Лабораторная работа №1. Физическая Структура дисковой памяти

Теоретическая часть

Аппаратная часть современных персональных компьютеров (ПК) включает дисковую подсистему памяти на магнитных носителях, которая обычно комплектуется одним или двумя накопителями на жестких магнитных дисках (ЖМД), называемыми винчестерами, и одним накопителем на дискетах - гибких магнитных дисках (ГМД). Операционная система (ОС) позволяет пользователю разбивать ЖМД на части (разделы), каждая из которых рассматривается как отдельный так называемый логический диск. По своей внутренней структуре логический диск полностью соответствует дискете. Поэтому вначале остановимся на логической структуре ЖМД.

Конструктивно винчестер состоит из нескольких двухсторонних пластин, на обе стороны которых информация записывается в виде концентрических окружностей, называемых дорожками. Дорожки всех пластин (сторон), расположенные на одном удалении от центра, объединяются понятием цилиндра. Цилиндры, как и дорожки, нумеруются от края диска внутрь. Нумерация начинается с нуля. Стороны дисков также нумеруются, начиная с нулевой.

Чтобы данные могли быть записаны на диск и прочитаны с диска, каждая дорожка разбивается на участки, называемые секторами. Логический размер сектора для всех дисков составляет 512 байт. Секторам присваиваются номера в соответствии с двумя существующими системами нумерации - абсолютной и относительной.

Абсолютная нумерация секторов относится к физическому диску в целом независимо от того, разбит ли он (в случае ЖМД) на логические диски или нет. В этом случае местоположение сектора определяется тремя компонентами: номером магнитной головки (стороны), номером цилиндра (дорожки) и номером собственно сектора в пределах данной дорожки. При этом на каждой дорожке нумерация секторов начинается с 1, а не с нуля.

Относительная нумерация секторов ведется в пределах логических дисков винчестера, а также устанавливается для секторов дискет и флеш-дисков. Каждый логический диск имеют свою собственную относительную нумерацию секторов, начинающуюся с нуля.

Самый первый сектор жесткого диска (сторона 0, цилиндр 0, сектор 1), который называется главным загрузочным сектором (Master Boot Sector), состоит из нескольких частей. Основной из них является так называемая главная загрузочная запись - Master Boot Record (MBR). Формат первого сектора ЖМД представлен в табл.1.

Таблица 1

Номер поля	Смещение	Размер, байт	Содержимое
	00h		Программа главной загрузочной записи MBR
	1BEh		Таблица разделов диска - Partition Table
	1FEh		Сигнатура AA55h - признак конца сектора

 

Поля первого сектора формируются в процессе форматирования диска, а поле 2 дополнительно заполняется во время выполнения процедуры разбиения диска на разделы.

Если загрузка ОС выполняется с винчестера, то весь Master Boot Sector читается в память модулем инициализации BIOS. При этом программа главной загрузочной записи размещается по адресу 7С00:0000h и ей передается управление. Эта программа сканирует содержимое таблицы разделов Partition Table, состоящее из четырех 16-байтных элементов, разбитых на поля. Все элементы таблицы разделов имеют одинаковый формат (табл.2).

 

Таблица 2

Смеще-ние	Размер, байт	Название поля	Содержимое
00h		Признак загрузки	80h - загружаемый раздел 00h - незагружаемый раздел
01h 02h 03h		Начало раздела диска	Биты 0 - 7: номер головки (0-255) Биты 0 - 5: номер сектора (1-63) Биты 6 и 7: ст.биты номера цилиндра Биты 0 - 7: мл.биты номера цилиндра (0-1023)
04h		Тип раздела	00h - раздел не используется 01h – для ОС с 12-битовой FAT 04h – для ОС с 16-битовой FAT 05h - расширенный Extended-раздел 06h – для ОС старших версий с 16-битовой FAT
05h 06h 07h		Конец раздела диска	Биты 0 - 7: номер головки (0-255) Биты 0 - 5: номер сектора (1-63) Биты 6 и 7: ст. биты номера цилиндра Биты 0 - 7: мл. биты номера цилиндра (0-1023)
08h		Номер сектора	Количество секторов перед началом раздела
0Ch		Размер раздела	Количество секторов в разделе

Программа MBR при своем выполнении анализирует содержимое поля "Признак загрузки" каждого элемента и по коду 80h находит загружаемый (активный) раздел. Затем MBR считывает самый первый сектор этого раздела в память. Этот сектор содержит загрузочную запись (Boot Record - BR), которой главная загрузочная запись передает управление для дальнейшего выполнения загрузки модулей ОС, содержащихся в активном разделе.

