Реферат: Современные архитектуры файловых систем

Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из многих составляющих, в число которых входят и файловые системы в традиционном понимании.

Новая файловая система имеет многоуровневую структуру (рисунок 2.39), на верхнем уровне которой располагается так называемый переключатель файловых систем (в Windows 95, например, такой переключатель называется устанавливаемым диспетчером файловой системы — installable filesystem manager, IFS). Он обеспечивает интерфейс между запросами приложения и конкретной файловой системой, к которой обращается это приложение. Переключатель файловых систем преобразует запросы в формат, воспринимаемый следующим уровнем — уровнем файловых систем.

Рис. 2.39. Архитектура современной файловой системы

Каждый компонент уровня файловых систем выполнен в виде драйвера соответствующей файловой системы и поддерживает определенную организацию файловой системы. Переключатель является единственным модулем, который может обращаться к драйверу файловой системы. Приложение не может обращаться к нему напрямую. Драйвер файловой системы может быть написан в виде реентерабельного кода, что позволяет сразу нескольким приложениям выполнять операции с файлами. Каждый драйвер файловой системы в процессе собственной инициализации регистрируется у переключателя, передавая ему таблицу точек входа, которые будут использоваться при последующих обращениях к файловой системе.

Для выполнения своих функций драйверы файловых систем обращаются к подсистеме ввода-вывода, образующей следующий слой файловой системы новой архитектуры. Подсистема ввода вывода — это составная часть файловой системы, которая отвечает за загрузку, инициализацию и управление всеми модулями низших уровней файловой системы. Обычно эти модули представляют собой драйверы портов, которые непосредственно занимаются работой с аппаратными средствами. Кроме этого подсистема ввода-вывода обеспечивает некоторый сервис драйверам файловой системы, что позволяет им осуществлять запросы к конкретным устройствам. Подсистема ввода-вывода должна постоянно присутствовать в памяти и организовывать совместную работу иерархии драйверов устройств. В эту иерархию могут входить драйверы устройств определенного типа (драйверы жестких дисков или накопителей на лентах), драйверы, поддерживаемые поставщиками (такие драйверы перехватывают запросы к блочным устройствам и могут частично изменить поведение существующего драйвера этого устройства, например, зашифровать данные), драйверы портов, которые управляют конкретными адаптерами.

Большое число уровней архитектуры файловой системы обеспечивает авторам драйверов устройств большую гибкость — драйвер может получить управление на любом этапе выполнения запроса — от вызова приложением функции, которая занимается работой с файлами, до того момента, когда работающий на самом низком уровне драйвер устройства начинает просматривать регистры контроллера. Многоуровневый механизм работы файловой системы реализован посредством цепочек вызова.

В ходе инициализации драйвер устройства может добавить себя к цепочке вызова некоторого устройства, определив при этом уровень последующего обращения. Подсистема ввода-вывода помещает адрес целевой функции в цепочку вызова устройства, используя заданный уровень для того, чтобы должным образом упорядочить цепочку. По мере выполнения запроса, подсистема ввода-вывода последовательно вызывает все функции, ранее помещенные в цепочку вызова.

Внесенная в цепочку вызова процедура драйвера может решить передать запрос дальше — в измененном или в неизмененном виде — на следующий уровень, или, если это возможно, процедура может удовлетворить запрос, не передавая его дальше по цепочке.

Устройства внешней памяти

Назначение и виды внешней памяти. Классическая функция внешней памяти состоит в том, чтобы сохранять информацию для повторного использования. Отсюда следует, что всю информацию целесообразно хранить во внутреннем двоичном представлении, т.к. это позволяет в случае необходимости немедленно обрабатывать её без всяких дополнительных преобразований.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) можно разделить на следующие классы:

по типу доступа:

u с произвольным доступом (диски, флэш-карты);

u с последовательным доступом (ленты);

по используемой технологии записи/считывания информации:

u с магнитными носителями (НЖМД, НГМД);

u с оптическими носителями (CD, DVD);

u с магнитооптическими носителями;

u использующие флэш-память;

по типу носителя:

u с постоянным носителем (жесткие диски);

u со сменными носителями (гибкие диски, картриджи стримеров, сменные пакеты жестких дисков).

