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

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

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

Файловая структура FAT: принципы и назначение

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

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

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

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

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

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

Вся файловая система состоит из следующих частей:

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

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

Достоинства и недостатки файловых структур FAT32, NTFS и exFAT

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

FAT32

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

Достоинства

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

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

Недостатки

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

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

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

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

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

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

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

NTFS

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

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

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

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

Достоинства

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

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

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

Недостатки

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

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

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

exFAT

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

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

Достоинства:

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

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

Наиболее оптимальная файловая структура

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

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

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

Файловая система обеспечивает способ организации диска. Она определяет, как данные хранятся на диске и какие типы информации могут быть прикреплены к файлам – имена файлов, разрешения и другие атрибуты.

Windows поддерживает три различные файловые системы . NTFS – самая современная файловая система. Windows использует NTFS для своего системного диска и, по умолчанию, для большинства несъемных дисков. FAT32 – это старая файловая система, которая не так эффективна, как NTFS, и не поддерживает большой набор функций, но обеспечивает большую совместимость с другими операционными системами. exFAT является современной заменой для FAT32 и её поддерживает больше устройств и операционных систем, чем NTFS – но это не так широко, как FAT32.

Файловая система NT (NTFS)

NTFS – это современная файловая система , которую Windows предпочитает использовать по умолчанию. При установке Windows форматирует системный диск в формат файловой системы NTFS. NTFS имеет настолько огромные ограничения по размеру файла и размеру раздела, что вряд ли Вы когда-либо с ними столкнетесь. NTFS впервые появилась в потребительской версии Windows XP, хотя первоначально дебютировала в Windows NT.

NTFS упакован современными функциями, недоступными для FAT32 и exFAT. NTFS поддерживает права доступа к файлам для безопасности, журнал изменений, который может помочь быстро восстановить ошибки, если ваш компьютер аварийно завершает работу, теневые копии для резервных копий, шифрование , ограничения дисковой квоты, жесткие ссылки и различные другие функции. Многие из них имеют решающее значение для диска операционной системы, особенно разрешения на доступ к файлам.

Системный раздел Windows должен быть в формате NTFS . Если у вас есть дополнительный диск вместе с Windows, и вы планируете установку программ на нём, лучше также отформатируйте его в NTFS. И, если у вас есть какие-либо диски, для которых совместимость не является проблемой – потому что Вы знаете, что будете использовать их на системах Windows – смело выбирайте NTFS.

Несмотря на свои преимущества, NTFS не хватает совместимости . Она будет работать со всеми последними версиями Windows – вплоть до Windows XP – но он имеет ограниченную совместимость с другими операционными системами. По умолчанию ОС Mac X может только читать NTFS диски, но не записывать данные. Некоторые дистрибутивы Linux могут включать поддержку NTFS-записи, но в других может быть доступно только чтение. Ни одна из консолей Sony PlayStation не поддерживает NTFS. Даже собственная консоль Xbox 360 от Microsoft не может читать NTFS диски, кроме Xbox One. Другие устройства с еще меньшей вероятностью поддерживают NTFS.

Совместимость : работает со всеми версиями Windows, но в Mac доступна только для чтения, и может быть доступна только для чтения в некоторых дистрибутивах Linux. Другие устройства, за исключением Microsoft Xbox One, вероятно, не будут поддерживать NTFS.

Ограничения : нереалистичный предельный размер файлов и размер раздела.

Идеальное использование : используйте её для диска вашей системы Windows и других внутренних дисков, которые будут использоваться только с Windows.

Таблица распределения файлов 32 (FAT32)

FAT32 является самой старой из трех файловых систем, доступных в Windows. Она была представлена в Windows 95, и заменила собой старую файловую систему FAT16, используемую в MS-DOS и Windows 3.

Возраст файловой системы FAT32 имеет свои преимущества и недостатки. Большие преимущества заключаются в том, что FAT32 является стандартом де-факто. Флэш-накопители из упаковки часто имеют файловую систему FAT32 для максимальной совместимости не только с современными компьютерами, но и другими устройствами, такими как игровые приставки и всё что угодно с USB-портом.