Рассмотрим содержимое полей элемента таблицы разделов диска.

Содержимое поля "Признак загрузки" является флагом активного раздела. Коды байтов полей "Начало раздела диска" и "Конец раздела диска" определяют координаты границ раздела на диске. Несколько необычное распределение битов в байтах номеров сектора и цилиндра этих полей объясняется тем, что оно соответствует формату загрузки регистров процессора перед обращением к функции 02h чтения физического сектора диска прерывания 13h BIOS, используемого в программе начальной загрузки.

Код в поле "Тип раздела" указывает, какой именно ОС принадлежит данный раздел. Если код равен 1,4 или 6, это означает, что данный раздел используется операционной системой в качестве первичного раздела (Primary Partition), который обычно является загружаемым. В зависимости от того, какой именно код используется для обозначения первичного раздела, меняется одна из характеристик логического диска - размер элемента таблицы размещения файлов. Таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table) рассматривается в следующей лабораторной работе.

Значение кода типа раздела, равное 5, обозначает так называемый расширенный раздел (Extended Partition). Использование этого раздела позволяет создать на ЖМД несколько логических дисков, что решает проблему эффективного применения винчестеров большого объема. Для создания логических дисков используются специальные вспомогательные системные программы (утилиты - диск-менеджеры). Одной из них является утилита FDISK, позволяющей создать один первичный и один расширенный раздел. Первичный раздел обычно используется как логический диск C:, является активным и из него выполняется загрузка ОС. Расширенный раздел может разбиваться утилитой на логические диски D:,E: и т.д. Он не может быть активным, и, следовательно, невозможно выполнить загрузку ОС с логических дисков, расположенных в этом разделе.

Если поле "Тип раздела" содержит код 05h, то физический сектор, определяемый в поле "Начало раздела диска", является не загрузочным сектором расширенного раздела, а по существу вторичным Master Boot-сектором винчестера. Этот сектор содержит собственную таблицу разделов, называемую таблицей логического диска (Logical Drive Table - LDT). Эта таблица определяет местоположение и размер логического диска, с которым ОС обращается как с отдельным физическим диском. Вторичный Master Boot-сектор отличается от основного Master Boot-сектора тем, что он не содержит программы загрузки и имеет в своем составе только два 16-байтных элемента аналогичной структуры, а не четыре, как у Partition Table.

В поле "Тип раздела" первого элемента LDT указывается код 1,4 или 6, а в таком же поле второго элемента таблицы может содержаться код 5 или 0. Если этот код равен 5, то второй элемент LDT определяет вторичный Master Boot-сектор другого логического диска и т.д. В результате LDT всех логических дисков связываются в список (рис. 1), на начало которого указывает элемент таблицы разделов всего диска с кодом 5 в поле "Тип раздела". Если код типа раздела равен 0, то соответствующий элемент не используется.

Рис. 1

Каждый логический диск содержит свой Boot-сектор, две копии таблицы размещения файлов (FAT – File Allocation Table), корневой каталог и область данных 1).

Для LDT имеется отличие в использовании полей границ логических дисков: если код в поле "Тип раздела" равен 1, 4, 6, границы вычисляются относительно начала расширенного раздела; если этот код равен 5 - то относительно начала физического диска.

Поле элемента таблицы разделов "Номер сектора" хранит число секторов до начала раздела. Оно определяется путем последовательного подсчета секторов, начиная с сектора 1, головки 0, цилиндра 0 физического диска, и увеличения номера сектора на дорожке, затем номера головки и цилиндра.

Число секторов в разделе хранится в 4-байтном поле "Размер раздела". Как и для предыдущего поля, первое слово содержит младшую часть числа, второе - старшую.

