрузку операционной системы.

Таким образом, загрузка операционной системы с жесткого диска - двухступенчатый процесс. Вначале модули инициализации BIOS считывают главную загрузочную запись в память по адресу 7C00:0000 и ей передается управление. Главная загрузочная запись просматривает таблицу разделов и находит активный раздел. Если активных разделов несколько, на консоль выводится сообщение о необходимости выбора активного раздела для продолжения загрузки.

После того как активный раздел найден, главная загрузочная запись считывает самый первый сектор раздела в оперативную память. Этот сектор содержит загрузочную запись, которой главная загрузочная запись и передает управление.

Загрузочная запись активного раздела выполняет загрузку операционной системы, находящейся в активном разделе.

Такой двухступенчатый метод загрузки операционной системы необходим по той причине, что способ загрузки зависит от самой операционной системы, поэтому каждая операционная система имеет свой собственный загрузчик. Фиксированным является только расположение загрузочной записи - самый первый сектор активного раздела.

Расскажем подробнее о некоторых полях элемента таблицы раздела диска.

Байт со смещением 0, как мы уже говорили, является флагом активного раздела и может принимать одно из двух значений - 0 или 80h соответственно для неактивного и активного разделов диска.

Двухбайтовое слово, расположенное со смещением 8, содержит относительный номер первого сектора раздела. Как он вычисляется?

Значение 0 соответствует дорожке 0, головке 0, сектору 1. При увеличении относительного номера сектора вначале увеличивается номер сектора на дорожке, затем номер головки, и, наконец, номер дорожки. Для вычисления относительного номера сектора можно использовать следующую формулу:

RelSect = (Cyl * Sect * Head) + (Head * Sect) + (Sect -1)

В этой формуле:

Cyl  - номер дорожки;
Sect - номер сектора на дорожке;
Head - номер головки.

Замечание, касающееся границ разделов диска: обычно разделы начинаются с четных номеров дорожек, за исключением самого первого раздела. Этот раздел может начинаться с сектора 2 нулевой дорожки (головка 0), так как самый первый сектор диска занят главной загрузочной записью.

Байт со смещением 4 - это код системы, использующей раздел диска. Для DOS зарезервированы значения 0, 1, 4, 5.

Значение 0 соответствует неиспользуемому разделу диска.

Если код системы в элементе таблицы раздела равен 1 или 4, это означает, что раздел используется DOS в качестве первичного раздела (Primary Partition). Первичный раздел используется DOS как логический диск. Этот раздел обычно является активным и из него выполняется загрузка операционной системы. В зависимости от того, какой код системы используется для обозначения первичного раздела DOS (1 или 4) меняется одна из характеристик логического диска - размер элемента таблицы размещения файлов (FAT). Код 1 используется для обозначения 12-битовой FAT, 4 - для 16-битовой FAT. Таблица размещения файлов будет описана ниже в этой главе.

Значение кода системы, равное 5, обозначает расширенный раздел DOS (Extended DOS Partiton).

Нетрудно заметить, что даже используя все элементы таблицы разделов для создания логических дисков, невозможно создать более четырех дисков. А что делать с винчестерами объемом 300 или 700 мегабайтов? Использование расширенного раздела DOS позволит вам создать любое количество логических дисков. Все эти диски будут располагаться в пределах одного расширенного раздела.

Утилита MS-DOS FDISK позволяет вам создать один первичный раздел DOS и один расширенный раздел. Первичный раздел должен быть активным, он используется как диск С: и из него выполняется загрузка операционной системы. Расширенный раздел разбивается утилитой на логические диски D:, E: и т.д. Расширенный раздел не может быть активным, следовательно, невозможно выполнить загрузку операционной системы с логических дисков, расположенных в этом разделе.

Если в элементе таблицы разделов байт кода системы имеет значение 5, то в начале раздела, указанном в этом элементе, располагается сектор, содержащий таблицу логических дисков. Фактически эта таблица является расширением таблицы разделов диска, расположенной в самом первом секторе физического диска. Таблица логических дисков имеет формат, аналогичный таблице разделов диска, но имеет только два элемента. Один из них указывает на первый сектор логического диска DOS, он имеет код системы 1 или 4. Второй элемент может иметь код системы, равный 5 или 0. Если этот код равен 5, то элемент указывает на следующую таблицу логических дисков. Если код системы равен 0, то соответствующий элемент не используется.

Из сказанного выше следует, что таблицы логических дисков связаны в список, на начало этого списка указывает элемент таблицы разделов диска с кодом системы, равным 5.

Для таблицы логических дисков имеется отличие в использовании полей границ логических дисков: если код системы равен 1 или 4, эти границы вычисляются относительно начала расширенного раздела; для элемента с кодом системы 5 используется абсолютная адресация (относительно физического начала диска).