Однако, её ограничения также связаны с возрастом. Отдельные файлы на диске FAT32 не могут иметь размер больше 4 ГБ – это максимум. Раздел FAT32 также должен быть меньше 8 ТБ. Это границы к которым вплотную подобрались современные пользовательские устройства.

FAT32 подходит для USB флэш-накопителей и других внешних носителей – особенно если вы знаете, что будете использовать их на другом ПК без Windows. В этой файловой системе отсутствуют разрешения и другие функции безопасности, встроенные в более современную файловую систему NTFS. Кроме того, современные версии Windows больше не могут быть установлены на диск, отформатированный с помощью FAT32; они должны быть установлены на диски, отформатированные с помощью NTFS.

Совместимость : работает со всеми версиями Windows, Mac и Linux, игровыми приставками, и практически с любым устройством, имеющим порт USB.

Ограничения : максимальный размер файла 4 ГБ, максимальный размер раздела – 8 ТБ.

Идеальное использование : используйте на съемных дисках, где вам нужна максимальная совместимость с широким спектром устройств, если Вы не используете файлы 4 ГБ или большего размера.

Таблица расширенного размещения файлов (exFAT)

Файловая система exFAT была введена в 2006 году и была добавлена к более старым версиям Windows с обновлениями для Windows XP и Windows Vista. exFAT – это оптимизированная для флэш-накопителей файловая система – разработанная, чтобы сохранить совместимость FAT32, но без лишних функций NTFS и без ограничений FAT32.

Как и NTFS, exFAT имеет очень большие ограничения на размер файлов и разделов, что позволяет хранить файлы гораздо больше, чем 4 ГБ, разрешенных в FAT32.

Хотя exFAT не совсем соответствует совместимости FAT32, он более широко совместима, чем NTFS. Даже OS Mac предлагает полную поддержку exFAT для чтения и записи. exFAT диски могут быть доступны на Linux после установки соответствующего программного обеспечения. С другими устройствами немного сложнее: PlayStation 4 поддерживает exFAT; PlayStation 3 не поддерживает; Xbox One поддерживает, а Xbox 360 – нет.

Совместимость : работает со всеми версиями Windows и на современных версиях Mac X, но требует дополнительного программного обеспечения на Linux. Больше устройств поддерживают exFAT, но некоторые – особенно старые – работают только с FAT32.

Ограничения : нереалистичный предельный размер файлов и разделов.

Идеальное использование : используйте её, когда Вам нужно хранить файлы большого размера и когда Вам нужна широкая совместимость. Предполагая, что каждое устройство, которое вы хотите использовать, поддерживает exFAT, вы должны отформатировать свое устройство с помощью exFAT вместо FAT32.

NTFS идеально подходит для внутренних накопителей, в то время как exFAT обычно идеально подходит для флэш-накопителей. Однако, иногда может потребоваться отформатировать внешний диск с помощью FAT32, если exFAT не поддерживается на устройстве, с которым необходимо его использовать.

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

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

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

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

Сам принцип организации файловой системы прост.

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

(про то, как написать драйвер, есть отдельный )

Почему FAT16?

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

Зачем мне нужно знать как устроена файловая система?

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

Описание файловой системы FAT16

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

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

• системную область
• область данных

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

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

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

Про область данных …

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

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

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

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

Про системную область …

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

Разберем каждую часть подробнее

1. Загрузочный сектор

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

Рассмотрим структуру загрузочного сектора.

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

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

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

P.S. Загрузочный сектор всегда заканчивается 55AAh.

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

2. FAT

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

Что такое FAT?

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

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

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

Приведу пример HEX кода с пояснением .

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

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

3. Корневой каталог

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

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

Каждый элемент имеет следующую структуру:

Приведу пример HEX кода с пояснением.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как найти адрес кластера зная его номер?

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

Узнать размер системной области вам поможет следующий рисунок:

Пример для моего случая

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

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

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

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

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

Подсчитываем, с какого адреса начинается кластер №3 :

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

Подсчитываем, по какому адресу кончается кластер №3 :

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

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

Посмотрим HEX код

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

Так зачем нужна таблица FAT?