Операционная система не предоставляет пользователю средств для непосредственной работы с таблицей разделов диска и главной загрузочной записью. Для обращения к этим системным областям необходимо либо спроектировать свои собственные функции, либо воспользоваться возможностью прямого обращения к самому первому сектору жесткого диска с помощью функции 02h прерывания 13h BIOS, либо использовать средства сервисного программного пакета Norton Utilities и, в частности, утилиту DISKEDIT (в случае, если ОС допускает прямое обращение к ЖМД).

Формат вызова функции 02h прерывания 13h имеет следующий вид:

на входе:

AH = 02h

AL = число читаемых секторов;

CH = номер дорожки;

CL = номер сектора;

DH = номер стороны диска;

DL = физический адрес дисковода (80h для ЖМД);

ES:BX = адрес буфера для данных сектора;

на выходе:

CF = 0, AX = 0000h - функция завершена успешно;

CF = 1, AX = код ошибки - функция завершилась с ошибкой.

В первом секторе на первой стороне нулевой дорожки логического диска и первом секторе на нулевой стороне той же дорожки каждой дискеты размещается так называемая загрузочная запись - Boot Record (BR), которая записывается туда программой форматирования диска. Содержимое первого сектора считывается из активного раздела винчестера программой MBR, после чего программная часть загрузочной записи запускается на выполнение. Помимо программной составляющей в загрузочной записи в ее форматированной области хранятся параметры, описывающие характеристики логического диска или дискеты. Эти параметры объединяются в структуру, называемую блоком параметров BIOS - BIOS Parameter Block (BPB). Формат загрузочного сектора логического диска или дискеты представлен в табл.3.

Таблица 3

Номер поля	Смеще-ние	Размер, байт	Содержимое	Примечание
	00h		Код команды EBxx90 перехода на программу начальной загрузки	Форматированная область сектора
	03h		Имя и версия ОС
	0Bh		Расширенный (Extended) блок BPB
	03Eh		Программа начальной загрузки	Неформатирован- ная область сектора
	1FEh		Cигнатура AA55h - признак окон-чания загрузочного сектора

Блок BPB в зависимости от версии ОС и типа FAT, имеет структуру, отличающуюся от аналогичной структуры в более ранних версиях. Он состоит из стандартного BPB и дополнительного расширения[1]. Формат расширенного блока BPB приведен в табл.4.

Таблица 4

Смеще-ние	Размер, байт	Содержимое	Примечание
0Ch		Количество байтов в одном секторе	Стандартный   блок   параметров   BIOS
0Dh		Количество секторов на кластер
0Eh		Количество резервных секторов, включая Boot-сектор
10h		Число таблиц FAT
11h		Максимальное число элементов в корневом каталоге
13h		Общее количество секторов на логическом диске
15h		Тип носителя (media descriptor)
16h		Количество секторов в одной FAT
18h		Количество секторов на дорожке
1Ah		Количество головок
1Ch		Количество "скрытых" секторов
20h		Общее количество секторов на логическом диске	Расширение   блока   параметров   BIOS
24h		Физический номер диска
25h		Зарезервировано
26h		Код 29h символа ')'
27h		Двоичный номер диска
28h		Метка диска
36h		Зарезервировано

Как обычный, так и расширенный блоки параметров BIOS содержат байт-описатель среды носителя данных (media descriptor). Этот байт служит для идентификации носителя данных и может содержать следующие коды, характеризующие носитель данных по количеству сторон и числу секторов на дорожке: FDh - 2 стороны, 9 секторов; F9h - 2 стороны, 15 секторов; F9h - 2 стороны,9 секторов и F0h - 2 стороны, 15 секторов; F8h - жесткий диск.

