Файловые системы VFAT и FAT32

Одной из важнейших характеристик исходной FAT было использование имен файлов формата «8.3», в котором 8 символов отводится на указание имени файла и 3 символа — для расширения имени. К стандартной FAT (имеется в виду прежде всего реализация FAT 16) добавились еще две разновидности, используемые в широко распространенных операционных системах Microsoft (конкретно -в Windows 95 и Windows NT): VFAT (виртуальная FAT) и FAT32, используемая в одной из редакций ОС Windows 95 и Windows 98. Ныне эта файловая система (FAT32) поддерживается и такими ОС, как Windows Millennium Edition, и всеми ОС семейства Windows 2000. Имеются реализации систем управления файлами для FAT32, Windows NT и ОС Linux.

Файловая система VFAT впервые появилась в Windows for Workgroups 3.11 и была предназначена для выполнения файлового ввода/вывода в защищенном режиме. С выходом Windows 95 в VFAT добавилась поддержка длинных имен файлов (long file name, LFN). Тем не менее, VFAT сохраняет совместимость с исходным вариантом FAT; это означает, что наряду с длинными именами в ней поддерживаются имена формата «8.3», а также существует специальный механизм для преобразования имен «8.3» в длинные имена, и наоборот. Именно файловая система VFAT поддерживается исходными версиями Windows 95, Windows NT 4. При работе с VFAT крайне важно использовать файловые утилиты, поддерживающие VFAT вообще и длинные имена в частности. Дело в том, что более ранние файловые утилиты DOS запросто модифицируют то, что кажется им исходной структурой FAT. Это может привести к потере или порче длинных имен из таблицы FAT, поддерживаемой VFAT (или FAT32). Следовательно, для томов VFAT необходимо пользоваться файловыми утилитами, которые понимают и сохраняют файловую структуру VFAT.

В исходной версии Windows 95 основной файловой системой была 32-разрядная VFAT. VFAT может использовать 32-разрядные драйверы защищенного режима или 16-разрядные драйверы реального режима. При этом элементы FAT остаются 12- или 16-разрядными, поэтому на диске используется та же структура данных, что и в предыдущих реализациях FAT. VFAT обрабатывает все обращения к жесткому диску и использует 32-разрядный код для всех файловых операций с дисковыми томами.

Основными недостатками файловых систем FAT и VFAT являются большие потери на кластеризацию при больших размерах логического диска и ограничения на сам размер логического диска. Это привело к разработке новой реализации файловой системы с использованием той же идеи использования таблицы FAT. Поэтому в Microsoft Windows 95 OEM Service Release 2 (эта версия Windows 95 часто называется Windows 95 OSR2) на смену системе VFAT пришла файловая система FAT32. FAT32 является полностью самостоятельной 32-разрядной файловой системой и содержит многочисленные усовершенствования и дополнения по сравнению с предыдущими реализациями FAT.

Принципиальное отличие заключается в том, что FAT32 намного эффективнее расходует дисковое пространство. Прежде всего, система FAT32 использует кластеры меньшего размера по сравнению с предыдущими версиями, которые ограничивались 65 535 кластерами на том (соответственно, с увеличением размера диска приходилось увеличивать и размер кластеров). Следовательно, даже для дисков размером до 8 Гбайт FAT32 может использовать 4-килобайтные кластеры. В результате по сравнению с дисками FAT16 экономится значительное дисковое пространство (в среднем 10-15 %).

FAT32 также может перемещать корневой каталог и использовать резервную копию FAT вместо стандартной. Расширенная загрузочная запись FAT32 позволяет создавать копии критических структур данных; это повышает устойчивость дисков FAT32 к нарушениям структуры FAT по сравнению с предыдущими версиями. Корневой каталог в FAT32 представлен в виде обычной цепочки кластеров. Следовательно, корневой каталог может находиться в произвольном месте диска, что снимает действовавшее ранее ограничение на размер корневого каталога (512 элементов).