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

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

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

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

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

Что такое директория?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вам будет интересно:

NTFS, FAT или exFAT это совершенно разные файловые системы, которые могут использоваться для хранения данных на различных носителях. Обе созданы в компании Microsoft и в основном используются для Windows, но поддержка в ядре Linux для них тоже есть.

Чаще всего NTFS используется для установки операционной системы Windows или разделов Windows для файлов, в то время как FAT часто применяется на флешках или других внешних накопителях. Также FAT может часто использоваться в качестве основной файловой системы для Android. В этой статье мы рассмотрим различия FAT и NTFS, подробно разберем чем они отличаются и зачем нужны.

Файловая система устанавливает основные правила того как будут организованны данные при записи на носитель, независимо от того, что это - жесткий диск или флеш накопитель. Файловая система описывает каким образом будут организованы папки.

Определенная часть данных под названием файл размещается в нужной области накопителя. Файловая система выполняет все необходимые вычисления, а также определяет минимальный неделимый размер блока данных, максимальный размер файла, следит за фрагментацией. Существует множество различных типов файловых систем, это, например, файловые системы для установки ОС, для внешних носителей, для оптических дисков, распределенные файловые системы. Но в этой статье мы только выполним сравнение fat и ntfs.

Что такое файловая система FAT?

Файловые системы fat32 и ntfs очень сильно отличаются. FAT расшифровывается как File Allocation Table. Это очень давняя файловая система в истории вычислительных систем. Ее история началась в 1977 году. Тогда была разработана 8 битная файловая система, которая использовалась в NCR 7200 на основе Intel 8080. Это был терминал ввода, который работал с гибкими дисками. Файловая система была написана сотрудником Microsoft, Марком Макдональдом после обсуждения ее концепции с Билом Гейтсом.

Затем файловая система FAT начала использоваться в операционной системе MDOS для платформы Z80. Спустя несколько лет были выпущены новые версии, такие как FAT12, FAT16 и FAT32.

FAT32 увеличила максимальный размер тома до 16 Тб, по сравнению с FAT16. Также был увеличен размер файла до 4 Гб. File Allocation Table 32 бит вышла в августе 1995 года для Windows 95. Но эта файловая система все еще не может использоваться для установки тяжелых приложений или хранения больших файлов. Поэтому Microsoft разработала новую файловую систему - NTFS, которая лишена таких недостатков.

FAT32 - это отличная файловая система для внешних носителей, если вам нужно передавать файлы размером не более чем 4 Гб. Она поддерживается множеством различных устройств, таких как фотоаппараты, камеры, музыкальные плееры. Все версии Windows и дистрибутивы Linux полностью поддерживают FAT32. Даже Apple MacOS ее поддерживает.

Что такое файловая система NTFS?

Для своих новых систем Microsoft разработала новую файловую систему - New Technology File System или NTFS. Она появилась в 1993 году, в Windows NT 3.1. NTFS сняла многие ограничения на размеры файлов и диска. Ее разработка началась еще в далеком 1980 году, в результате объединения Microsoft и IBM для создания новой файловой системы с улучшенной производительностью.

Но сотрудничество компаний продлилось недолго, и IBM выпустила HPFS, которая использовалась в OS/2, а в Microsoft создали NTFS 1.0. Максимальный размер одного файла в NTFS может достигать 16 экзабайт, а это значит, что в ней поместятся даже самые большие файлы.

NTFS 3.1 была выпущена для Windows XP и получила множество интересных улучшений, таких как поддержку уменьшения размера разделов, автоматическое восстановление и символические ссылки, а максимальный размер диска с файловой системой увеличен до 256 ТБ. Это несмотря на максимальный размер файла в 16 Эб.

Из других интересных функций, которые были добавлены позже можно отметить отложенную запись на диск, поддержка дефрагментации, настройка дисковых квот, отслеживание ссылок и шифрование на уровне файлов. При всем этом, NTFS сохраняет совместимость с прежними версиями.

Сейчас это журналируемая файловая система, все действия с файлами заносятся в специальный журнал, с помощью которого файловая система может быть очень быстро восстановлена при повреждениях. NTFS поддерживается в Windows XP и более поздних версиях. Если сравнивать fat или ntfs, то последняя в Linux поддерживается не полностью, возможна запись и восстановление при повреждениях, а в MacOS поддерживается только чтение.