Приведем конкретный пример. Пусть на диске создано два раздела - первичный и расширенный. Первичный раздел используется для загрузки MS-DOS (диск С:), расширенный раздел содержит логические диски D:, E:, F:. На рисунке показано расположение разделов на диске:

+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+            
¦  ГЛАВНАЯ ЗАГРУЗОЧНАЯ ЗАПИСЬ  ¦            | Сектор главной
¦                              ¦            | загрузочной
¦                              ¦            | записи.
¦  Таблица разделов диска:     ¦            |
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦            | Сектор 1,
¦  Элемент 1                   +­­­+        | дорожка 0,
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦        | головка 0.
¦  Элемент 2                   +­­­+­+      |
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦ ¦      |
¦  Элемент 3                   ¦   ¦ ¦      |
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦ ¦      |
¦  Элемент 4                   ¦   ¦ ¦      
¦­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦ ¦      
¦                              +­­­+ ¦      | Диск С:
¦  ПЕРВИЧНЫЙ РАЗДЕЛ DOS        ¦     ¦      |
¦                              ¦     ¦      |
¦                              ¦     ¦      |
¦­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦     ¦      
¦  РАСШИРЕННЫЙ РАЗДЕЛ DOS      +­­­­­+
¦                              ¦            | Сектор
¦                              ¦            | таблицы
¦                              ¦            | логических
¦  Таблица логических дисков:  ¦            | дисков
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦            |
¦  Элемент 1                   +­­­+        |
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦        |
¦  Элемент 2                   +­­­+­+      
¦­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦ ¦
¦  ЛОГИЧЕСКИЙ ДИСК             +­­­+ ¦      | Диск D:
¦                              ¦     ¦      |
¦                              ¦     ¦
¦­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦     ¦
¦  РАСШИРЕННЫЙ РАЗДЕЛ DOS      +­­­­­+
¦                              ¦            | Сектор
¦                              ¦            | таблицы
¦                              ¦            | логических
¦  Таблица логических дисков:  ¦            | дисков
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦            |
¦  Элемент 1                   +­­­+        |
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦        |
¦  Элемент 2                   +­­­+­+      
¦­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦ ¦
¦  ЛОГИЧЕСКИЙ ДИСК             +­­­+ ¦      | Диск E:
¦                              ¦     ¦      |
¦                              ¦     ¦      |
¦­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦     ¦
¦  РАСШИРЕННЫЙ РАЗДЕЛ DOS      +­­­­­+
¦                              ¦            | Сектор
¦                              ¦            | таблицы
¦                              ¦            | логических
¦  Таблица логических дисков:  ¦            | дисков
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦            |
¦  Элемент 1                   +­­­+        |
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦        |
¦  Элемент 2                   ¦   ¦
¦­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦   ¦  
¦  ЛОГИЧЕСКИЙ ДИСК             +­­­+        | Диск F:
¦                              ¦            |
¦                              ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+

Операционная система не предоставляет программам никаких средств для работы с главной загрузочной записью и таблицей разделов диска. Мы постараемся восполнить этот недостаток, подготовив свои функции для работы с этими данными.

Файл sysp.h содержит определения типов для главной загрузочной записи и таблицы разделов диска:

#pragma pack(1)

/* Элемент таблицы разделов */

typedef struct _PART_ENTRY_ {
        unsigned char flag;
        unsigned char beg_head;
        unsigned beg_sec_cyl;
        unsigned char sys;
        unsigned char end_head;
        unsigned end_sec_cyl;
        unsigned long rel_sec;
        unsigned long size;
} PART_ENTRY;


/* Главная загрузочная запись */

typedef struct _MBOOT_ {
        char boot_prg[0x1be];
        PART_ENTRY part_table[4];
        unsigned char signature[2];
} MBOOT;

#pragma pack()

Для того, чтобы прочитать главную загрузочную запись для одного из установленных в компьютере НМД, вы можете использовать следующую функцию:

/**
*.Name      getmboot
*
*.Title     Считать главную загрузочную запись
*
*.Descr     Функция считывает главную загрузочную запись
*           для указанного НМД.
*
*.Params    int getmboot(MBOOT *master_boot, int drive);
*
*           master_boot - указатель на буфер, в который
*                         будет считана главная загрузочная
*                         запись
*
*           drive       - номер физического НМД
*                         (0 - первый НМД, 1 - второй,...)
*
*.Return    0 - если главная загрузочная запись считана
*               успешно;
*           Код ошибки, полученный от функции BIOS "Чтение
*               сектора" - если чтение главной загрузочной
*               записи выполнить невозможно.
**/

#include <stdio.h>
#include <bios.h>
#include "sysp.h"

int getmboot(MBOOT *master_boot, int drive) {

         struct diskinfo_t di;
         int status;

// Подготавливаем структуру для чтения
// главной загрузочной записи

         di.drive = drive | 0x80;
         di.head     = 0;
         di.track    = 0;
         di.sector   = 1;
         di.nsectors = 1;
         di.buffer   = (char*)master_boot;

// Читаем сектор, содержащий главную
// загрузочную запись

         status = _bios_disk( _DISK_READ, &di ) >> 8;

         return(status);
}

Как пример использования этой функции приведем текст программы, определяющей количество установленных в системе дисков и выводящей на экран для каждого диска содержимое таблицы разделов. В программе используется функция disk_cfg(), определяющая конфигурацию дисковой подсистемы.