Windows 95 OSR2 и Windows 98 могут работать и с разделами VFAT, созданными Windows NT. To, что говорилось ранее об использовании файловых утилит VFAT с томами VFAT, относится и к FAT32. Поскольку прежние утилиты FAT (для FAT32 в эту категорию входят обе файловые системы, FAT и VFAT) могут повредить или уничтожить важную служебную информацию, для томов FAT32 нельзя пользоваться никакими файловыми утилитами, кроме утилит FAT32.

Кроме повышения емкости FAT до величины в 4 Тбайт, файловая система FAT32 вносит ряд необходимых усовершенствований в структуру корневого каталога. Предыдущие реализации требовали, чтобы вся информация корневого каталога FAT находилась в одном дисковом кластере. При этом корневой каталог мог содержать не более 512 файлов. Необходимость представлять длинные имена и обеспечить совместимость с прежними версиями FAT привела разработчиков компании Microsoft к компромиссному решению: для представления длинного имени они стали использовать элементы каталога, в том числе и корневого. Рассмотрим способ представления в VFAT длинного имени файла (рис. 6.13).

Первые одиннадцать байтов элемента каталога DOS используются для хранения имени файла. Каждое такое имя разделяется на две части: в первых восьми байтах хранятся символы собственно имени, а в последних трех — символы так называемого расширения, с помощью которого реализуются механизмы предопределенных типов. Были введены соответствующие системные соглашения, и файлы определенного типа необходимо (желательно) именовать с оговоренным расширением. Например, исполняемые файлы с расширением СОМ определяют исполняемую двоичную программу с простейшей односегментной структурой. Более сложные программы имеют расширение ЕХЕ. Определены расширения для большого количества типов файлов, и эти расширения используются для ассоциированного запуска обрабатывающих файлы программ.

Если имя файла состоит менее чем из восьми символов, то в элементе каталога оно дополняется символами пробела, чтобы полностью заполнить все восемь байтов соответствующего поля. Аналогично и расширение может содержать от нуля до трех символов. Остальные (незаполненные) позиции в элементе каталога, определяющем расширение имени файла, заполняются символами пробела. Поскольку при работе с именем файла учитываются все одиннадцать свободных мест, то необходимость в отображении точки, которая обычно вводится между именем файла и его расширением, отпадает. В элементе каталога она просто подразумевается.

В двенадцатом байте элемента каталога хранятся атрибуты файла. Шесть из восьми указанных разрядов используются DOS.

На дисках FAT 12 или FAT 16 следующие за именем десять байтов не используются. Обыкновенно они заполняются нулями и считаются резервными значениями. А на диске с файловой системой FAT32 эти 10 байт содержат самую разную информацию о файле. При этом байт, отмеченный как «зарезервировано для NT», представляет собой, как подразумевает его название, поле, не используемое в DOS или Windows 9x, но применяемое в Windows NT.

Из соображений совместимости поля, которые встречаются в элементах каталога для коротких имен формата FAT 12 и FAT 16, находятся на тех же местах и в элементах каталога для коротких имен формата FAT32. Остальные поля, которые встречаются только в элементах каталога для коротких имен формата FAT32, соответствуют зарезервированной области длиной в десять байт в элементах каталога для коротких имен форматов FAT 12 и FAT 16.

Как видно из рис. 6.13., для длинного имени файла используется несколько элементов каталога. Таким образом, появление длинных имен фактически привело к дальнейшему уменьшению количества файлов, которые могут находиться в корневом каталоге. Поскольку длинное имя может содержать до 256 символов, всего один файл с полным длинным именем занимает до 25 элементов FAT (1 для имени 8.3 и еще 24 для самого длинного имени). Количество элементов корневого каталога VFAT уменьшается до 21. Очевидно, что это не самое изящное решение, поэтому компания Microsoft советует избегать длинных имен в корневых каталогах FAT при отсутствии FAT32, у которой количество элементов каталога соответственно просто увеличено. Помните и о том, что длина полной файловой спецификации, включающей путь и имя файла (длинное или в формате 8.3), тоже ограничивается 260 символами. FAT32 успешно справляется с проблемой длинных имен в корневом каталоге, но проблема с ограничением длины полной файловой спецификации остается. По этой причине Microsoft рекомендует ограничивать длинные имена 75-80 символами, чтобы оставить достаточно места для пути (180-185 символов).