Файловая система FAT

FAT была создана корпорацией Microsoft для операционной системы (ОС) MS-DOS. Существуют три её разновидности: FAT12, FAT16 (или просто FAT), FAT32.Файловая система получила название по своему главному элементу - File Allocation Table (Таблица размещения файлов). Данная система применяется только для жёстких дисков и дискет.

Логический диск с файловой системой FAT.

Практически весь диск состоит из данных. Область данных разделена на участки одинакового размера - кластеры (от 1 до 64 секторов). Все файлы и папки находятся в этих кластерах. Файл может занимать несколько кластеров, но каждый кластер принадлежит только одному файлу. Кластер либо свободен, либо является частью какой-либо папки или файла. Файл необязательно должен находиться в соседних кластерах. Вполне возможно, что первый его кластер находится в начале диска, второй – в конце, а третий – в середине. Чтобы найти все кластеры файла (или папки, что одно и то же), существует специальная таблица - File Allocation Table (FAT). В ней находятся специальные значения для каждого кластера - занятый файлом, свободный, дефектный. Если кластер занят файлом, то в таблице находится номер следующего кластера файла. Фактически, системы FAT12, FAT16 и FAT32 различаются только размером элемента таблицы FAT – 12 бит (1,5 байта), 16 бит (2 байта) и 32 бита (4 байта). Так как элементы содержат номер кластера, то на диске с  FAT12 может быть максимум 2^12 = 4096 кластеров, в FAT16  - 2^16 = 65536, а в FAT32 - 2^32 = 4294967295 кластеров. По сути, таблица FAT не несёт каких-либо полезных для пользователя данных, просто занимая дисковое место - данные из неё используются только системой. Каков же её размер ? Давайте посчитаем. На каждый кластер приходится по одному элементу FAT. В FAT32 они по 4 байта, то есть, если размер кластера 4 килобайта (8 секторов = 4096 байт), то 4/4096 (1 тысячная) всего диска занято под FAT, а если 0,5 килобайта (1 сектор = 512 байт), то занято уже 4/512 (8 тысячных). Получается, чем больше кластер, тем меньший размер диска теряется под таблицу? Да это так, но при увеличении кластера возникают потери, несравнимо большие - о них мы поговорим попозже.
На диске также могут присутствовать: системная область (1 - 20 секторов) и несколько копий FAT (чаще всего одна), так что размер FAT нужно умножать на число копий.

Кластеры и элементы FAT.

Все файлы и папки содержатся в кластерах. Папка – это тот же файл, в котором установлен атрибут каталога и содержатся ссылки на файлы и другие папки, “содержащиеся” в нём.  В элементе FAT, соответствующем кластеру файла, содержится номер следующего кластера файла, или специальное значение, сигнализирующее, что файл закончен. Таким образом, для чтения всего файла нужно знать только номер его первого кластера, который и находится в описателе файла в папке, содержащей его. Мы читаем первый кластер, затем смотрим в таблице FAT номер следующего кластера, считываем его, и так далее, пока не встретим значение “конец файла” (равно –1 в системах Microsoft).

На рисунке показан фрагмент таблицы FAT, в котором показано расположение файла с первым кластером 22. Для простоты, файл находится в смежных кластерах. При запросе на чтение файла ОС найдёт в папке ссылку на этот файл и прочитает кластеры с 22 по 25.

Каталоги (папки).

Каталоги, как уже говорилось, являются обычными файлами, у которых установлен атрибут каталога в описании файла. В данном файле находятся специальные структуры, размером 32 байта, описывающие файлы и папки, содержащиеся в нём. Каждая структура описывает один файл или каталог. В ней указано имя файла, его атрибуты, номер первого кластера, даты создания и изменения, размер. Данные описатели разрабатывались ещё для DOS, и под имя файла зарезервировано только 11 байт (8 под имя и 3 под расширение) из 32. Отсюда и появилось пресловутое "короткое имя" в Windows - оно занимает один описатель в каталоге. Windows пользуется длинными именами, занимая под имя файла несколько описателей (в зависимости от длины имени). Записи в каталоге никак не сортируются, поэтому при большом количестве файлов в каталоге, поиск файла может быть затруднен. Первые два описателя имеют имена "." и "..", и описывают текущий каталог и родительский соответственно.

Создание файла.

ОС просматривает каталог, в котором нужно создать файл, и ищет, нет ли уже файла с таким именем - в папке не должно быть файлов с одинаковыми именами. Попутно она ищет первый свободный элемент каталога - может быть, есть удалённый файл, описатель которого можно занять. Если такого нет, то придётся расширять каталог. В описатель записывается имя файла, его атрибуты, время создания, размер - 0. Кластер этому файлу не выделяется, в номер первого кластера записывается 0, чего не может быть у файла с данными.

