В сфере персональных компьютеров в 1987 г. возник кризис. Возможности файловой системы FAT, разработанной фирмой Microsoft за десять лет до этого для 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 для 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. В настоящее время в продаже имеются жесткие диски емкостью, как правило, 2,5 Гбайт и выше.
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.
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 именуются кластерами. Число секторов в кластере должно быть кратно степени двойки. (Узнать размер кластера в своей системе можно 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 (для FAT16 это значение составляет FFF7H);
· данный кластер - последний кластер файла (для 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 предусмотрено поле, которое не отображается командой DIR, - поле с номером первого кластера, отведенного под файл.
Рис. 1.32-байт запись в каталоге для файла состоит из восьми полей, содержащих основную информацию о файле, например его размер, начальный кластер на диске, время и дату последнего внесения изменений в него.
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 для 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 последовательности. 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" для 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 для 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 уровня 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 для 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.
Рис. 2. С увеличением размеров диска единица в двоичном 8-разрядном представлении числа секторов в кластере смещается влево. При смещении единицы за крайнюю левую цифровую позицию возникает ошибка превышения размера 4 Гбайт. Размер кластера указан в виде 16-разрядных двоичных чисел. И вновь единица смещается влево, а при смещении ее за крайнюю левую позицию возникает "2-Гбайт кризис".
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.