Для непосредственного обращения к загрузочной записи можно использовать прерывания MS DOS 25h и 26h, позволяющие выполнять операции чтения и записи сектора соответственно по его относительному (логическому) номеру. Формат этого прерывания для в случае работы с логическим диском объемом свыше 32 Мб, имеет вид:

на входе: AL = адрес дисковода (0=A, 1=B, 2=C и т.д.);

CX = FFFFh - код, определяющий, что работа будет производиться с логическим диском, имеющим размер более 32 Мб;

DS:BX = адрес управляющего блока следующей структуры (табл. 5):

Таблица 5

Размер поля, байт	Содержимое
	Начальный номер логического сектора
	Число секторов для чтения/записи
	FAR-адрес буфера для данных

на выходе:

CF=1 - ошибка, AH = код ошибки;

CF=0 - ошибки нет.

Если размер логического диска менее 32 Мб, формат вызова прерываний 25h,26h несколько иной:

на входе:

AL = адрес дисковода;

CX = количество читаемых (или записываемых) секторов;

DX = начальный номер логического сектора;

DS:BX = адрес буфера для передачи данных;

на выходе:

CF, AH имеют те же значения.

На практике следует учитывать одну важную особенность прерываний 25h,26h: после их выполнения в системном стеке остается одно слово, а именно старое значение регистра флагов. Поэтому после вызова прерывания это слово надо извлечь из стека командой pop и переслать в любой регистр, например CX.

Для чтения секторов диска в память может быть использована также команда l системного отладчика debug. Основные сведения о командах этого отладчика приведены в приложении.

 

Практическая часть

Примечание. Практическая часть работы выполняется в режиме виртуализации операционной системы MS DOS поскольку только эта система обеспечивает возможность непосредственного доступа к аппаратным средствам компьютера и, в частности, к устройствам внешней памяти.

Программная часть работы базируется на использовании средств системного отладчика debug и утилиты DISKEDIT из программного пакета Norton Utilities. При чтении содержимого памяти командами отладчика, в частности командой d, необходимо учитывать, что при выводе числовой информации на экран первый слева байт каждого поля данных является младшим, т.е. значения байтов поля записываются в обратном порядке.

В практической части работы необходимо вначале ознакомиться с командами отладчика debug, основные из которых представлены в приложении, и затем выполнить пункты 2.1 и 2.2.

2.1.Чтение и анализ содержимого первого сектора ЖМД

2.1.1. При выполнении данного пункта можно использовать функцию 02h прерывания 13h BIOS двумя способми:

1) с помощью команд отладчика a <смещение>, g <смещение пустой строки> выполнить ассемблерную последовательность команд, реализующую функцию 02h прерывания 13h. При выполнении команды a задать: <смещение> =100, BX =200. Командой d ES:BX получить на экране дамп первого сектора ЖМД. После команды d ES:BX трижды последовательно задать команду d.

2) с помощью текстового редактора оболочки NC создать текстовый файл[2] mbr.dbg вида:

a 100

mov ah,02

mov al,1

mov ch,0

mov cl,1

mov dh,0

mov dl,80

mov bx,200

int 13

<пустая строка>

g <смещение пустой строки>

r bx

0000

r cx

n master.sec

w es:200

q

< Enter >

Выполнить команду debug<mbr.dbg

В результате содержимое первого сектора ЖМД должно быть получено в файле master.sec текущего каталога.

Второй способ позволяет получить тот же результат, но в более удобной для дальнейшего использования форме.

2.1.2. Получить дамп MBR, используя первый способ чтения начального сектора винчестера. Проанализировать его занести в отчет таблицу разделов винчестера.

2.1.3. Используя второй способ чтения начального сектора ЖМД, получить файл master.sec. Проанализировать содержимое файла и занести в отчет таблицу разделов винчестера. Расшифровать значения всех полей элементов таблицы для первичного и расширенного разделов. Данные занести в таблицу, аналогичную табл.2. Сравнить результаты выполнения пунктов 2.1.2 и 2.1.3.

2.1.4. Запустить на выполнение программу просмотра диска DISKEDIT и проанализировать содержимое начального сектора винчестера в текстовом и шестнадцатеричном режимах. Сопоставить полученную информацию с результатами пп.2.1.2, 2.1.3.

Примечание. При работе с программой DISKEDIT запрещается внесение каких-либо изменений в системные таблицы винчестера, т.к. это может сделать диск неспособным к загрузке!