Удаление файла.

Как вы думаете, удаляется ли что-то с диска при удалении файла? Правильно, нет. ОС просто помечает файл как удалённый (первую букву его имени заменяет на 'х'), и проходит в FAT по его цепочке кластеров, помечая каждый как свободный. Если в эти кластеры ничего не будут записывать, то вся информация файла сохраняется на диске (надо только её найти). Поэтому будьте внимательнее со своими любовными письмами.

Потери на остатках кластеров.

Как вы заметили, ОС меряет дисковое пространство только кластерами, не размениваясь на что-то меньшее. Поэтому даже самому маленькому файлу выделяется один кластер. Если файл имеет размер один байт, то только один байт из всего кластера содержит что-то полезное. Остальная часть кластера просто теряется. Да и с большими файлами то же самое. Если размер файла не кратен размеру кластера, то последний кластер файла заполнен только частично, и какая-то его часть теряется. Сколько же места займут 100 файлов по 2 байта? На кластере 4 Кб - 400 Кб (а не 200 байт, как считается), на кластере 16 Кб - 1,56 Мб. Чем меньше кластер, тем меньше дискового места теряется. Но зато растет таблица FAT. Как плохо. Отсюда вывод - система FAT любит только большие файлы, а ещё больше кратные размеру кластера. Неким стандартом размера кластера является 4 килобайта - посчитали, что на нём меньше всего теряется места. Но если у вас на диске будет много маленьких файлов, делайте кластер меньше, и вы выиграете.

Некоторые советы по оптимизации FAT.

1. Пустой каталог - потерянный кластер. Удаляйте пустые каталоги. (На пустые файлы кластер не выделяется.)

2. Создавайте файлы с короткими именами (например, в окне DOS) - они занимают одну запись в каталоге (к сведению, почти все системные файлы Windows имеют короткие имена).

3. Проводите дефрагментацию - ОС очень долго разыскивает куски файла по всему диску.

4. Найти файл в каталоге, где несколько сот файлов, подчас дольше, чем прочесть его. Разбейте такой каталог на несколько. Оптимальное число файлов с коротким именем : (размер кластера в байтах)/32 - 3.

Как работать с FAT (техническая информация).

Загрузочный сектор логического диска

Далее содержимое загрузочного сектора различается у FAT32 и FAT12/FAT16.

Загрузочный сектор для FAT16/FAT12

Загрузочный сектор для FAT32

Типы устройства

Далее идёт программа загрузки операционной системы, и последние 2 байта - сигнатура загрузочного сектора - 55AAh.

Вам не показалось странным, что нигде на логическом диске не указан тип файловой системы? По аббревиатуре различать их запрещено. Для этого нужно хорошенько посчитать. Берём размер диска, вычитаем из него размер таблиц FAT, размер корневого каталога (если он есть), размер системной области. Что у нас получилось - размер области данных. Если его поделить на число секторов в кластере, то мы узнаем число кластеров на диске. Так вот, если оно меньше 0FF5h, то это FAT12, если больше его, но меньше 0FFF5h, то это FAT16, а если ещё больше, то FAT32. Не правда ли, странный способ?
В FAT12/FAT16 для корневого каталога выделено место между FAT и данными. Как узнать его размер в секторах? Число элементов корневого каталога умножаем на 32, добавляем размер сектора, вычитаем единицу и делим это всё на размер сектора.

Описатель файла в каталоге

Первая буква имени файла имеет специальное значение - если это 0E5h (русская 'х'), то файл был удалён, описатель свободен, если 0, то каталог закончился, файлов больше нет.
Атрибуты файла:

• бит 0 - только для чтения
• бит 1 - скрытый
• бит 2 - системный
• бит 3 - метка тома
• бит 4 - каталог
• бит 5 - архивный
• биты 6, 7 - хз

Длинные имена

Длинное имя разрезано на несколько стандартных описателей (по 13 букв на один описатель), каждый из которых содержит атрибут метки тома (чтобы их не было видно в DOS), плюс один нормальный описатель с укороченным именем (именно его видно в DOS). Буквы имени записываются в кодировке Unicode (по 2 байта на символ), причем точка и завершающий ноль также пишутся. Если длина имени кратна 13 символам, то нулевой символ не записывается. Остаток описателя дополняется кодами 0FFFFh. Участки записываются от последнего к первому, сразу за ними следует стандартный описатель. Нумеруются они с 1, причём у последнего участка установлен бит 6 в номере участка.