Файловая система FAT32

В сфере персональных компьютеров в 1987 г. возник кризис. Возможности файловой системы FAT, разработанной фирмой Microsoft за десять лет до этого дл интерпретатора Standalone Disk Basic и позднее приспособленной для операционной системы DOS, были исчерпаны. FAT предназначалась для жестких дисков емкостью не свыше 32 Мбайт, а новые НЖМД большей емкости оказывались совершенно бесполезными дл пользователей PC. Некоторые независимые поставщики предлагали собственные способы решения этой проблемы, однако лишь с появлением DOS 4.0 этот кризис был преодолен - на некоторое время.

Значительные изменения структуры файловой системы в DOS 4.0 позволили операционной системе работать с дисками емкостью до 128 Мбайт; с внесением в последующем незначительных дополнений этот предел был поднят до 2 Гбайт. В то время казалось, что такой объем памяти превышает любые мыслимые потребности. Однако если история персональных компьютеров чему-то и научила, то именно тому, что емкость, "превышающа любые мыслимые потребности", очень быстро становитс "почти недостаточной для серьезных работ". Действительно, в настоящее время в продаже имеютс жесткие диски емкостью, как правило, 2,5 Гбайт и выше, а когда-то очень высокий и избавивший нас от ограничений потолок в 2 Гбайт превратился в еще одно препятствие, которое предстоит преодолеть.

Для систем Windows 95 фирма Microsoft разработала новое расширение системы FAT - FAT32, без каких-либо громких заявлений предусмотренное в пакете OEM Service Pack 2. Система FAT32 устанавливается только в новых PC, и не рассчитывайте получить ее при переходе к новой версии Windows 95, хотя, по утверждению Microsoft, это расширение станет составной частью основного пакета дл модернизации Windows (с кодовым названием Memphis), выпуск которого ожидается позднее в этом году. В этой статье мы кратко рассмотрим общую структуру файловых систем FAT, а затем остановимся на новшествах, отличающих FAT32. Чтобы избежать путаницы, старую 16-разрядную версию будем называть FAT16.

Области диска

Эта файловая система предусматривает ряд специальных областей на диске, выделенных для организации пространства диска в процессе его форматирования - головную запись загрузки, таблицу разбиения диска, запись загрузки, таблицу размещения файлов (от которой система FAT и получила свое название) и корневой каталог. На физическом уровне пространство диска разбивается на 512-байт области, называемые секторами. В системе FAT место для файлов выделяется блоками, которые состоят из целого числа секторов и именуютс кластерами. Число секторов в кластере должно быть кратно степени двойки. (Узнать размер кластера в своей системе вы можете с помощью программ CHKDSK или SCANDISK.) В Microsoft называют эти кластеры единицами выделения памяти (allocation unit), а в отчете SCANDISK указывается их размер, например "16 384 байт в каждой единице выделения памяти". Обычно размер кластера можно определить, поделив объем памяти диска на 64 Кбайт (65 536 байт) и округлив результат до ближайшего числа, кратного степени двойки. Так, размер кластеров 1,2-Гбайт диска составляет 32 Кбайт - если 1,2 Гбайт (1 258 291,2 Kбайт) поделить на 65 536, получим 19,2 Кбайт, а после округления - 32 Кбайт.

Цепочка FAT

FAT представляет собой базу данных, связывающую кластеры дискового пространства с файлами. В этой базе для каждого кластера предусматривается только один элемент. Первые два элемента содержат информацию о самой системе FAT. Третий и последующие элементы ставятся в соответствие кластерам дискового пространства, начиная с первого кластера, отведенного для файлов. Элементы FAT могут содержать несколько специальных значений, указывающих, что

• кластер свободен, т.е. не использован ни одним файлом (для FAT16 это значение составляет 0000H);
• кластер содержит один или несколько секторов с физическими дефектами и не должен использоваться (дл FAT16 это значение составляет FFF7H);
• данный кластер - последний кластер файла (дл FAT16 это значение составляет FFF8 FFFFH).

Для любого используемого файлом, но не последнего кластера элемент FAT содержит номер следующего кластера, занятого файлом.

Каждый каталог - независимо корневой или подкаталог - также представляет собой базу данных. В каталоге DOS для каждого файла предусмотрена одна главная запись (В среде Windows 95 для длинных имен файлов введены дополнительные записи). В отличие от FAT, где каждый элемент состоит из единственного поля, записи для файла в каталоге состоят из нескольких полей (см. рис. 1). Некоторые поля - имя, расширение, размер, дата и врем - могут быть выведены на экран по команде DIR. Но в системе FAT предусмотрена поле, которое не отображаетс командой DIR, - поле с номером первого кластера, отведенного под файл.