2.1.5. На основании информации из элемента расширенного раздела определить местоположение на диске (цилиндр, сторона, сектор) вторичного загрузочного сектора логического диска D:. Найти его таблицу разделов, прочитать и расшифровать содержимое элементов этой таблицы.

Примечание. При выполнении этого пункта использовать программу DISKEDIT.

2.2.Чтение и анализ содержимого загрузочной записи логического диска (дискеты)

2.2.1. Прочитать загрузочный сектор логического диска A: c помощью прерывания25h, составив для этого фрагмент ассемблерной программы и выполнив его с помощью команды отладчика a. Проанализировать полученный дамп памяти, расшифровать его и заполнить в отчете таблицу форматированной области сектора (см. табл.3 и 4). При выполнении прерывания 25h принять BX=200.

2.2.2. Выполнить задание п.2.2.1 другим способом, для чего:

а) подготовить в редакторе NC текстовый файл br.dbg вида:

l cs:100<номер логич.диска> <нач.номер читаемого сектора> <число читаемых секторов>

r cx

n boot.sec

w

q

б) выполнить команду debug<br.dbg;

в) получить файл загрузочного сектора boot.sec, проанализировать его содержимое. Сравнить полученные результаты с данными в п.2.2.1.

2.2.3. Выполнить задание п.2.2.2 для логических дисков C:,D:. Занести в отчет содержимое форматированной области загрузочных секторов этих дисков. Сопоставить результаты с данными, полученными в пп.2.2.1, 2.2.2.

2.2.4. Прочитать и проанализировать содержимое загрузочных секторов дисков A:, C:,D: с помощью программы DISKEDIT. Сравнить полученные результаты с данными, полученными в пп. 2.2.1. – 2.2.3.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе составляется отдельно на каждого студента. Он должен быть оформлен в виде документа Word, и содержать полные результаты по каждому пункту практической части.

Приложение

Теоретическая часть

В файловых системах ОС Windows, (как и в однопрограммной системе MS DOS), реализован один из наиболее эффективных способов распределения дискового пространства, в котором любой файл может занимать произвольные секторы диска. При этом для нового файла начальное распределение памяти не задается и пространство выделяется файлу по мере необходимости отдельными участками фиксированного размера, называемыми кластерами. Кластер может состоять из одного или нескольких смежных секторов. При создании нового или расширении существующего файла дисковое пространство выделяется ему отдельными кластерами, которые могут располагаться не обязательно в смежных областях диска.

В этом случае ОС должна вести учет используемых кластеров диска. Для каждого файла она должна хранить где-то информацию о том, какие участки диска распределены данному файлу.

В различных версиях Windows и MS DOS для хранения этой информации используется специальная служебная таблица, называемая таблицей размещения файлов (File Allocation Table - FAT).

FAT хранится на самом диске после загрузочного сектора и занимает несколько секторов. Обычно на диске имеется две копии FAT на случай повреждения одной из них.

По своей структуре FAT представляет собой одномерный массив данных, состоящий из элементов фиксированного формата. Каждый элемент (за исключением первых двух) хранит данные об определенном кластере диска, которые представляются в виде беззнакового целого числа. Размер FAT определяется общим количеством кластеров (а не секторов!) на диске. Элементы FAT последовательно нумеруются, начиная с нуля. Кластеры диска также нумеруются, начиная от номера 2, до числа, которое на 1 больше общего количества кластеров на диске. Между номерами элементов таблицы и номерами кластеров устанавливается взаимнооднозначное соответствие, то есть элемент FAT с номером n, n>=2 соответствует кластеру с тем же номером.

Первые реализации FAT (или иначе форматы FAT) были разработаны для MS DOS: 12-битовый (полуторабайтный – FAT 12) и 16-битовый (двухбайтный – FAT 16). В Windows используется усовершенствованный 32-битовый формат FAT (FAT 32) для ЖМД больших объемов. Формат FAT 12 удобен для логических дисков с небольшим количеством секторов, формат FAT 16 - для дисков средних размеров. Тип формата, а также другие характеристики FAT хранятся в блоке параметров BIOS.

