Билайн

Понятие файла. Файловый принцип хранения данных

Периферийные устройства . Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами.

Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши - управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.

Курсор - светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак.

Монитор - устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

Принтер - печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Существуют тысячи наименований принтеров. Но основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.

Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки. Недостатками этих недорогих принтеров являются их шумная работа и невысокое качество печати, приемлемое, в основном, для домашних целей.

Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер формирует в своей памяти «образ» страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещённости.

Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов - ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного.

Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец которого вставляется своим разъёмом в гнездо принтера, а другой - в порт принтера компьютера. Порт - это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Плоттер (графопостроитель) - устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Сканер - устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Если принтеры выводят информацию из компьютера, то сканеры, наоборот, переносят информацию с бумажных документов в память компьютера. Существуют ручные сканеры, которые прокатывают по поверхности документа рукой, и планшетные сканеры, по внешнему виду напоминающие копировальные машины.

Модем - устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.

Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи - непрерывных сигналов звуковой частоты.

Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона - этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем - модулятор/демодулятор.

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) - это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок - адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т.п.

Джойстик - обычно это стержень-ручка, отклонение, которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол - небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Принципы хранения информации . В компьютере используется память нескольких типов, отличающихся по своему функциональному назначению и, как следствие, способами хранения информации, а также конструктивно. Память компьютера подразделяется на основную и внешнюю.

В современных компьютерах устройства внешней памяти позволяют сохранять информацию после выключения компьютера, так как в них используется магнитный или оптический способ записи/чтения информации. В качестве носителей информации в этих случаях применяют магнитные и оптические диски. Основная память, называемая иногда внутренней, располагается внутри системного блока. Она является обязательной составной частью любого компьютера, реализуется в виде электронных микросхем и в персональных компьютерах располагается на материнской плате. Основная память состоит из постоянной и оперативной.

Постоянная память, или постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (Read only memory - ROM), - память только для чтения. Она реализована, как уже говорилось, в виде электронных схем и служит для хранения программ начальной загрузки компьютера и тестирования его узлов. Мы называем этот тип памяти постоянным, потому что записанная в ней информация не изменяется после выключения компьютера. Она энергонезависима, так как хранимые в ней команды начинают выполняться при первом же импульсе тока, поступившего на контакты электронной микросхемы. (Отметим, что сохранение информации в ПЗУ после выключения компьютера не означает, что содержимое этой памяти невозможно изменить. Существует так называемая перепрограммируемая постоянная память, для которой возможно изменение хранимой информации.)

Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначена для хранения информации, изменяющейся в ходе выполнения процессором операций по ее обработке. Информацию в такую память можно записать для хранения, изменять или использовать при необходимости. Вся информация, вводимая в компьютер и возникающая в ходе его работы, хранится в этой памяти, но только тогда, когда компьютер включен. Структурно оперативную память можно представить себе как совокупность ячеек памяти, разделенных на разряды для хранения в каждом из них бита информации. Следовательно, в любую ячейку памяти записывается некоторый набор нулей и единиц, или машинное слово - фиксированная, упорядоченная последовательность битов, рассматриваемая аппаратной частью компьютера как целое. Машинное слово может быть различной длины в зависимости от типа компьютера (от 8 до 64 бит) и определяет наибольшее число, которое может удерживаться в ячейке памяти. При байтовой архитектуре минимальной единицей измерения информации является байт, а машинное слово может равняться 2, 4 или 8 байтам. Следовательно, можно говорить об объеме памяти компьютера и измерять его в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах соответствии с количеством байтовых ячеек как дискретных структурных единиц памяти.

В оперативной памяти в виде последовательности машинных слов хранятся как данные, так и программы. В любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, поэтому этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM(Random Access Memory).

Хранение информации и ее носители. Внешняя память компьютера (гибкие и жесткие диски, диски С D -RОМ )

Возросшие к концу XX в. потоки информации необходимость сохранения ее в больших объемах и появление ЭВМ способствовали разработке и применению носителей информации, обеспечивающих возможность ее долговременного хранения в более компактной форме. К таким носителям при использовании современных моделей компьютеров четвертого поколения относятся гибкие и жесткие магнитные диски и так называемые диски С D - R ОМ, составляющие внешнюю память компьютера.

Устройства, которые обеспечивают запись информации на носители, а также ее поиск, считывание и воспроизведение в оперативную память, называют накопителями. В основу записи, хранения и считывания информации положены два принципа - магнитный и оптический, что обеспечивает сохранение информации и после выключения компьютера.

Магнитные диски (МД) бывают гибкие и жесткие. Гибкий МД (ГМД) диаметром 5,25 дюйма (133 мм) в настоящее время может хранить до 1,2 Мбайта информации.

Жесткий магнитный диск (МД), или винчестер, обычно встраивается вместе с дисководом в корпус системного блока (но может иметь и внешнее расположение). Любой магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатрован, т.е. должна быть создана структура диска. Для ГМД - это магнитные концентрические дорожки, разделенные на сектора, помеченные магнитными метками, а у жестких МД - еще и цилиндры - совокупность дорожек, расположенных друг над другом всех рабочих поверхностях дисков.

CD - R ОМ (Сотрас t Disc R еа d Оп1у Мето ry ) обладает емкостью до 3 Гбайт, высокой надежностью хранения информации, долговечностью (прогнозируемый срок его службы при качественном исполнении составляет 30-50 лет). Диаметр диска может быть как 5,25, так и 3,5 дюйма. Принцип записи и считывания оптический.