Что такое файловая система exFAT?

Файловая система exFAT - это еще один проект Microsoft по улучшению старой файловой системы. Ее можно исполосовать там, где не подходит FAT32. Она намного легче за NTFS, но поддерживает файлы размером более 4 Гб, и тоже часто применяется на флешках и накопителях. При ее разработке Microsoft использовала свою технологию поиска имен файлов по хэшу, что очень сильно улучшает производительность.

Большинство стран признают патентное право США, поэтому любая реализация exFAT невозможна в любых системах с закрытым или открытым исходным кодом. Но Microsoft хочет чтобы эта файловая система свободно распространялась и использовалась. Поэтому была разработана версия exFAT на основе FUSE под названием fuse-exfat. Она дает полный доступ на чтение и запись. Также была создана реализация на уровне ядра Linux в Samsung, которая сейчас тоже есть в открытом доступе.

Эта файловая система тоже имеет максимальное ограничение на размер файла 16 ЭБ, но она намного легче и не имеет никаких дополнительных возможностей. Если говорить про совместимость, то она полностью поддерживается в Windows, MacOS, Android и Linux.

Различия FAT и Ntfs

А теперь рассмотрим основные различия FAT и NTFS в виде краткого резюме по каждой из файловых систем:

FAT32

• Совместимость: Windows, Mac, Linux, игровые консоли, практически все устройства, имеющие USB порт;
• Плюсы: кроссплатформенность, легкость;
• Минусы: максимальный размер файла 4 ГБ и раздела 16 ГБ, не журналируемая;
• Использование: внешние носители.

NTFS

• Совместимость: Windows, Linux, Xbox One, и только чтение в Mac;
• Плюсы: журналируемая, большие лимиты на размер раздела и файла, шифрование, автоматическое восстановление;
• Минусы: ограниченная кроссплатформенность;
• Использование: для установки Windows.

exFAT

• Совместимость: Windows XP и выше, MacOS X 10.6.5, Linux (fuse), Android;
• Плюсы: большой лимит на размер раздела и файла, легкая по сравнению с NTFS;
• Минусы: Microsoft ограничивает ее использование лицензионным соглашением;
• Использование: для внешних носителей и внешних жестких дисков.

Выводы

В этой статье мы выполнили сравнение fat и ntfs. Это очень разные файловые системы. Но понять какая файловая система лучше fat или ntfs сложно, с одной стороны NTFS имеет намного больше возможностей, но зато FAT более легкая и поддерживается везде, где это возможно. Для разделов данных в Linux, которые должны быть доступны в Windows лучше использовать FAT, а не NTFS, поскольку она поддерживается лучше. А по-вашему что лучше fat или ntfs для Linux?

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

Непосредственно адресуемые участки логического диска, отведенные для раз­мещения в них файлов или их фрагментов;

Свободные области дискового пространства;

Дефектные области диска (эти области содержат дефектные участки и не га­рантируют чтение и запись данных без ошибок).

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска де­лится на две области (рис. 6.1): системную область и область данных.

Рис. 6.1. Структура логического диска в FAT

Системная область логического диска создается и инициализируется при форма­тировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. Об­ласть данных логического диска содержит обычные файлы и файлы-каталоги; эти объекты образуют иерархию, подчиненную корневому каталогу. Элемент катало-

Файловая система FAT________________________________________________ 167

га описывает файловый объект, который может быть либо обычным файлом, либо файлом-каталогом. Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном про­странстве друг за другом):

Загрузочной записи (Boot Record, BR);

Зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec);

Таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT);

Корневого каталога (Root Directory, RDir).

Таблица размещения файлов

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

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

Каждый файл занимает целое число кластеров. Последний кластер при этом мо­жет быть задействован не полностью, что при большом размере кластера может приводить к заметной потере дискового пространства. На дискетах кластер зани­мает один или два сектора, а на жестких дисках его размер зависит от объема раз­дела (табл. 6.1). В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу (или файлу-каталогу), связываются в цепочки. Для указания номера кластера в файло­вой системе FAT 16 используется 16-разрядное слово, следовательно, можно иметь до 2 10 = 65 536 кластеров (с номерами от 0 до 65 535).