#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include "sysp.h"

void main(void);
void main(void) {

  DISK_CONFIG cfg;
  MBOOT mb;
  int i,j, k, status;

  printf("\n"
                "\nТаблицы разделов диска"
                "\n  (C)Фролов А., 1991"
                "\n");

// Определяем конфигурацию дисковой подсистемы

  disk_cfg(&cfg);

// Записываем в переменную i количество
// установленных в системе НМД

  j = cfg.n_hard;
  printf("\nУстановлено дисков: %d", j);

// Для каждого НМД выводим содержимое
// таблицы разделов

  for(i=0;i<j;i++) {

// Читаем главную загрузочную запись

        status = getmboot(&mb,i);
        if(status != 0) {
                printf("\nОшибка чтения диска %d, код ошибки: %d",
                                i, status);
                exit(1);
        }

        printf("\n\nТаблица разделов диска %d",i);
        printf("\n"

"\n------------------------------------------------------------"
"\n|Флаг|Начало раздела |Конец раздела  |Код  |Размер |Отн.   |"
"\n|    |---------------|---------------|сист.|раздела|номер  |"
"\n|    |Гол.|Сект.|Цил.|Гол.|Сект.|Цил.|     |       |сектора|"
"\n|----|----|-----|----|----|-----|----|-----|-------|-------|"
"\n");

        for(k=0; k<4; k++) {
                printf("|%3d |%4d|%4d |%4d|%4d|%4d |%4d|%5d|%7u|",
                mb.part_table[k].flag,
                mb.part_table[k].beg_head,
                mb.part_table[k].beg_sec_cyl & 0x3f,
                (mb.part_table[k].beg_sec_cyl >> 6) & 0x3ff,
                mb.part_table[k].end_head,
                mb.part_table[k].end_sec_cyl & 0x3f,
                (mb.part_table[k].end_sec_cyl >> 6) & 0x3ff,
                mb.part_table[k].sys,
                mb.part_table[k].size);
                printf("%7u|\n",
                        mb.part_table[k].rel_sec);
        }
        printf("------------------------------------------------------------");
  }
}

2.2. Загрузочная запись BOOT

Самый первый сектор логического диска (и самый первый сектор на системной дискете) занимает загрузочная запись (Boot Record). Эта запись считывается из активного раздела диска программой главной загрузочной записи (Master Boot Record) и запускается на выполнение. Задача загрузочной записи - выполнить загрузку операционной системы. Каждый тип операционной системы имеет свою загрузочную запись. Даже для разных версий одной и той же операционной системы программа загрузки может выполнять различные действия.

Кроме программы начальной загрузки операционной системы в загрузочной записи находятся параметры, описывающие характеристики данного логического диска. Все эти параметры располагаются в самом начале сектора, в его так называемой форматированной области. Формат этой области разный для DOS версий до 4.0 и версии 4.0.

Сначала приведем формат записи BOOT для DOS версий, более ранних, чем 4.0.

В самом начале BOOT-сектора располагается команда внутрисегментного перехода JMP. Она нужна для обхода форматированной зоны сектора и передачи управления загрузочной программе, располагающейся со смещением (+30).

Название фирмы-производителя не используется операционной системой.

Со смещением (+11) располагается BPB - блок параметров BIOS, о котором мы уже говорили в разделах книги, посвященных драйверам. Этот блок содержит некоторые характеристики логического диска, о которых мы будем говорить немного позже и используется дисковыми драйверами. Для DOS версий до 4.0 BPB имеет следующий формат:

Поля BOOT-сектора со смещениями 24 и 26 содержат соответственно количество секторов на дорожке и количество головок в дисководе. Поле со смещением 28 содержит количество "скрытых" секторов, которые не принадлежат ни одному логическому диску. Эти сектора могут содержать основную или вторичные таблицы разделов диска.

Для MS-DOS версии 4.0 BOOT-сектор имеет другой формат:

Первые два поля в BOOT-секторе для DOS 4.0 аналогичны описанным раньше.

Поле со смещением (+38) всегда содержит символ ')'. Этот символ означает, что используется формат расширенной загрузочной записи операционной системы MS-DOS 4.0.

Серийный номер диска формируется во время форматирования диска на основе даты и времени форматирования. Это поле может быть использовано для определения факта замены диска в дисководе.

Метка диска формируется при форматировании и может быть изменена командой операционной системы LABEL. Одновременно метка диска помещается в корневой каталог.