Считывание информации с компакт-диска происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий его как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный ноль.

Магнитооптические диски лишены этих недостатков, так как ^ учтены достижения магнитной и оптической технологий. На магнитооптические диски можно записывать информацию и быстро считывать ее. Они сохраняют все преимущества ГМД (переносимость, возможность отдельного хранения, увеличение памяти компьютера) при огромной информационной емкости.

Конструктивно магнитооптический диск состоит из толстой стеклянной подложки, на которую наносится светоотражающая алюминиевая пленка и ферромагнитный сплав - носитель информации, покрытый сверху защитным слоем прозрачного пластика.

Основная литература: – 1-638 c, 1- 432 c.

Дополнительная литература: – c, – c, – c.

Контрольные вопросы :

Какие периферийные устройства относятся к устройствам ввода?

Какие периферийные устройства относятся к устройствам вывода?

Основные принципы хранения информации?

Информация, представляемая для обработки на компьютере, называется данными. Для хранения на устройствах внешней памяти данные организуют в виде файлов. Файл - именованная область внешней памяти.

Способ организации как служебной, так и пользовательской информации о файлах на носителях называют файловой системой. Конкретная файловая система определяет, в частности, правила именования файлов.

Необходимые для выполнения операций с файлами и носителями программные средства входят в состав операционных систем. Такие программные средства не изменяют и не обращаются к содержимому файлов, а оперируют с ними просто как с целым, непрерывным массивом данных. Таким образом, файловая система обеспечивает выполнение операций для любых программ.

Имя файлу присваивает пользователь, или программа, создающая файл, предлагает имя в автоматическом режиме. По историческим причинам для пользователя имя файла в операционных системах фирмы Майкрософт состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имени и расширения. Тип файла определяется по его расширению, которое задает программа, сохраняющая файл.

С точки зрения прикладных программ, файл представляет собой некоторую последовательность байтов. Используя такой подход, как доступ к файлам, организуется также доступ к некоторым устройствам, которые принимают или возвращают поток байтов. К таким устройствам относятся принтеры, модемы, клавиатура или поток текстового вывода на экран и др.

В некоторых операционных системах предусмотрен такой доступ и к служебной информации самих носителей. Для работы с такими файлами предусмотрены специальные, зарезервированные системой, имена файлов.

Следует помнить, что для ОС линии Microsoft:

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

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

символы, не использующиеся в имени файла * = + \ ; : , . < > / ?

имена устройств не могут использоваться в качестве имён файлов (prn, lpt, com, con, nul).

Наиболее часто встречающиеся расширения:

EXE, COM - готовая к выполнению программа;

ВАТ - пакетный командный файл;

SYS - программа-драйвер устройства (системная);

ВАК - резервная копия файла;

OBJ - объектный модуль («полуфабрикат» программы);

DAT - файл данных со служебной информацией;

BAS - исходный текст программы на Бейсике;

ТХТ - текстовый файл;

DOC - документ, созданный в Microsoft Word.

Для удобства хранения и работы файловые структуры организуются с помощью вложенных каталогов (папок).

Каталог - специальный системный файл, в котором хранится служебная информация о файлах.

На каждом носителе может быть множество каталогов. В каждом каталоге может быть зарегистрировано много файлов, но каждый файл регистрируется только в одном каталоге

На каждом логическом томе присутствует один главный, или корневой, каталог. В нем регистрируются файлы и подкаталоги (каталоги 1 уровня). В каталогах 1 уровня регистрируются файлы и каталоги 2 уровня и т. д. Получается древовидная структура каталогов, например:

Каталог, с которым работает пользователь в настоящий момент, называется текущим.

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

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

Рассмотрим, например, запись \KLASS10\DOCS\START2\text.doc

Она означает, что файл text.doc находится в подкаталоге START2, который находится в каталоге DOCS, а он в свою очередь находится в каталоге KLASS10 корневого каталога.

Над файлами можно производить следующие основные операции: копирование, перемещение, удаление, переименование и пр.

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

Перед использованием диск размечается на дорожки и секторы (форматируется). С точки зрения оборудования разметка - это процесс записи на носитель служебной информации, отмечающей конец и начало каждого сектора. Обычный объем сектора - 512 байт. На одной стороне размещается 80 дорожек. Каждая дорожка содержит 18 секторов.

Названия «сектор», «дорожка» введены для дисковых носителей. Во многих современных носителях информации, использующих хранение данных в энергонезависимой памяти, эти понятия поддерживаются реализацией файловых систем для обеспечения общих принципов работы.

В одной из распространенных файловых систем, FAT, предусматривается, что все файлы перечислены в каталогах. Обязателен корневой каталог, размещенный в определенном месте диска. О каждом из перечисленных в каталоге файлов помимо обычных данных известно местоположение (в виде номера) начала файла.

Для того, чтобы определить, какие именно секторы занимает файл, применяется второй обязательный элемент файловой системы - таблица FAT (размещения файлов). Таблица представляет собой массив ячеек. Размер ячейки фиксирован и отражается в номере файловой системы (12, 16, 32 бита). Каждый файл занимает некоторую последовательность секторов, не обязательно последовательно расположенных. При сохранении файла в ячейку записывается номер следующего сектора в цепочке.