Структура записи в каталоге

Смещение	0-7	8-10	11	12-21	22-23	24-25	26-27	28-31
Имя файла Расширение Атрибут Не используется Время Дата Начальный кластер Размер файла
Размер	8 байт	3 байт	1 байт	10 байт	2 байт	2 байт	2 байт	4 байт

Когда программа отправляет запрос к операционной системе с требованием предоставить ей содержимое какого-то файла ОС просматривает запись каталога дл него, чтобы найти первый кластер этого файла. Затем она обращается к элементу FAT для данного кластера, чтобы найти следующий кластер в цепочке. Повторяя этот процесс, пока не обнаружит последний кластер файла, ОС точно определяет, какие кластеры принадлежат данному файлу и в какой последования. Таким путем система может предоставить программе любую часть запрашиваемого ею файла. Такой способ организации файла носит название цепочки FAT.

В системе FAT файлам всегда выделяется целое число кластеров. На 1,2-Гбайт жестком диске с 32-Кбайт кластерами в каталоге может быть указано, что размер текстового файла, содержащего слова "hello, world", составляет всего 12 байт, но на самом деле этот файл занимает 32 Кбайт дискового пространства. Неиспользованная часть кластера называется потерянным местом (slack). В небольших файлах почти весь кластер может быть потерянным местом, а в среднем потери составляют половину размера кластера.

На 850-Мбайт жестком диске с 16-Кбайт кластерами при среднем размере файлов порядка 50 Кбайт около 16% отведенного под файлы дискового пространства будет потеряно на неиспользуемые, но выделенные файлам области. Один из способов высвобождения пространства на диске - с помощью программ сжатия диска, например DriveSpace, которая выделяет "потерянные места" дл использования другими файлами.

Расчеты размеров секторов и кластеров

Сначала в файловой системе FAT в DOS 1 использовались 12-разрядные элементы FAT. (В настоящее время 12-разрядная FAT все еще находит применение дл гибких дисков.) В DOS 2, оснащенной дополнительными средствами для работы с жесткими дисками, в FAT предусмотрены 16-разрядные элементы. Причина проблемы, возникшей в 1987 г., кроется в запросах нижнего уровн к операционной системе на считывание секторов диска с передачей 16-разрядного значения в качестве параметра. Существует 65 536 различных 16-разрядных значений; умножив 65 536 на 512 байт в секторе, получим 32 Мбайт. Что касается числа секторов на диске, оно ограничено возможностями операционной системы. В DOS 4.0 дл обработки запросов на считывание секторов нижнего уровня используются 32-разрядные параметры.

Предел в 2 Гбайт на самом деле обусловлен не проблемами операционной системы, а существующими программами. На диске емкостью 2 Гбайт и более кластеры имеют размер 64 Кбайт, или 65 536 байт (см. рис. 2). Но самое большое значение, которое может быть представлено в 16 разрядах, составляет 65 535; 64 Кбайт - слишком большая величина для 16 разрядов. В Microsoft обнаружили, что при разработке многих существующих в настоящее время программ их авторы исходили из предположения, что значение числа байт в кластере умещается в 16 разрядах.

Ограничения на размеры секторов и кластеров в FAT16

Размер диска

Число секторов в кластере

Размер кластера

Десятичное	Двоичное	Десятичное	Двоичное
Менее 128 Мбайт	4	00000100	2 Кбайт	0000100000000000
Менее 256 Мбайт	8	00001000	4 Кбайт	0001000000000000
Менее 512 Мбайт	16	00010000	8 Кбайт	0010000000000000
Менее 1 Гбайт	32	00100000	16 Кбайт	0100000000000000
Менее 2 Гбайт	64	01000000	32 Кбайт	1000000000000000
Менее 4 Гбайт	128	10000000	64 Кбайт	ОШИБКА: Проблема для существующих программ
4 Гбайт и более	256	ОШИБКА: Проблема для ОС

Даже если такой проблемы не возникло при объеме в 2 Гбайт, то операционная система все равно не сможет работать с дисками емкостью свыше 4 Гбайт. При использовании FAT16 число секторов в кластере сохраняется самой ОС в одном байте блока параметров диска, устанавливаемого ОС. Это число должно быть кратным степени 2 и при этом меньше 256. Таким образом, в кластер может входить не более 128 секторов, или 64 Кбайт. В итоге даже если ограничение в 2 Гбайт снимается, система FAT16 приемлема лишь для дисков емкостью менее 4 Гбайт.

В файловой системе FAT32 как элементы FAT, так и номера секторов - 32-разрядные. Вот что это значит: умножим 4 294 967 296 различных 32-разрядных значений на 512 байт в секторе и получим огромное число 2 Тбайт (2 199 023 255 552 байт), которое представляет собой максимально возможную емкость диска при использовании FAT32.