Поле со смещением 11 содержит расширенный блок параметров BIOS. Он состоит из обычного BPB и дополнительного расширения:

Как обычный, так и расширенный блок параметров BIOS содержит байт-описатель среды media. Этот байт может служить для идентификации носителя данных и может содержать следующие величины, характеризующие носитель данных по количеству сторон диска и количеству секторов на дорожке:

Мы не будем рассматривать восьмидюймовые дискеты, которые используют значения FEh и FDh байта описателя среды, так как такие дискеты используются крайне редко.

Прежде чем мы продолжим изучение логической структуры диска, покажем, как программа может обратиться к BOOT-сектору.

DOS предоставляет программе возможность работы с так называемыми логическими номерами секторов. Это номера секторов внутри логического диска.

Вы знаете, что для адресации сектора при помощи функций BIOS необходимо указывать номер дорожки, номер головки и номер сектора на дорожке. DOS организует "сквозную" нумерацию секторов, при которой каждому сектору логического диска присваивается свой уникальный номер. Порядок нумерации выбран таким, что при последовательном увеличении номера сектора вначале увеличивается номер головки, затем номер дорожки. Это сделано для сокращения перемещений блока головок при обращении к последовательным логическим номерам секторов.

Пусть, например, у нас есть дискета с девятью секторами на дорожке. Сектор с логическим номером, равным 1, расположен на нулевой дорожке и для обращения к нему используется нулевая головка. Это самый первый сектор на дорожке, в терминах BIOS он имеет номер 1. Следующий сектор на нулевой дорожке имеет логический номер 2, последний сектор на нулевой дорожке имеет логический номер 9. Сектор с логическим номером 10 расположен также на нулевой дорожке. Это тоже самый первый сектор на дорожке, но теперь для доступа к нему используется головка с номером 1. И так далее, по мере увеличения логического номера сектора изменяются номера головок и дорожек.

Для работы с логическим диском (или дискетой) на уровне логических номеров секторов DOS предоставляет программам два прерывания - INT 25h (чтение сектора по его логическому номеру) и INT 26h (запись сектора по его логическому номеру). Вызов этих прерываний имеет различный формат для разных версий DOS. Для тех версий, которые не поддерживают размер логических дисков более 32 М (MS-DOS 3.10, 3.20, 3.30) используется следующий формат:

INT 25h - Чтение сектора по его логическому номеру

INT 26h - Запись сектора по его логическому номеру

Для версий DOS MS-DOS 4.0 и COMPAQ DOS 3.31 используется другой способ задания номера логического сектора. Так как шестнадцати разрядов регистра недостаточно для адресации диска размером более 32М, то при работе с расширенным разделом диска (т.е. с разделом диска, занимающим более 32 мегабайтов) при вызове этих прерываний регистры используются по-другому.

Регистр CX содержит FFFFh - признак того, что работа будет производится с логическим диском, имеющим размер более 32 мегабайтов.

Регистры DS:BX содержат адрес управляющего блока:

Так как для задания начального номера логического сектора в этом управляющем блоке отводится 4 байта, то снимается 32-мегабайтное ограничение на размер логического диска.

Очень важное замечание, касающееся только что рассмотренных прерываний DOS. Эти прерывания оставляют в стеке одно слово - старое значение регистра флагов. Поэтому после вызова прерывания должна следовать, например, такая команда:

pop ax

Содержимое BOOT-сектора может быть использовано для определения общего количества секторов на логическом диске (например, в программах проверки читаемости секторов диска), для работы с таблицей размещения файлов FAT, о которой мы будем говорить ниже, для определения других характеристик логического диска.

Для работы с загрузочной записью мы подготовили структуры, описывающие расширенный блок параметров BIOS EBPB и собственно загрузочную запись BOOT:

#pragma pack(1)

/* Расширенный блок параметров BIOS */

typedef struct _EBPB_ {
        unsigned sectsize;
        char clustsize;
        unsigned ressecs;
        char fatcnt;
        unsigned rootsize;
        unsigned totsecs;
        char media;
        unsigned fatsize;
        unsigned seccnt;
        unsigned headcnt;
        unsigned hiddensec_low;
        unsigned hiddensec_hi;
        unsigned long drvsecs;
} EBPB;

/* Загрузочная запись для MS-DOS 4.01 */

typedef struct _BOOT_ {
        char jmp[3];
        char oem[8];
        EBPB bpb;
        char drive;
        char reserved;
        char signature;
        unsigned volser_lo;
        unsigned volser_hi;
        char label[11];
        char fat_format[8];
        char boot_code[450];

} BOOT;

#pragma pack()

Поле серийного номера диска разбито на две компоненты - volser_lo и volser_hi. Это сделано для облегчения представления серийного номера в виде, аналогичном используемому командой DIR операционной системы MS-DOS 4.0.