Интерпретация значений элементов FAT для наиболее простых форматов FAT 12 и FAT 16 представлена в табл. 1 [3]. Первый байт FAT называется байтом идентификации (ID) FAT и имеет такое же значение, как и байт-описатель среды носителя данных, находящийся в блоке BPB.

Таблица 1

Формат и значения элементов	Интерпретация значений элементов FAT
FAT 12	FAT 16
000h	0000h	Свободный кластер
ff0h - ff6h	fff0h - fff6h	Зарезервированный кластер
ff7h	fff7h	Дефектный кластер
ff8h - fffh	fff8h - ffffh	Последний кластер файла
002h - fefh	0002h - ffefh	Номер следующего кластера файла

 

Следующие два байта FAT 12 и три байта FAT 16 содержат значение ffh. Остальная часть FAT состоит из 12- или 16-битовых элементов, интерпретация значений которых приведена в табл. 1.

Очевидно, что любой файл в общем случае может занимать несколько кластеров. При этом, как следует из последней строки табл.6, все занимаемые файлом кластеры связываются в список (цепочку кластеров). Начало этого списка, то есть номер первого кластера, выделенного файлу, хранится в элементе каталога, описывающего данный файл. Иными словами, номер первого кластера равен номеру элемента FAT, определяющего кластер с начальной частью данных файла. Этот элемент содержит номер другого элемента FAT, соответствующего по номеру следующему кластеру с очередной частью данных файла, и т.д. до достижения последнего кластера, который отмечается в FAT элементом со специальным значением(f)ff8h - (f)fffh. Чаще всего используется значение (f)fffh. Таким образом, цепочка кластеров, выделенных файлу, представляется в FAT списком элементов, каждый из которых указывает на кластер, номер которого совпадает с номером соответствующего элемента FAT. Поэтому по существу значение в табл. 1 из диапазона (0)002h - (f)fefh является номером элемента FAT, указывающим на очередной кластер с тем же номером.

Непосредственное обращение к FAT может потребоваться при решении задачи поиска файлов, информация о которых частично отсутствует, для чтения каталогов как файлов, для организации защиты информации на диске от несанкционированного доступа.

Во всех случаях предварительно необходимо прочитать одну копию FAT в память, используя, например, прерывание 25h. Затем, определив из элемента каталога номер первого кластера файла, следует с помощью FAT найти номер следующего кластера и т.д. до конца файла.

Процедура извлечения номера следующего кластера из FAT зависит от формата таблицы размещения файлов.

16-битовую FAT можно представить как массив 16-битовых чисел. Для определения номера следующего кластера следует прочитать из FAT слово, используя в качестве его индекса (номера) в массиве номер предыдущего кластера. Значение этого слова и будет являться искомым номером следующего кластера.

Для 12-битовой FAT необходимо выполнить следующие действия:

1) умножить номер предыдущего кластера на 3 и результат разделить на 2 (т.к. каждый элемент таблицы имеет длину 1.5 байта);

2) прочитать из FAT слово, используя в качестве номера его первого байта целую часть произведения, полученного в п.1;

3) если номер предыдущего кластера четный, то из прочитанного слова следует отбросить старшую шестнадцатеричную цифру, если нечетный - то младшую.

Оставшаяся часть слова (три шестнадцатеричные цифры) представляет собой номер следующего кластера в цепочке кластеров файла.

Принципиальной особенностью файловых систем Windows и DOS является их иерархическая, древовидная структура. Файлы, содержащие однородную и взаимосвязанную информацию, объединяются в группы, которые называются каталогами. В файловой структуре каталоги могут быть связаны друг с другом так, что внутри одного каталога могут создаваться другие каталоги, иначе называемые подкаталогами. Каждый подкаталог по своей структуре фактически является обычным файлом, содержащим список входящих в него файлов и подкаталогов.

На любом устройстве дисковой памяти ПК при выполнении операции форматирования средствами ОС (например, командой format в MS DOS) создается основной так называемый корневой каталог диска. Он находится сразу за последней копией FAT и занимает непрерывную область фиксированного размера, который задается при форматировании и определяет максимальное количество файлов и каталогов, зарегистрированных в корневом каталоге. После корневого каталога на диске находится область файлов и подкаталогов корневого каталога. На рис. 1 представлены основные области диска. Такую структуру имеют логические диски и флеш-диски.