Внешняя память на бумажных носителях. (Из истории ВТ)

Если рассматривать разнообразные устройства внешней памяти в историческом аспекте, следуя той последовательности, в которой они появились, то первыми следует упомянуть бумажные носители: перфоленты иперфокарты, на которых единица кодировалась пробивкой отверстия, а ноль – его отсутствием. Информация на бумажных носителях не могла быть повторно перезаписана, а поиск информации в архивах производился оператором «вручную». Перфокарты еще использовались в машинах третьего поколения.

Внешняя память на магнитных носителях.

На смену бумажным носителям пришли магнитные. Вместо отверстий, распознаваемых оптическим способом, на магнитных лентах (пластмассовая лента, покрытая слоем ферромагнитного материала) с помощью электромагнитов (записывающая магнитная головка) наносятся намагниченные определенным образом области («пятнышки»), с помощью которых кодируются буквы двоичного алфавита – единица и ноль. При движении ленты относительно электромагнита (считывающая магнитная головка) осуществляется процедура считывания записанной на ленте информации. Первые магнитные устройства по идеям построения просто повторяли бумажные. Однако информационные емкости существенно возросли, а носители стали многоразовыми.

Накопители на магнитных лентах. Эти накопители относятся к ВЗУ последовательного доступа. В них доступ к требуемому набору данных происходит только после завершения перемотки всей предшествующей части магнитной ленты (МЛ).

Магнитные ленты для цифровой записи данных размещаются на бобинах или кассетах. Принципы размещения информации следующие:

u информация размещается на носителе в виде блоков (массивы данных фиксированной или переменной длины);

u информационные блоки разделены пустыми промежутками (gap) для распознания начала и окончания блока. Наличие пустых промежутков уменьшает полезный объем ленты. Частично этот недостаток устраняет метод блокирования, суть которого состоит в объединении нескольких записей в блоки;

u блоки разделяются на информационные (ИБ) и служебные(конец файла, конец тома);

u физическое начало и физический конец ленты определяются оптическим или механическим образом.

В ЭВМ обычно применялась девятидорожечная запись. Информация при этом записывается девятью магнитными головками (МГ). Из девяти одновременно записываемых битов восемь являются информационными (1 байт) и один бит – контрольным битом четности. Значение контрольного бита выбирается в зависимости от значений восьми информационных битов. Если число единиц в восьми информационных битах нечетное, то в контрольный бит четности заносится единица, а если четное – нуль.

Структура данных на магнитных лентах: 1 – физическое начало ленты (начальный ракорд); 2 – информационные блоки (ИБ) 1-го файла; 3 – GAP, промежуток между блоками; 4 – EOF –end-of-file, служебный блок, задающий конец 1-го файла; 5 – информационные блоки (ИБ) 2-го файла; 6 – конец 2-го файла; 7 –EOV– end-of-volume, служебный блок, задающий логический конец ленты; 8 – физический конец ленты (конечный ракорд).

Широкое распространение получили картриджи с 8 – миллиметровыми магнитными лентами, способными хранить от 2 до 5 Гбайт информации. Чтение и запись выполняются с помощью системы спиральной развертки, подобной той, что использовалась в видеомагнитофонах.

Стример – устройство для резервного копирования больших объемов информации. В качестве носителя в этих устройствах применяются кассеты с магнитной лентой.

Магнитные ленты сыграли важную роль при организации больших информационных архивов и фондов пакетов программ.

Следующим важным шагом в области хранения информации на магнитных носителях явилась разработка магнитных барабанов, на которых лента была кольцевой, а магнитная головка не единственной. Доступ к данным в таком устройстве осуществлялся за счет вращения барабана и переключения головок, что существенно ускоряло нахождение требуемой информации по сравнению с обычной лентой.

Изменение формы вращающегося носителя (диск) и обеспечение движения магнитной головки поперек диска привели к появлению магнитных дисков и соответствующих накопителей – НГМД, НЖМД.