Для чтения загрузочной записи логического диска вы можете использовать следующую функцию:

/**
*.Name      getboot
*
*.Title     Считать загрузочную запись
*
*.Descr     Функция считывает загрузочную запись
*           для указанного НМД.
*
*.Params    int getmboot(BOOT _far *boot, int drive);
*
*           boot        - указатель на буфер, в который
*                         будет считана загрузочная
*                         запись
*
*           drive       - номер физического НМД
*                         (0 - первый НМД, 1 - второй,...)
*
*.Return    0 - если загрузочная запись считана
*               успешно;
*           1 - произошла ошибка
**/

#include <stdio.h>
#include <dos.h>
#include "sysp.h"

int getboot(BOOT *boot, int drive) {

         union REGS reg;
         struct SREGS segreg;

// Заполняем регистровые структуры для вызова
// прерывания DOS INT 25h

         reg.x.ax = drive;
         reg.x.bx = FP_OFF(boot);
         segreg.ds = FP_SEG(boot);
         reg.x.cx = 1;
         reg.x.dx = 0;
         int86x(0x25, &reg, &reg, &segreg);

// Извлекаем из стека оставшееся там после
// вызова прерывания слово

         _asm pop ax

         return(reg.x.cflag);
}

Эта функция используется в следующей программе, показывающей содержимое загрузочной записи для указанного логического диска:

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
#include <dos.h>
#include "sysp.h"

void main(void);
void main(void) {

  BOOT _far *boot_rec;
  int i, status;
  char drive;

  printf("\n"
                        "\nЧтение загрузочной записи логического диска"
                        "\n  (C)Фролов А., 1991"
                        "\n");


// Заказываем буфер для чтения BOOT-записи.
// Адрес буфера присваиваем FAR-указателю.

  boot_rec = _fmalloc(sizeof(*boot_rec));

// Запрашиваем диск, для которого необходимо
// выполнить чтение загрузочной записи.

  printf("\n"
                        "\nВведите обозначение диска, для просмотра"
                        "\nзагрузочной записи (A, B, ...):");

  drive = getche();

// Вычисляем номер дисковода

  drive = toupper(drive) - 'A';

// Читаем загрузочную запись в буфер

  status = getboot((BOOT _far*)boot_rec, drive);

// Если произошла ошибка (например, неправильно указано
// обозначение диска), завершаем работу программы

  if(status) {
                printf("\nОшибка при чтении BOOT-сектора");
                exit(-1);
  }

  printf("\nСодержимое BOOT-сектора для диска %c",drive+'A');
  printf("\n"
                        "\nOEM - название фирмы и версия DOS - ");

  for(i=0;i<8;i++) printf("%c",boot_rec->oem[i]);

  printf("\nНомер диска                       - %x"
                        "\nПризнак расширенной BOOT-записи   - %c"
                        "\nСерийный номер диска              - %04X-%04X"
                        "\nМетка диска                       - ",
                        (unsigned char)boot_rec->drive,
                        boot_rec->signature,
                        boot_rec->volser_hi,
                        boot_rec->volser_lo);

  for(i=0;i<11;i++) printf("%c",boot_rec->label[i]);

  printf("\nФормат FAT                        - ");
  for(i=0;i<8;i++) printf("%c",boot_rec->fat_format[i]);

  printf("\n\nИнформация из BPB:\n");

  printf("\nКоличество байтов в секторе       - %d"
                "\nКоличество секторов в кластере    - %d"
                "\nЗарезервировано секторов          - %d"
                "\nКоличество копий FAT              - %d"
                "\nМакс. количество файлов в корневом каталоге - %d"
                "\nОбщее количество секторов на диске          - %d"
                "\nБайт-описатель среды              - %x"
                "\nКоличество секторов в FAT         - %d",
                boot_rec->bpb.sectsize,
                boot_rec->bpb.clustsize,
                boot_rec->bpb.ressecs,
                boot_rec->bpb.fatcnt,
                boot_rec->bpb.rootsize,
                boot_rec->bpb.totsecs,
                (unsigned char)boot_rec->bpb.media,
                boot_rec->bpb.fatsize);

  printf("\n\nИнформация из расширения BPB:\n");

  printf("\nСекторов на дорожке               - %d"
                "\nКоличество головок                - %d"
                "\nСкрытых секторов для диска < 32M  - %d"
                "\nСкрытых секторов для диска >= 32M - %d"
                "\nВсего секторов на диске           - %u",
                boot_rec->bpb.seccnt,
                boot_rec->bpb.headcnt,
                boot_rec->bpb.hiddensec_low,
                boot_rec->bpb.hiddensec_hi,
                boot_rec->bpb.totsecs);

// Освобождаем буфер

  _ffree(boot_rec);
}

Приведенная выше программа использует функции _fmalloc() и _ffree() соответственно для заказа и освобождения массива памяти. В отличие от широко известных функций malloc() и free(), эти функции используют FAR-указатели на полученную и отдаваемую области памяти.