Поскольку на современных дисках секторов существенно больше, чем можно записать номеров в таблице, то секторы объединяют в кластеры. Именно кластерами и распределяется пространство на дисках, в результате эта файловая система неэффективно работает с мелкими файлами.

Сделать эту проблему менее острой позволяет увеличение размера ячейки в FAT. Это позволяет уменьшить размер кластера и увеличить количество адресов (файлов) на диске. В операционных системах, начиная с Windows 98, реализована FAT-32.

Помимо этой файловой системы, существует большое количество других, разработанных для разных операционных систем и решаемых задач.

Лекция №6

Системы управления файлами.

Файловая система HPFS

Вопросы:

1. Файловая система HPFS

· Основные особенности HPFS

· Структура раздела HPFS

· Принцип размещения файлов

· Принципы хранения информации о расположении файлов

· Структура и размещение каталогов

· Надежность хранения данных в HPFS

2. Система управления файлами HPFS.IFS

3. Система управления файлами HPFS386.1FS

4. Файловая система JFS

HPFS (High Performance File System ) - высокопроизводительная файловая система.

HPFS впервые появилась в OS/2 1.2 и LAN Manager. (Кстати, HPFS была первой файловой системой, поддерживающей длинные имена.)

Перечислим основные особенности HPFS.

· Главное отличие - базовые принципы размещения файлов на диске и принципы хранения информации о местоположении файлов. Благодаря этим принципам HPFS имеет высокую производительность и отказоустойчивость, является надежной файловой системой.

· Дисковое пространство в HPFS выделяется не кластерами (как в FAT ) , а блоками. В современной реализации размер блока взят равным одному сектору, но в принципе он мог бы быть и иного размера. (По сути дела, блок - это и есть кластер, только кластер всегда равен одному сектору). Размещениефайлов в таких небольших блоках позволяет более эффективно использовать пространство диска , так как непроизводительные потери свободного места составляют в среднем всего (полсектора) 256 байт на каждый файл. Вспомним, что чем больше размер кластера, тем больше места на диске расходуется напрасно.

· Система HPFS стремится расположить файл в смежных блоках, или, если такой возможности нет, разместить его на диске таким образом, чтобы экстенты (фрагменты) файла физически были как можно ближе друг к другу. Такой подход существенно уменьшает время позиционирования головок записи/чтения жесткого диска и время ожидания (задержка между установкой головки чтения/записи на нужную дорожку). Напомним, что в FAT файлу просто выделяется первый свободный кластер.

Экстенты (extent) - фрагменты файла, располагающиеся в смежных секторах диска. Файл имеет по крайней мере один экстент, если он не фрагментирован, а в противномслучае - несколько экстентов.

· Используется метод сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска информации о местонахождении файлов (каталоги хранятся в центре диска, кроме того, предусмотрена автоматическая сортировка каталогов), что существенно повышает производительность HPFS (в сравнении с FAT ).

· В HPFS предусмотрены специальные расширенные атрибуты файлов, позволяющие управлять доступом к файлам и каталогам .

Расширенные атрибуты (extended attributes, EAs) позволяют хранить дополнительную информацию о файле. Например, каждому файлу может быть сопоставлено его уникальное графическое изображение (значок), описание файла, комментарий, сведения о владельце файла и т. д.

C труктура раздела HPFS

В начале раздела с установленной HPFS расположено три управляющих блока:

· загрузочный блок (boot block),

· дополнительный блок (super block) и

· запасной (резервный) блок (spare block).

Они занимают 18 секторов.

Все остальное дисковое пространство в HPFS разбито на части из смежных секторов - полосы (band - полоса, лента ). Каждая полоса занимает на диске 8 Мбайт.

Каждая полоса и имеет свою собственную битовую карту распределения секторов .Битовая карта показывает, какие секторы данной полосы заняты, а какие - свободны. Каждому сектору полосы данных соответствует один бит в ее битовой карте. Если бит = 1, то сектор занят, если 0 - свободен.

Битовые карты двух полос располагаются на диске рядом, так же располагаются и сами полосы. То есть последовательность полос и карт выглядит как на рис.

Сравним с FAT . Там на весь диск только одна “битовая карта” (таблица FAT) . И для работы с ней приходится перемещать головки чтения/записи в среднем через половину диска.

Именно для того, чтобы сократить время позиционирования головок чтения/записи жесткого диска в HPFS диск разбит на полосы.

Рассмотрим управляющие блоки .

Загрузочный блок (boot block )

Содержит имя тома, его серийный номер, блок параметров BIOS и программу начальной загрузки.

Программа начальной загрузки находит файл OS2LDR, считывает его в память и передает управление этой программе загрузки ОС, которая, в свою очередь, загружает с диска в память ядро OS/2 - OS2KRNL. И уже OS2KRIML с помощью сведений из файла CONFIG.SYS загружает в память все остальные необходимые программные модули и блоки данных.

Загрузочный блок располагается в секторах с 0 по 15.

Супер Блок (super block )

Содержит

· указатель на список битовых карт (bitmap block list). В этом списке перечислены все блоки на диске, в которых расположены битовые карты, используемые для обнаружения свободных секторов;

· указатель на список дефектных блоков (bad block list). Когда система обнаруживает поврежденный блок, он вносится в этот список и для хранения информации больше не используется;

· указатель на группу каталогов (directory band),

· указатель на файловый узел (F-node) корневого каталога,

· дату последней проверки раздела программой CHKDSK;

· информацию о размере полосы (в текущей реализации HPFS - 8 Мбайт).