Корневой каталог и любой подкаталог состоит из нескольких элементов (дескрипторов), описывающих файлы и подкаталоги данного каталога. Элемент каталога имеет длину 32 байта и формат[4], представленный в табл. 2.

 

 

 

 

Рис. 1

Таблица 2

Номер поля	Смеще-ние	Размер, байт	Содержимое
	00h		Имя файла или каталога (для MS DOS)
	08h		Расширение имени файла
	0Bh		Атрибуты файла
	0Ch		Зарезервировано
	16h		Время создания или последней модификации файла
	18h		Дата создания или последней модификации файла
	1Ah		Номер первого кластера, распределенного файлу
	1Ch		Размер файла в байтах

 

Рассмотрим подробнее информацию, содержащуюся в полях элементов каталога.

Первое поле отведено для имени файла или каталога, представленного в символьной форме. Если число символов в имени меньше 8, то правые байты заполняются пробелами (код 20h). В первом байте поля могут находиться специальные коды, показывающие особые состояния файла. Код 00h означает, что данный элемент еще не использовался и является свободным. Когда элемент каталога выделяется для вновь создаваемого файла, в этот байт записывается код первого символа имени файла. Код E5h показывает, что соответствующий файл удален из каталога. Помимо модификации в поле имени файла изменяется также содержимое соответствующих элементов FAT(они отмечаются кодом (0)000h), но при этом информация в кластерах не изменяется. Это обстоятельство используется в программах восстановления удаленных файлов. Очевидно, что успешное восстановление возможно, если только после удаления файла на диск ничего не записывалось. По коду E5h ОС определяет, что данный элемент каталога можно использовать для нового файла.

Второе поле размещается сразу за полем имени файла и содержит трехбайтовое расширение имени. При необходимости это поле, как и предыдущее, дополняется справа пробелами.

Третье поле содержит информацию об атрибутах (свойствах) файла. Каждый бит этого поля определяет один атрибут и устанавливается в 1, когда файлу назначается тот или иной атрибут. Биты этого поля имеют следующие значения.

Бит 0 отмечает файл, как только читаемый. Такое состояние защищает файл от модификации и удаления.

Биты 1 и 2 при установке в 1 превращают файл соответственно в скрытый и системный. Оба эти атрибута функционально идентичны и при установке любого из них файл не будет появляться в оглавлении каталога. Системные файлы обычно имеют оба этих атрибута.

Бит 3 означает, что данный элемент каталога хранит метку диска. Такой элемент правильно распознается только в корневом каталоге. Сама метка занимает поля имени файла и расширения, которые рассматриваются как одно поле длиной 11 байт. Для такого элемента каталога поля размера файла и номера начального кластера не используются, но поля даты и времени присутствуют.

Бит 4 означает, что элемент каталога описывает файл, являющийся подкаталогом данного каталога. Для таких элементов используются все поля элемента каталога, за исключением поля размера файла, которое содержит нули. Действительный размер подкаталога находится в результате прослеживания его цепочки кластеров в FAT. Сами подкаталоги также состоят из 32-байтных элементов, описывающих файлы и каталоги нижнего уровня. При этом в любом подкаталоге два первых элемента содержат в поле имени специальные коды и имеют специальное назначение. Первый элемент содержит в поле имени строку ". _______"(код "." - 2Eh) и служит указателем на содержащий его каталог. В поле номера начального кластера этот элемент хранит номер первого кластера, в котором находится сам подкаталог. Второй специальный элемент содержит в поле имени строку вида " .. ______". Он служит указателем каталога более высокого уровня по отношению к данному и в поле номера начального кластера хранит номер первого кластера родительского каталога. Если родительским является корневой каталог, то в указанном поле находится нулевое значение. Наличие в подкаталогах двух специальных элементов позволяет ОС организовывать связи между различными уровнями каталогов.