Некоторое устранение потерь

Теперь, когда допустимое число кластеров и число секторов одинаковы, видимо, можно было бы предположить, что для минимизации потерь места на диске в FAT32 будут использоваться кластеры, состоящие только из одного сектора. Но в этом вопросе необходим какой-то компромисс, поэтому в спецификации FAT32 размер кластера для накопителей емкостью до 8 Гбайт составляет 4 Кбайт.

Зависимость размера кластера от емкости диска

Емкость диска, Гбайт

Размер кластера, Кбайт

Менее 8	4
Менее 16	8
Менее 32	16
32 и более	32

Одним из факторов, сыгравшим роль в принятии такого решения, стало то, что теперь нужно учитывать и размер самой FAT. Операционная система сохраняет две копии FAT, поэтому под элемент каждого кластера в FAT требуется 8 байт. На 2-Гбайт диске FAT займет 32 Мбайт его пространства при размере кластера 512 байт. А если размер кластера составляет 4 Кбайт, для хранения двух таблиц FAT потребуется всего 4 Мбайт, т. е. будет сэкономлено 28 Мбайт.

Но причиной для компромисса послужили не только соображения экономии дискового пространства; не были забыты и вопросы производительности. Для ускорени доступа к диску встроенная программа дискового кэша VCACHE загружает всю FAT в оперативную память. Очевидно, что проще добиться этого, если кажда отдельная таблица FAT занимает 2 Мбайт, а не 16 Мбайт. И не беспокойтесь о том, что увеличение числа кластеров и удвоение размера элементов FAT приведут к снижению эффективности VCACHE: для FAT32 предусмотрен новый метод работы с кэшем, который, согласно заявлениям Microsoft, повышает общую производительность.

Другие изменения в FAT32

Чтобы обеспечить возможность работы с возросшим числом кластеров, в записи каталога для каждого файла должно выделяться 4 байт для начального кластера файла (вместо 2 байт в системе FAT16). Традиционно кажда запись в каталоге состоит из 32 байт (рис. 1). В середине этой записи 10 байт не используются (байты с 12-го по 21-й), которые Microsoft зарезервировала дл своих собственных нужд в будущем. Два из них теперь отводятся как дополнительные байты, необходимые дл указания начального кластера в системе FAT32.

Операционная система всегда предусматривала наличие на диске двух экземпляров FAT, но использовался только один из них. С переходом к FAT32 операционная система может работать с любой из этих копий. Еще одно изменение состоит в том, что корневой каталог, раньше имевший фиксированный размер и строго определенное место на диске, теперь можно свободно наращивать по мере необходимости подобно подкаталогу. Теперь не существует ограничений на число записей в корневом каталоге. Это особенно важно, поскольку под каждое длинное имя файла используется несколько записей каталога.

Сочетание перемещаемого корневого каталога и возможности использования обеих копий FAT - неплохие предпосылки для беспрепятственного динамического изменения размеров разделов диска, например уменьшени раздела с целью высвобождения места для другой операционной системы. Этот новый подход менее опасен, чем применявшиеся в программах независимых поставщиков для изменения разделов диска при работе с FAT16. (Хот в Windows нет утилит, использующих возможности FAT32, такие средства реализованы в программах независимых фирм, например в Partition Magic 3.0 фирмы PowerQuest и PartitionIt фирмы Quarterdeck.)

Предостережения

Следует заметить, что FAT32 рассчитана только на Windows 95. В Microsoft не давали обещаний подготовить Windows NT к ее использованию и намекнули, что и не собираются этого делать. Однако в фирме заявляют, что, если в Windows NT 5.0 не будет средств для работы с FAT32, то в ней будет предусмотрена утилита дл отображения дисков файловой системы FAT32 в NTFS ("родную" файловую систему Windows NT), поэтому те, кто собирается обновить свою систему, могут не беспокоиться. Однако в настоящее время, если вы хотите установить Windows NT и Windows 95 на одной машине, вам нужно будет убедиться, что совместно используемое этими двумя операционными системами дисковое пространство организовано в соответствии с FAT16, а не FAT32, которую не "воспринимает" система Windows NT, и не NTFS, которую не "понимает" Windows 95.

Вам также следует помнить, что, поскольку поле дл размера файла в записи каталога занимает 32 разряда, размер отдельного файла не может превышать 4 Гбайт.

Наконец, при любых существенных изменениях файловой системы, видимо, такие утилиты для работы с дисками на нижнем уровне, как Norton Utilities, перестанут работать. Необходимо перейти на их обновленные версии. Подсистемы управления файлами и программы просмотра (например, Norton Navigator) должны работать и с системой FAT32.

Если мы остановимся на FAT32, то пройдет еще 15 лет, прежде чем мы достигнем рубежа 2 Тбайт, и нам придетс переходить на FAT64. Учитывая разговоры об объектно-ориентированных файловых системах, можно с той же степенью уверенности предсказать отказ от FAT, с которой мы могли предсказать в 1987 г. отход от FAT до достижения предела в 2 Гбайт.