Super block размещается в 16 секторе.

Резервный блок (spare block)

Содержит

· указатель на карту аварийного замещения (hotfix map или hotfix-areas);

· указатель на список свободных запасных блоков (directory emergency free block list);

· ряд системных флагов и дескрипторов.

Этот блок размещается в 17 секторе диска.

Резервный блок обеспечивает высокую отказоустойчивость файловой системы HPFS и позволяет восстанавливать поврежденные данные на диске.

Принцип размещения файлов

Для сокращения времени позиционирования головок чтения/записи жесткого диска система HPFS стремится

1) расположить файл в смежных блоках;

2) если такой возможности нет, то разместить экстенты фрагментированного файла как можно ближе друг к другу,

Для этого HPFS использует статистику, а также старается условно резервировать хотя бы 4 килобайта места в конце файлов, которые растут.

Когда данные дописываются в существующий файл, HPFS сразу же резервирует как минимум 4 Кбайт непрерывного пространства на диске. Если же часть этого пространства не потребовалась, то после закрытия файла она высвобождается для дальнейшего использования. Если же файл не может быть увеличен без нарушения его непрерывности, HPFS опять-таки резервирует 4 Кбайт смежных блоков как можно ближе к основной части файла.

Очевидно, что степень фрагментации файлов на диске зависит как от числа файлов, расположенных на нем, их размеров и размеров самого диска, так и от характера и интенсивности самих дисковых операций. Незначительная фрагментация файлов практически не сказывается на быстродействии операций с файлами. Файлы, состоящие из двух-трех экстентов, практически не снижают производительность HPFS, так как эта файловая система следит за тем, чтобы области данных, принадлежащие одному и тому же файлу, располагались как можно ближе друг к другу.

Программы (утилиты) дефрагментации , имеющиеся для этой файловой системы, по умолчанию считают наличие двух-трех экстентов у файла нормой.

Например, программа HPFSOPT из набора утилит GammaTech по умолчанию не дефрагментирует файлы, состоящие из трех и менее экстентов, а файлы, которые имеют большее количестве экстентов, приводятся к 2 или 3 экстентам, если это возможно.

Практика показывает, что в среднем на диске имеется не более 2% файлов, имеющих три и более экстентов. Даже общее количество фрагментированных файлов, как правило, не превышает 3%. Такая ничтожная фрагментация оказывает пренебрежимо малое влияние на общую производительность системы.

Еще один способ уменьшения фрагментирования файлов - это расположение файлов, растущих навстречу друг другу, или файлов, открытых разными тредами или процессами, в разных полосах диска.

Принципы хранения информации о расположении файлов

Каждый файл и каталог диска имеет свой файловый узел F-Node . Это структура, в которой содержится информация о расположении файла и о его расширенных атрибутах.

Замечание. Файловая система FAT аналога файлового узла не имеет.

Каждый F-Node занимает один сектор и всегда располагается поблизости от своего файла или каталога (обычно - непосредственно перед файлом или каталогом). Объект F-Node содержит

· длину,

· первые 15 символов имени файла,

· специальную служебную информацию,

· статистику по доступу к файлу,

· расширенные атрибуты файла,

· список прав доступа (или только часть этого списка, если он очень большой); если расширенные атрибуты слишком велики для файлового узла, то в него записывается указатель на них.

· ассоциативную информацию о расположении и подчинении файла и т. д.

Если файл непрерывен, то его размещение на диске описывается двумя 32-битными числами. Первое число представляет собой указатель на первый блок файла, а второе - длину экстента (число следующих друг за другом блоков, принадлежащих файлу).

Замечание. Из этого следует, что максимальный объем диска может составлять (2 32 -1)*512 = 2 Тбайта.

Если файл фрагментирован, то размещение его экстентов описывается в файловом узле дополнительными парами 32-битных чисел.

В файловом узле можно разместить информацию максимум о восьми экстентах файла. Если файл имеет больше экстентов, то в его файловый узел записывается указатель на блок размещения (allocation block), который может содержать до 40 указателей на экстенты или, по аналогии с блоком дерева каталогов, на другие блоки размещения.

Таким образом, двухуровневая структура блоков размещения может хранить информацию о 480 секторах, что позволяет работать с файлами размером до 7,68 Гбайт. На практике размер файла не может превышать 2 Гбайт, но это обусловлено текущей реализацией интерфейса прикладного программирования.

Структура и размещение каталогов

Для хранения каталогов используется полоса, находящаяся в центре диска .

Эта полоса называется directory band .

Если она полностью заполнена, HPFS начинает располагать каталоги файлов в других полосах.

Расположение этой информационной структуры в середине диска значительно сокращает среднее время позиционирования головок чтения/записи. Действительно, для перемещения головок чтения/записи из произвольного места диска в его центр требуется в два раза меньше времени, чем для перемещения к краю диска, где находится корневой каталог в случае файловой системы FAT. Уже только одно это обеспечивает более высокую производительность файловой системы HPFS по сравнению с FAT. Аналогичное замечание справедливо и для NTFS, которая тоже располагает свой master file table в начале дискового пространства, а не в его середине.