2.3. Таблица размещения файлов

Сразу после загрузочного сектора на логическом диске находятся сектора, содержащие таблицу размещения файлов FAT (File Allocation Table). В отечественной литературе иногда можно встретить аббревиатуру ТРФ, однако мы будем пользоваться общепринятым сокращением - FAT.

Для того, чтобы назначение этой таблицы стало более понятным, вспомним, как организовано хранение информации на различных носителях данных.

Магнитные ленты. Этот вид носителей информации использовался еще в самых первых ЭВМ. В современных компьютерах магнитные ленты используются для разгрузки магнитных дисков.

При использовании магнитных лент информация записывается в виде файлов с последовательным доступом. Последовательный доступ означает, что для чтения какого-либо файла требуется вначале прочитать все предыдущие файлы. При записи информация может добавляться в конец ленты, после той информации, которая была записана в последний раз.

Если вы попытаетесь перезаписать файл, то это может привести к потере всех файлов, расположенных на магнитной ленте после перезаписываемого.

Доступ к информации, записанной на магнитном диске, может выполняться либо последовательным, либо прямым методом доступа. Использование прямого метода доступа позволяет позиционировать головки сразу на тот файл, который вам нужен (или на нужную запись файла). Например, вы можете задать номер сектора на оперделенной дорожке и номер головки.

Но метод доступа - это еще не все. Важное значение имеет способ распределения места на диске для файлов. От правильного выбора способа распределения зависит эффективность работы программ.

Операционная система ОС ЕС для ЭВМ ряда ЕС позволяет задать начальное количество цилиндров диска для размещения набора данных и размер области диска, которая может быть использована для этого набора дополнительно. Если при записи в файл все распределенное для файла место на диске окажется исчерпанным, программа завершится аварийно, даже если на диске еще есть свободные цилиндры.

Операционные системы, подобные DOS, UNIX, OS/2 используют дисковое пространство другим способом.

В этих операционных системах при создании файла для него не задается начальное распределение памяти в дорожках или секторах. По мере того, как файл увеличивается в размерах, операционная система распределяет этому файлу сектора из числа свободных, не используемых другими файлами. При этом файл располагается не обязательно в смежных областях диска, он может быть разбросан по разным дорожкам и секторам.

Очевидно, что в этом случае операционная система должна вести учет используемых участков диска. Для каждого файла она должна хранить где-то информацию о том, какому файлу какие участки диска распределены.

В операционной системе MS-DOS для хранения этой информации используется таблица размещения файлов.

Весь диск разбивается операционной системой на участки одинакового размера, называемые кластерами. Кластер может содержать несколько секторов. Для каждого кластера FAT имеет свою индивидуальную ячейку, в которой хранится информация об использовании данного кластера. Другими словами, таблица размещения файлов - это массив, содержащий информацию о кластерах. Размер этого массива определяется общим количеством кластеров на логическом диске. (Именно кластеров, а не секторов!).

Что же хранится в таблице размещения файлов?

Все свободные кластеры помечены в ней нулями. Если файл занимает несколько кластеров, то эти кластеры связаны в список. Для связанных в список кластеров элементы таблицы FAT содержат номера следующих используемых данным файлом кластеров. Конец списка отмечен в таблице специальным значением. Номер первого кластера, распределенного файлу, хранится в элементе каталога, описывающего данный файл.

Утилиты операционной системы и некоторые специальные утилиты проверяют диск на предмет наличия дефектных областей. Кластеры, которые находятся в этих дефектных областях, отмечаются в FAT как плохие и не используются операционной системой.

Итак, FAT - массив информации об использовании кластеров диска, содержит односвязные списки кластеров, распределенных файлам. Номера начальных кластеров файлов хранятся в каталогах, о которых мы будем говорит в разделе "Файлы и каталоги". Прежде чем углубляться в тонкости таблицы размещения файлов, приведем рисунок, иллюстрирующий сказанное выше.

                                         +­­­­­+
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+ ¦
¦AUTOEXECBAT¦ ... ¦Номер 1-го кластера: 11¦..¦ ¦
+­­­­­­­­­­­+­­­­­+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+­­¦ ¦
¦CONFIG  SYS¦ ... ¦Номер 1-го кластера: 27¦..¦ ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+ ¦
                                         ¦     ¦
                                         ¦     ¦
                                         +­­­­­+­­­­­­+
     +­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+      ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+   ¦
¦...¦12¦13¦14¦15¦16¦17¦18¦19¦20¦FF¦ 0¦ 0¦ 0¦ 0¦...¦   ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+   ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+                                 ¦
¦...¦28¦29¦30¦FF¦...¦                                 ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+                                 ¦
     +­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+

На этом рисунке показаны фрагменты корневого каталога диска С: и элементы FAT для файлов autoexec.bat и config.sys. Реально эти файлы не используют столько кластеров. Из рисунка видно, что в каталоге для файлов указаны номера первых кластеров (соответственно 11 и 27). Таблица FAT в одиннадцатой ячейке содержит число 12 - номер следующего кластера, распределенного файлу autoexec.bat. Ячейка с номером 12 содержит число 13, и так далее. Последняя ячейка, соответствующая последнему кластеру распределенному этому файлу, содержит специальное значение - FF. В этом примере все кластеры файлов расположены подряд, но это может быть и не так.