Таблица 6.1 . Соотношения между размером раздела и размером кластеров в FAT16

Емкость раздела, Мбайт Количество секторов в кластере Размер кластеров, Кбайт

Заметим, что в Windows NT/2000/XP разделы файловой системы FAT могут иметь размер до 4097 Мбайт. В этом случае кластер будет объединять уже 128 секторов.

Номер кластера всегда относится к области данных диска (пространству, зарезер­вированному для файлов и подкаталогов). Номера кластеров соответствуют эле-

168____________________________________________ Глава 6, Файловые системы

ментам таблицы размещения файлов. Первый допустимый номер кластера всегда начинается с 2.

Логическое разбиение области данных на кластеры как совокупности секторов взамен использования одиночных секторов имеет следующий смысл:

Прежде всего, уменьшается размер самой таблицы FAT; - уменьшается возможная фрагментация файлов;

Ускоряется доступ к файлу, так как в несколько раз сокращается длина цепочек фрагментов дискового пространства, выделенных для него.

Однако слишком большой размер кластера ведет к неэффективному использова­нию области данных, особенно в случае большого количества маленьких файлов. Как мы только что заметили, в среднем на каждый файл теряется около половины кластера. Из табл. 6.1 следует, что при размере кластера в 32 сектора (объем разде­ла при этом - от 512 до 1023 Мбайт), то есть 16 Кбайт, средняя величина потерь на файл равняется 8 Кбайт, и при нескольких тысячах файлов 1 потери могут со­ставлять более 100 Мбайт. Поэтому в современных файловых системах размеры кластеров ограничиваются (обычно от 512 байт до 4 Кбайт), либо предоставляет­ся возможность выбирать размер кластера.

Достаточно наглядно идею файловой системы, использующей таблицу размеще­ния файлов, иллюстрирует рис. 6.2.

Рис. 6.2. Иллюстрация основной концепции FAT

Из рисунка видно, что файл MYFILE.TXT размещается, начиная с восьмого кластера. Всего файл MYFILE.TXT занимает 12 кластеров. Цепочка (chain) кластеров для на­шего примера может быть записана следующим образом: 8, 9,0А, 0В, 15,16,17,19,

1 Например, число 10 000-15 000 файлов (или даже более, особенно когда файлы небольшого разме­ра) на логическом диске с объемом в 1000 Мбайт встречается достаточно часто.

Файловая система FAT 169

1А, 1B, 1С, 1D. Кластер с номером 18 помечен специальным кодом F7 как плохой (bad), он не может быть использован для размещения данных. При форматирова­нии обычно проверяется поверхность магнитного диска, и те сектора, при конт­рольном чтении с которых происходили ошибки, помечаются в FAT как плохие. Кластер 1D помечен кодом FF как конечный (последний в цепочке) кластер, принадлежащий данному файлу. Свободные (незанятые) кластеры помечаются кодом 00; при выделении нового кластера для записи файла берется первый сво­бодный кластер. Возможные значения, которые могут приписываться элементам таблицы FAT, приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Значения элементов FAT

Значение Описание

OOOOh Свободный кластер

fffOh-fff6h Зарезервированный кластер

fff7h Плохой кластер

fffSh-ffffh Последний кластер в цепочке

0002h-ffefh Номер следующего кластера в цепочке

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

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

В связи с чрезвычайной важностью таблицы FAT она обычно хранится в двух иден­тичных экземплярах, второй из которых непосредственно следует за первым. Об­новляются копии FAT одновременно, используется же только первый экземпляр. Если он по каким-либо причинам окажется разрушенным, то произойдет обраще­ние ко второму экземпляру. Так, например, утилита проверки и восстановления файловой структуры ScanDisk из ОС Windows 9x при обнаружении несоответствия первичной и резервной копии FAT предлагает восстановить главную таблицу, ис­пользуя данные из копии.

Корневой каталог отличается от обычного файла-каталога тем, что он помимо раз­мещения в фиксированном месте логического диска имеет еще и фиксированное число элементов. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится ин­формация в соответствии со структурой, представленной в табл. 6.3.