Однако существенно больший (по сравнению с размещением Directory Band в середине логического диска) вклад в производительность HPFS дает использование метода сбалансированных двоичных деревьев для хранения и поиска информации о местонахождении файлов.

Вспомним, что в файловой системе FAT каталог имеет линейную структуру, специальным образом не упорядоченную, поэтому при поиске файла требуется последовательно просматривать его с самого начала.

В HPFS структура каталога представляет собой сбалансированное дерево с записями, расположенными в алфавитном порядке.

Каждая запись, входящая в состав дерева, содержит

· атрибуты файла,

· указатель на соответствующий файловый узел,

· информацию о времени и дате создания файла, времени и дате последнего обновления и обращения,

· длине данных, содержащих расширенные атрибуты,

· счетчик обращений к файлу,

· длине имени файла

· само имя,

· и другую информацию.

Файловая система HPFS при поиске файла в каталоге просматривает только необходимые ветви двоичного дерева (В-Тгее). Такой метод во много раз эффективнее, чем последовательное чтение всех записей в каталоге, что имеет место в системе FAT.

Размер каждого из блоков, в терминах которых выделяются каталоги в текущей реализации HPFS, равен 2 Кбайт. Размер записи, описывающей файл, зависит от размера имени файла. Если имя занимает 13 байтов (для формата 8.3), то блок из 2 Кбайт вмещает до 40 описателей файлов. Блоки связаны друг с другом посредством списка.

Проблемы

При переименовании файлов может возникнуть так называемая перебалансировка дерева. Создание файла, переименование или стирание может приводить к каскадированию блоков каталогов . Фактически, переименование может потерпеть неудачу из-за недостатка дискового пространства, даже если файл непосредственно в размерах не увеличился. Во избежание этого “бедствия” HPFS поддерживает небольшой пул свободных блоков, которые могут использоваться при “аварии”. Эта операция может потребовать выделения дополнительных блоков на заполненном диске. Указатель на этот пул свободных блоков сохраняется в SpareBlock,

РЕЗЮМЕ

Принципы размещения файлов и каталогов на диске в HPFS :

· информация о местоположении файлов рассредоточена по всему диску, при этом записи каждого конкретного файла размещаются (по возможности) в смежных секторах и поблизости от данных об их местоположении;

· каталоги размещаются в середине дискового пространства;

· каталоги хранятся в виде бинарного сбалансированного дерева с записями, расположенными в алфавитном порядке.

Надежность хранения данных в HPFS

Любая файловая система должна обладать средствами исправления ошибок, возникающих при записи информации на диск. Система HPFS для этого использует механизм аварийного замещения (hotfix).

Если файловая система HPFS сталкивается с проблемой в процессе записи данных на диск, она выводит на экран соответствующее сообщение об ошибке. Затем HPFS сохраняет информацию, которая должна была быть записана в дефектный сектор, в одном из запасных секторов, заранее зарезервированных на этот случай. Список свободных запасных блоков хранится в резервном блоке HPFS. При обнаружении ошибки во время записи данных в нормальный блок HPFS выбирает один из свободных запасных блоков и сохраняет эти данные в нем. Затем файловая система обновляет карту аварийного замещения в резервном блоке.

Эта карта представляет собой просто пары двойных слов, каждое из которых является 32-битным номером сектора.

Первый номер указывает на дефектный сектор, а второй - на тот сектор среди имеющихся запасных секторов, который был выбран для его замены.

После замены дефектного сектора запасным карта аварийного замещения записывается на диск, и на экране появляется всплывающее окно, информирующее пользователя о произошедшей ошибке записи на диск. Каждый раз, когда система выполняет запись или чтение сектора диска, она просматривает карту аварийного замещения и подменяет все номера дефектных секторов номерами запасных секторов с соответствующими данными.

Следует заметить, что это преобразование номеров существенно не влияет на производительность системы, так как оно выполняется только при физическом обращении к диску, но не при чтении данных из дискового кэша.

Очистка карты аварийного замещения автоматически выполняется программой CHKDSK при проверке диска HPFS. Для каждого замещенного блока (сектора) программа CHKDSK выделяет новый сектор в наиболее подходящем для файла (которому принадлежат данные) месте жесткого диска. Затем программа перемещает данные из запасного блока в этот сектор и обновляет информацию о положении файла, что может потребовать новой балансировки дерева блоков размещения. После этого CHKDSK вносит поврежденный сектор в список дефектных блоков, который хранится в дополнительном блоке HPFS, и возвращает освобожденный сектор в список свободных запасных секторов резервного блока. Затем удаляет запись из карты аварийного замещения и записывает отредактированную карту на диск.

Все основные файловые объекты в HPFS, в том числе файловые узлы, блоки размещения и блоки каталогов, имеют уникальные 32-битные идентификаторы и указатели на свои родительские и дочерние блоки. Файловые узлы, кроме того, содержат сокращенное имя своего файла или каталога. Избыточность и взаимосвязь файловых структур HPFS позволяют программе CHKDSK полностью восстанавливать файловую структуру диска, последовательно анализируя все файловые узлы, блоки размещения и блоки каталогов. Руководствуясь собранной информацией, CHKDSK реконструирует файлы и каталоги, а затем заново создает битовые карты свободных секторов диска. Запуск программы CHKDSK следует осуществлять с соответствующими ключами. Так, например, один из вариантов работы этой программы позволяет найти и восстановить удаленные файлы.