Существуют два формата FAT - 12-битовый и 16-битовый. Эти форматы используют, соответственно, 12 и 16 битов для хранения информации об одном кластере диска.

12-битовый формат удобен для дискет с небольшим количеством секторов - вся таблица размещения файлов помещается целиком в одном секторе. Если размер диска такой, что для представления всех секторов двенадцати разрядов недостаточно, можно увеличить размер кластера, например до восьми секторов. Однако большой размер кластера приводит к неэффективному использованию дискового пространства. Это происходит из-за того, что минимальный выделяемый файлу элемент - кластер - имеет слишком большой размер. Даже для файла, имеющего длину 1 байт выделяется целиком кластер. Значит, если размер кластера составляет 8 секторов, то для хранения одного байта будет использовано 4 килобайта дисковой памяти.

При использовании FAT 16-битового формата операционная система может работать с диском, который имеет размер более 32 мегабайт. DOS версии 4.0 при использовании 16-битового формата FAT и кластеров размером 4 сектора может работать с разделами, по размеру достигающими 134 мегабайтов.

Как программа может определить формат FAT?

Для DOS версии 3.0 16-битовый формат используется, если размер диска превышает 4086 кластеров. Это число получилось исходя из того, что в 12 разрядах может быть представлено максимальное число 4096, кроме того, значения, большие 0ff6, зарезервированы.

Для DOS версии 3.2 16-битовый формат FAT используется в том случае, когда размер диска превышает 20790 секторов (именно секторов, а не кластеров). Фактически это означает, что 16-битовый формат используется только для дисков, имеющих размер более 10 мегабайтов.

Сектор загрузочной записи (BOOT-сектор) диска, отформатированного в DOS версии 4.0 в поле со смещением 36h содержит восьмибайтовую строку, идентифицирующую формат FAT. Она имеет вид "FAT12 " или "FAT16 ". Вы можете использовать это поле для определения формата FAT. В структуре BOOT, описанной в файле sysp.h, это поле называетcя fat_format.

Если разделы на жестком диске создавались утилитой DOS FDISK, формат FAT можно определить, анализируя содержимое поля sys главной загрузочной записи (Master Boot Record). Если это поле содержит значение 1, используется 12-битовый формат, если 4 - 16-битовый. Однако диск, подготовленный программами диск-менеджеров, может иметь нестандартный для DOS формат таблицы разделов диска (Partition Table), и поле sys может содержать другие величины, отличные от 1 и 4.

Опишем подробно формат FAT.

Первый байт FAT называется "Описатель среды" (Media Descriptor) или байт ID идентификации FAT. Он имеет такое же значение, как и байт-описатель среды, находящийся в BOOT-секторе логического диска.

Следующие 5 байтов для 12-битового формата или 7 байтов для 16-битового формат всегда содержат значение 0ffh.

Остальная часть FAT состоит из 12-битовых или 16-битовых ячеек, каждая ячейка соответствует одному кластеру диска. Эти ячейки могут содержать следующие значения:

Непосредственный доступ к FAT может потребоваться вам для организации сканирования каталогов для поиска нужных файлов, для чтения каталогов как файлов, для организации защиты информации от несанкционированного копирования. Общая схема использования FAT такая:

• Читаем FAT целиком в память. Обычно FAT располагается сразу после BOOT-сектора (логический сектор с номером 1). Для точного определения начального сектора FAT следует прочитать в память BOOT-сектор и проанализировать содержимое блока параметров BIOS. В поле ressecs записано количество зарезервированных секторов, которые располагаются перед FAT. Поле fatsize содержит размер FAT в секторах. Кроме того, следует учитывать, что на диске может находиться несколько копий FAT. Операционная система использует только первую копию, остальные нужны для утилит восстановления содержимого диска, таких как CHKDSK. Количество копий FAT находится в поле fatcnt BOOT-сектора.
• Затем необходимо узнать номер первого кластера файла, для которого необходимо определить его расположение на диске.
• Используем номер первого кластера как индекс в FAT для извлечения номера следующего кластера.
• Повторяем предыдущую процедуру до тех пор, пока извлеченное из FAT значение не будет соответствовать концу файла.

Процедура извлечения номера кластера из FAT зависит от формата таблицы размещения файлов.

16-битовую FAT можно представить как массив 16-битовых чисел. Для определения номера следующего кластера вам надо просто извлечь 16-битовое значение из FAT, использовав в качестве индекса номер предыдущего кластера.