Для работы с данными на магнитных дисках в системах DOS, которые имеют файло­вую систему FAT, удобно использовать широко известную утилиту Disk Editor из

170___________________________________________ Глава 6. Файловые системы

комплекта утилит Питера Нортона. У нее много достоинств. Прежде всего, она ком­пактна, легко размещается на системной дискете с MS DOS, снабжена встроенной системой подсказок и необходимой справочной информацией. Используя ее, можно сохранять, модифицировать и восстанавливать загрузочную запись, восстанавливать таблицу FAT в случае ее повреждения, а также выполнять много других операций. Основными недостатками этой программы на сегодняшний день являются ограниче­ния на размеры диска и разделов и отсутствие поддержки работы с такими распрост­раненными файловыми системами, как FAT32 и NTFS. Вместо нее теперь часто ис­пользуют утилиту Partition Magic, однако наилучшей альтернативой этой программе на сегодняшний день можно считать утилиту Администратор дисков от Acronis.

Таблица 6.3. Структура элемента каталога

Размер поля данных, байт Содержание поля

11 Имя файла или каталога

1 Атрибуты файла

1 Резервное поле

3 Время создания

2 Дата создания

2 Дата последнего доступа

2 Зарезервировано

2 Время последней модификации

2 Дата последней модификации

2 Номер начального кластера в FAT

4 Размер файла

Структура загрузочной записи DOS

Сектор, содержащий системный загрузчик DOS, является самым первым на логи­ческом диске С:. Напомним, что на дискете системный загрузчик размещается в са­мом первом секторе; его физический адрес равен 0-0-1. Загрузочная запись состо­ит, как мы уже знаем, из двух частей: блока параметров диска (Disk Parameter Block, DPB) и системного загрузчика (System Bootstrap, SB). Блок параметров диска слу­жит для идентификации физического и логического форматов логического диска, а системный загрузчик играет существенную роль в процессе загрузки DOS. Эта информационная структура приведена в табл. 6.4.

Первые два байта загрузочной записи занимает команда безусловного перехода (JMP) на программу SB. Третий байт содержит код 90Н (NOP - нет операции). Да­лее располагается восьмибайтовый системный идентификатор, включающий ин­формацию о фирме-разработчике и версии операционной системы. Затем следует блок параметров диска, а после него - системный загрузчик.

Для работы с загрузочной записью DOS, как и с другими служебными информа­ционными структурами, удобно использовать уже упомянутую программу Disk

Файловая система FAT________________________________________________ 171

Editor из комплекта утилит Питера Нортона. Используя ее, можно сохранять, мо­дифицировать и восстанавливать загрузочную запись, а также выполнять много других операций. Достаточно подробно работа с этой утилитой описана в .

Таблица 6.4. Структура загрузочной записи для FAT16

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

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

системного загрузчика

ОЗН (3) 8 Системный идентификатор

ОВН (11) 2 SectSize Размер сектора, байт

ООН (13) 1 ClastSize Число секторов в кластере

0ЕН(14) 2 ResSecs Число зарезервированных секторов

10Н (16) 1 FATcnt Число копий FAT

11Н (17) 2 RootSize Максимальное число элементов Rdir

13Н (19) 2 TotSecs Число секторов на логическом диске,

если его размер не превышает 32 Мбайт; иначе 0000Н

15Н (21) 1 Media Дескриптор носителя

16Н(22) 2 FATsize Размер FAT, секторов

18Н(24) 2 TrkSecs Число секторов на дорожке

1АН(26) 2 HeadCnt Число рабочих поверхностей

1СН(28) 4 HidnSecs Число скрытых секторов

20Н (32) 4 Число секторов на логическом диске,

если его размер превышает 32 Мбайт

24Н (36) 1 Тип логического диска (ООН - гибкий,

80Н - жесткий)

25Н (37) 1 Зарезервировано

26Н (38) 1 Маркер с кодом 29Н

27Н (39) 4 Серийный номер тома 1

2ВН (43) 11 Метка тома

36Н (54) 8 Имя файловой системы

ЗЕН (62) Системный загрузчик

1FEH (510) 2 Сигнатура (слово АА55Н)

1 Том (volume) представляет собой единое логическое адресное пространство. Томом может быть обыч­ный логический диск либо несколько дисковых пространств.