Система управления файлами HPFS.IFS

HPFS относится к так называемым монтируемым файловым системам -IFS (installable file system - устанавливаемая, монтируемая система управления файлами ) . Это означает, что она не встроена в операционную систему, а добавляется к ней при необходимости.

Устанавливаемые файловые системы представляют собой специальные “драйверы” для доступа к разделам, отформатированным под другую файловую систему. Это очень удобный и мощный механизм добавления в ОС новых файловых систем и замены одной системы управления файлами на другую.

Сегодня, например, для OS/2 уже реально существуют IFS-модули для файловой системы VFAT , FAT32, Ext2FS (файловая система Linux), NTFS (правда, пока только для чтения). Для работы с данными на CD-ROM имеется CDFS.IFS. Есть и FTP.IFS, позволяющая монтировать ftp-архивы как локальные диски.

Файловая система HPFS устанавливается оператором IFS в файле CONFIG.SYS.

Этот оператор всегда помещается в первой строке данного конфигурационного файла. Пример.

IFS-E:\OS2\HPFS.IFS /САСНЕ:2048 /CRECL:4/AUTOCHECK : CD

Здесь оператор IFS устанавливает файловую систему HPFS с кэшем в 2 Мбайт, длиной записи кэша в 8 Кбайт и автоматической процедурой проверки дисков С и D:

Замечание . Подробности установки параметров и возможные значения ключей имеются в HELP-файлах, устанавливаемых вместе с операционной системой OS/2 Warp (или см. в книге Гордеева, Молчанова “Системное программное обеспечение” на стр. 175.

C истема управления файлами HPFS386.1FS

Это реализации HPFS для работы на серверах, функционирующих под управлением OS/2.

Ее принципиальное отличие от системы HPFS.IFS

· HPFS386.1FS позволяет (посредством более полного использования технологии расширенных атрибутов) организовать ограничения на доступ к файлам и каталогам с помощью соответствующих списков доступа - ACL (access control list). (Эта же технология используется в файловой системе NTFS ) .

· в системе HPFS386.1FS нет ограничений на объем памяти, выделяемой для кэширования файловых записей. Иными словами, при наличии достаточного объема оперативной памяти объем файлового кэша может быть в несколько десятков мегабайт, в то время как для обычной HPFS.IFS этот объем не может превышать 2 Мбайт, что по сегодняшним меркам безусловно мало.

· При установке режимов работы файлового кэша HPFS386.1PS есть возможность явным образом указать алгоритм кэширования.

Наиболее эффективным алгоритмом можно считать так называемый “элеваторный”, когда при записи данных из кэша на диск они предварительно упорядочиваются таким образом, чтобы минимизировать время, отводимое на позиционирование головок чтения/ записи. Головки чтения/записи при этом перемещаются от внешних цилиндров к внутренним и по ходу своего движения осуществляют запись и чтение данных в соответствии со специальным образом упорядочиваемым списком запросов на дисковые операции.

Пример записи строк в конфигурационном файле CONFIG.SYS, которые устанавливают систему HPFS386.1FS и определяют параметры работы ее подсистемы кэширования можно посмотреть в книге Гордеева, Молчанова “Системное программное обеспечение” на стр. 176-178

Файловая система JFS

Для серверной операционной системы OS/2 Warp 4.5 была создана новая журнализирующая файловая система JFS (Journaling file system) .

Новая серверная ОС компании IBM под названием OS/2 WarpServer for e-Business вышла в 1999 г.

JFS имеет большую безопасность в структурах данных благодаря технике, разработанной для СУБД.

Работа с файловой системой происходит в режиме транзакций с ведением журнала транзакций. В случае системных сбоев есть возможность обработать журнал транзакций с целью внести или сбросить какие-либо изменения, произведенные во время системного сбоя.

В этой системе увеличена скорость восстановления файловой системы после сбоя.

Но, сохраняя целостность файловой системы, система управления файлами не гарантирует восстановление данных пользователя.

Файловая система JFS обеспечивает самую высокую скорость работы с файлами из всех известных систем, созданных для ПК (это очень важно для серверной ОС).

Для долговременного хранения информации, её накопления и передачи используются носители информации. Материальная природа носителей информации может быть различной: бумага, фото и кинопленки для аналоговых носителей, микросхемы памяти, магнитные и лазерные диски для информации в цифровой форме и т.д.

Носители информации характеризуются информационной ёмкостью. Современные микросхемы памяти могут хранить в 1см3 1010 битов информации, однако это во много раз меньше чем хранят молекулы ДНК. Однако если сравнивать с информационной емкостью традиционных носителей (книг), то прогресс очевиден.

Надежность и долговременность хранения информации

Надежность (устойчивость к повреждениям) достаточно высока у аналоговых носителей, повреждение которых приводит к потере информации только на поврежденном участке. Цифровые носители гораздо более чувствительны к повреждениям, т.к. потеря только одного байта может привести к невозможности прочитать весь файл. Именно поэтому необходимо соблюдать правила эксплуатации и хранения цифровых носителей информации.

Устройство компьютера

С точки зрения информатики компьютер -- это электронное устройство для ввода, хранения, обработки и передачи информации. Мы будем рассматривать только персональные компьютеры. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Этот принцип опирается на шинный принцип обмена информацией между устройствами. Модульность позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.