Для 12-битовой FAT процедура значительно сложнее. Необходимо выполнить следующие действия:

• Умножить номер начального кластера на 3.
• Разделить результат на 2 (так как каждый элемент таблицы имеет длину 1.5 байта).
• Прочитать 16-битовое слово из FAT, используя в качестве смещения значение, полученное после деления на 2.
• Если номер начального кластера четный, на выбранное из FAT слово надо наложить маску 0fffh, оставив младшие 12 битов. Если номер начального кластера нечетный, выбранное из FAT значение необходимо сдвинуть вправо на 4 бита, оставив старшие 12 битов.
• Полученный результат - номер следующего кластера в цепочке, значение 0fffh соответствует концу цепочки кластеров.

Используя описанные выше методики чтения FAT, вы сможете для каждого файла определить цепочку занимаемых им кластеров. Для чтения файла при помощи прерывания DOS INT 25h вам будет нужно установить соответствие между номерами кластеров и номерами секторов, в которых располагаются эти кластеры. Для того чтобы это сделать, необходимо определить расположение и размер корневого каталога. Поэтому следующий раздел книги будет посвящен каталогам и файлам. Там же будут приведены примеры программ для работы с FAT.

2.4. Файлы и каталоги

Вы, конечно, знаете, что файловая система DOS имеет древовидную структуру. В корневом каталоге располагаются 32-байтовые элементы, которые содержат информацию о файлах и других каталогах. Для чтения корневого каталога необходимо определить его расположение и размер.

Корневой каталог находится сразу за последней копией FAT. Количество секторов, занимаемых одной копией FAT, находится в блоке параметров BIOS в BOOT-секторе в поле fatsize, количество копий FAT - в поле fatcnt блока BPB. Следовательно, перед корневым каталогом находится один BOOT-сектор и (fatcnt_*_fatsize) секторов таблицы размещения файлов FAT.

Размер корневого каталога можно определить исходя из значения поля rootsize. В этом поле при форматировании диска записывается максимальное количество файлов и каталогов, которые могут находиться в корневом каталоге. Для каждого элемента в каталоге отводится 32 байта, поэтому корневой каталог имеет длину (32_*_rootsize) байтов.

Корневой каталог занимает непрерывную область фиксированного размера. Размер корневого каталога задается при форматировании и определяет максимальное количество файлов и каталогов, которые могут быть описаны в корневом каталоге. Для определения количества секторов, занимаемых корневым каталогом, можно воспользоваться следующей формулой:

RootSecs = sectsize_/_(32_*_rootsize)

В этой формуле sectsize - размер сектора в байтах, он может быть получен из соответствующего поля BOOT-сектора.

После корневого каталога на логическом диске находится область файлов и подкаталогов корневого каталога. На рисунке изображены все области логического диска. Такую структуру имеют логические диски, расположенные в разделах жестких дисков, а также дискеты.

Области логического диска       Номер начального сектора
                                                на логическом диске

+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+
¦                   ¦             0
¦ BOOT-сектор и     ¦
¦ зарезервированные ¦
¦ сектора           ¦
¦                   ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦
¦                   ¦             ressecs - количество резервных
¦ Первая копия FAT  ¦                            секторов
¦                   ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦
¦                   ¦             ressecs+fatsize
¦ Вторая копия FAT  ¦
¦                   ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦
¦                   ¦             ressecs+(fatsize*fatcnt)
¦ Корневой каталог  ¦
¦                   ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­¦
¦                   ¦             ressecs+(fatsize*fatcnt)+
¦ Область данных    ¦               sectsize_/_(32*rootsize)
¦                   ¦
+­­­­­­­­­­­­­­­­­­­+

Область данных разбита на кластеры, причем нумерация кластеров начинается с числа 2. Кластеру с номером 2 соответствуют первые сектора области данных. Теперь мы можем привести формулу, которая позволит нам связать номер кластера с номерами секторов, занимаемых им на логическом диске:

SectNu = DataStart + ((ClustNu-2) * clustsize)

В этой формуле:

SectNu  - номер первого сектора, распределенного
                  кластеру с номером ClustNu;

DataStart = ressecs+(fatsize*fatcnt)+(sectsize/(32*rootsize));

ClustNu - номер кластера, для которого необходимо определить
                  номер первого сектора;

clustsize       - количество секторов, занимаемых кластером,
                  находится в блоке параметров BIOS.

Этой формулой мы воспользуемся для чтения корневого каталога.

Как мы уже говорили, любой каталог содержит 32-байтовые элементы - дескрипторы, описывающие файлы и другие каталоги. Приведем формат дескриптора:

Байт атрибутов является принадлежностью каждого файла. Биты этого байта имеют следующие значения:

Обычно файлы имеют следующие комбинации битов в байте атрибутов:

В любом каталоге, кроме корневого, два первых дескриптора имеют специальное назначение. Первый дескриптор содержит в поле имени строку:

".       "

Этот дескриптор указывает на содержащий его каталог. Т.е. каталог имеет ссылку сам на себя.

Второй специальный дескриптор содержит в поле имени строку:

"..      "

Этот дескрипто