Бит 5 содержит атрибут "архивный", который введен для более простого образования резервных копий файлов с жесткого диска. Он находится в состоянии 0 для всех файлов, которые не изменялись после того, как производилась последняя операция их резервирования. Когда файл модифицируется, бит 5 устанавливается в 1, а когда резервируется - сбрасывается в 0.

Биты 6,7 байта атрибутов не используются.

В заключение следует отметить, что один и тот же файл может иметь несколько атрибутов.

Пятое поле элемента каталога является полем времени и содержит двухбайтовое беззнаковое целое число, которое в закодированном виде показывает время создания или последней модификации файла. Формат поля времени приведен на рис. 2.

 

№ бит 15 11 10 5 4 0

Часы(0..23)

Минуты(0..59)

Секунды/2(0..29)

Рис. 2.

Шестое поле элемента каталога используется для хранения даты создания или обновления файла. Формат поля даты приведен на рис. 3.

 

№ бит 15 9 8 5 4 0

Год(0..119)

Месяц(1..12)

День(1..31)

Рис. 3.

Для того чтобы получить значение года обновления файла, необходимо прибавить к величине, хранимой в старших семи битах, значение 1980. Отметим, что в полях времени и даты первым размещается младший байт.

Седьмое поле элемента каталога предназначено для хранения номера начального кластера, выделенного файлу. Номер представляется целым беззнаковым числом, первый байт которого имеет смеще­ние 1Ah. Самый первый кластер пространства данных на диске всегда имеет номер 2.

Восьмое поле является последним в элементе каталога и предназначено для хранения размера файла в байтах как четырехбайтного целого беззнакового числа, причем первый байт со смещением 1Ch является младшим, а последний со смещением 1Fh - старшим. Такое поле допускает размеры файлов до 4 Гб.

Практическая часть

2.1.Чтение и анализ системных областей каталогов

2.1.1. Создать на диске A: в корневом каталоге средствами NC или командами DOS структуру подкаталогов S1 – S6, по варианту, задаваемому преподавателем.

Скопировать из текущего или другого каталога винчестера 2-3 файла длиной 10 - 12 Кб (или создать эти файлы) во все подкаталоги диска A:. Командой LABEL задать диску метку.

2.1.2. Вычислить границы в секторах основных системных областей дискеты. Построить структуру всего диска (см. рис. 1), указав на ней значение границы каждой области.

2.1.3. С помощью команд отладчика debug l,d прочитать в память необходимое число секторов корневого каталога диска A:. Найти строки дампа, содержащие следующие элементы: а) файлов корневого каталога; б) подкаталогов корневого каталога; в) метки диска. Занести в отчет структуру каждого элемента, заполнив таблицу 3.

2.1.4. По номерам начальных кластеров подкаталогов S1,S2 вычислить соответствующие номера начальных секторов этих подкаталогов. Прочитать секторы в память и проанализировать их содержимое. Найти специальные элементы подкаталогов. Зафиксировать в отчете их структуру и содержимое полей в виде таблицы 4, структура которой аналогична табл. 3. Найти элементы файлов, зарегистрированных в каждом подкаталоге. Занести в табл. 4 структуру и расшифрованное содержимое полей этих элементов.

Таблица 3

Смещение	Размер, байт	Содержимое в 16-ричном коде	Расшифровка содержимого
Метка
Файлы корневого каталога
Подкаталоги S1, S2

Примечание. При необходимости следует прочитать в память не один, а большее число секторов подкаталогов.

2.1.5. Выполнить задание п.2.1.4 для подкаталогов S3 - S6 в файловой структуре диска A:. Построить структуру каталогов диска c указанием на ней начальных номеров секторов для каждого подкаталога.

 

2.2.Чтение, анализ и методика практического применения FAT

2.2.1. Используя результаты п.2.1.2, с помощью команд отладчика l, d прочитать FAT диска A: в память. Содержимое FAT (2-3 первых сектора) зафиксировать в отчете.

2.2.2. Для файловой структуры диска, созданной в п.2.1.1, найти:

а) цепочку кластеров для двух файлов корневого каталога;

б) цепочку кластеров для двух подкаталогов из множества S1-S6;