Шина представляет собой многопроводные линии, к которым подключаются процессор, оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации. Эти устройства обмениваются через шину информацией в форме электрических импульсов, которые соответствуют последовательностям нулей и единиц машинного кода. Шина данных -- собственно, набор контактов, соединяющий различные компоненты компьютера для подвода к ним питания и обмена данными. По этой шине, например, прочитанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. Выбор устройства или ячейки памяти, куда или откуда пересылаются данные по шине данных, производит процессор.

Существует понятие базовой конфигурации персонального компьютера, в которую входят:

· Системный блок;
· Монитор;
· Клавиатура;
· Мышь.

Рассмотрим элементы конфигурации персонального компьютера, точки зрения модульной структуры:

1. Системный блок

Системный блок представляет собой металлический корпус с блоком питания. В корпусе также располагается звуковой динамик. Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними, а подключаемые снаружи -- внешними.

1.1. Системная (материнская) плата (motherboard), на которой располагаются различные устройства, входящие в системный блок. Конструкция материнской платы позволяет каждому пользователю заменять вышедшие из строя или устаревшие элементы системного блока. На системной плате крепятся:
- а) Процессор (CРU - Central Рrocessing Unit) -- большая интегральная схема на кристалле, которая называется большой по количеству включенных в нее элементов. Процессор выполняет логические и арифметические операции, осуществляет управление функционированием компьютера. Процессор характеризуется тактовой частотой. Такт -- это промежуток времени между началами двух последовательных импульсов, которые подаются специальной микросхемой -- генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. Тактовая частота -- это количество тактов в секунду. На выполнение процессором каждой базовой операции отводится определенное число тактов. Ясно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет компьютер. Тактовая частота определяет быстродействие процессора и измеряется в Герцах (1с). Современные процессоры настолько быстры, что их частоты удобно измерять в ГГц (Гигагерцах). Другой характеристикой процессора является его разрядность. Разрядность - означает количество двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры. Наиболее известными изготовителями процессоров являются компании Intel и AMD.
- б) Контроллеры - микросхемы, отвечающие за работу различных устройств компьютера (клавиатуры, HDD, FDD, мыши и т.д.). Сюда же отнесем и микросхему ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство) в которой хранится ROM-BIOS.
- в) Слоты (шины) - разъемы (ISA, РCI, SCSI, AGР и т.д.) под различные устройства (оперативная память, видеокарта и т.п.).
- г) Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM - Random Access Memory -- микросхемы, служащие для кратковременного запоминания промежуточных команд, значений вычислений, производимых CРU, а также других данных. Там же для повышения быстродействия хранятся исполняемые программы. Оперативная память изготавливается в виде модулей памяти. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов. Модули памяти различаются между собой по конструкции, быстродействию, информационной емкости и т.д. Важнейшей характеристикой является быстродействие. ОЗУ - быстродействующая память со временем регенерации 7·10-9 сек.
- д) Видеокарта (видеоакселератор) - устройство, расширяющее возможности и ускоряющее работу с графикой. Видеокарта имеет свою видеопамять для хранения графической информации и графический процессор (GРU - Graрhic Рrocessor Unit), берущий на себя вычисления при работе с 3D графикой и видео. Может иметь выход на TV и видеовход.
- е) Звуковая карта - устройство, расширяющее звуковые возможности компьютера. Звуки генерируются с помощью записанных в память образцов звуков разных тембров. Поддерживаются различные эффекты. Могут иметь линейный вход/выход, выход на наушники, микрофонный вход, (разъем для джойстика, аналоговый и цифровой вход CD аудио).
- ж) Сетевая карта - устройство, отвечающее за подключение компьютера к сети для возможности обмена информацией.

Кроме материнской платы в системном блоке находятся:

Накопитель на жестком магнитном диске (винчестер, HDD - Hard Disk Drive) - герметично запаянный корпус с вращающимися магнитными дисками и магнитными головками. Жесткий магнитный диск представляет собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси и вращающихся с большой угловой скоростью. Основной функцией жесткого магнитного диска является долговременное хранение большого объема информации в виде файлов (программы, тексты, графика, фотография, музыка, видео). Жесткий диск -- это устройство, которое использует свойство сохранения намагниченности специальным магнитным веществом, нанесенным на поверхность диска. В процессе записи информации головки дисковода перемещаются вдоль поверхности диска, на которую нанесен слой этого магнитосодержащего вещества. В головки поступают импульсы (последовательность нулей и единиц), в результате намагничиваются или не намагничиваются элементы поверхности магнитного носителя.

При считывании информации головка движется вдоль поверхности носителя. Намагниченные участки вызывают в ней импульсы тока (явление электромагнитной индукции). Последовательности таких импульсов передаются в оперативную память компьютера. В отсутствии сильных магнитных полей и высоких температур элементы поверхности могут сохранять намагниченность достаточно долго.

CD/DVD-ROM (Comрact Disc Read Only Memory) - устройство, служащее для считывания/записи информации с CD/DVD дисков. Двоичная информация с поверхности CD считывается лучом лазера. В лазерных дисководах используется оптический принцип записи и считывания информации. Информация на лазерном диске записывается на спиралевидную дорожку, содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью.

В процессе считывания информации луч лазера, установленный в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы с помощью фотоэлементов преобразуются в электрические импульсы и по шине передаются в оперативную память.

Запись на CD/DVD основана на изменении отражающих свойств вещества подложки CD под действием луча лазера.

В состав ЭВМ кроме системного блока входят следующие устройства ввода-вывода информации.

2. Монитор (дисплей) - устройство вывода графической информации. Есть электронно-лучевые (уже устаревшие) и LCD мониторы. На экране жидкокристаллического монитора изображения формируется в результате прохождения белого света лампы подсветки через ячейки, прозрачность которых зависит от приложенного электрического напряжения. Мониторы используют RGB систему образования цвета, т.е. цвет получается смешением 3-х основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Размеры по диагонали -- (14""), 15"", 17"", 19"", 21"", 24"". Размер пикселя - 0.2-0.3мм. Частота смены кадров - 77Гц при разрешении 1920x1200 пиксель, 85Гц при 1280x1024, 160Гц при 800x600. Количество цветов определяется количеством разрядов на один пиксель и может быть 256 (28, где 8 - количество разрядов), 65536 (216, режим High Color), 16 777 216 (224, режим True Color, может быть и 232).
3. Клавиатура (keyboard) - клавишное устройство ввода команд и символьной информации (108 клавиш). Подключается к последовательному интерфейсу (COM порт) либо к USB порту. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры вводят команды управления, а с помощью монитора получают от нее отклик.
4. Манипулятор типа мышь (mouse) - устройство ввода команд. Мышь подключается к компьютеру с помощью, так называемых портов (USB (Universal Serial Bus) или COM), которые передают электрические импульсы, несущие информацию, последовательно, один за другим. Аппаратно эти порты выведены на панель системного блока. Стандартной является 2-х кнопочная мышь с колесом прокрутки (scrolling). Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора.
5. Печатающее устройство (принтер) - устройство для вывода информации на бумагу, пленку или другую поверхность. Подключается к так называемому, параллельному интерфейсу (LРT порт) который передает одновременно 8 импульсов в машинном коде. Существуют конструкции, которые подключаются к USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина, заменившая устаревшие COM и LРT порты).
а) Матричный. (уже устаревшая технология) Изображение формируется иголками, пробивающими красящую ленту.
б) Струйный. Изображение формируется выбрасываемыми из сопел (до 256) микрокаплями краски. Скорость движения капель до 40м/с.
в) Лазерный. Изображение на бумагу переносится со специального барабана, наэлектризованного лазером, к которому притягиваются частички краски (тонера).
6. Сканер - устройство для ввода изображений в компьютер. Есть ручной, планшетный, барабанный.
7. Модем (МОдулятор-ДЕМодулятор) - устройство, позволяющее обмениваться информацией между компьютерами через аналоговые или цифровые каналы. Модемы отличаются друг от друга максимальной скоростью передачи данных (2400, 9600, 14400, 19200, 28800, 33600, 56000 бит в секунду), поддерживаемыми протоколами связи. Бывают модемы внутренние и внешние.

· Энергонезависимое хранение информации может осуществляться на различных физических принципах. Раньше всех начали применять магнитный способ хранения, где запись нуля или единицы изменяет направление намагниченности элементарной хранящей ячейки. Устройства хранения на магнитных сердечниках состояли из матрицы ферритовых колец (по кольцу на каждый хранящийся бит), пронизанных обмотками (адреса, записи и считывания).

Считывание выполнялось импульсом тока, пытающимся намагнитить ячейку в определенном направлении. Если ячейка была в противоположном состоянии, то эта попытки наводила импульс в обмотке считывания. Устройства ферритовой памяти были громоздкими, но сугубо статическими - в них не было движущихся частей. В устройствах с подвижным носителем хранящие ячейки движутся относительно головок записи-считывания и в зависимости от направления намагниченности вызывают в головке считывания импульс определенной полярности. На таком принципе строились и магнитные барабаны первых ЭВМ, и магнитные диски, и накопители на магнитной ленте.

матрица ферритовых колец.

· Оптические устройства хранения основаны на изменении отражающей или пропускающей способности участков носителей. Носителями для первых оптических устройств были фотопленка, перфолента, перфокарты. Теперь оптические устройства хранят информацию на дисках с ячейками микроскопических размеров, считываемых лазерным лучом.

Оптические устройства памяти

· Из электронных устройств распространение получила флэш-память, сочетающая довольно высокую плотность хранения с теперь уже приемлемой ценой. Флэш-память является статической и имеет очень высокое быстродействие считывания, но не очень быструю процедуру записи, причем для перезаписи должен предварительно стираться целый блок ячеек (современные микросхемы состоят из набора блоков). В режиме хранения на флэш-память питание можно не подавать - энергопотребление нулевое. В режиме чтения потребление достаточно малое, но стирание и запись требуют энергозатрат.

Каждая ячейка флэш-памяти состоит всего из одного униполярного (полевого) транзистора. Чистые (стертые) ячейки содержат единицу во всех битах; при записи (программировании) нужные ячейки обнуляются. Возможно последующее программирование и уже записанных ячеек, но при этом можно обнулять единичные биты, а не наоборот. В единичное состояние ячейки переводятся только при стирании . Стирание производится для всей матрицы ячеек; стирание одиночной ячейки невозможно.

УЗ – управление затвором. ПЗ – плавающий затвор

Принцип полевого транзистора: если приложить напряжение управления(исток – затвор(Иу)), тогда протекает ток исток-сток, если нет напряжения управления 0. Для записи на 1 менее, для записи подать напряжение на управляющий затвор и вытянуть электрон и ПЗ. Информация остается на ПЗ.