Моделирование файловой системы FAT16

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

      Сложность программных продуктов, в том числе и операционных систем в настоящее время растет не по годам и десятилетиям, как пару десятков лет назад, а по месяцам и дням. Но изучить каждую ее часть, находящуюся на нынешнем уровне развития, представляет собой большую трудность. Именно поэтому проще начать с того, что легло в основу каждой подсистемы ОС.

      С каждым днем количество людей, заинтересованных в том, как функционирует та или иная часть ОС, растет. Поэтому становится актуальным упрощение процесса обучения и знакомства пользователей с основами работы наиболее значимых частей операционной системы, а так же выполнение этой задачи в более интересном и наглядном виде.

      Примером  одной из основных частей ОС является файловая система. Это регламент, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации. Она определяет формат физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

      Файловая  система связывает носитель информации с одной стороны и API для доступа к файлам — с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же, как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте или блоке флеш-памяти) он записан. Всё, что знает программа — это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

      С точки зрения операционной системы, весь диск представляет собой набор кластеров размером от 512 байт и выше. Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

      Целью данного проекта является наглядное  моделирование работы файловой системы FAT16, которая использовалась в MS-DOS 3.31.

      Для реализации данного проекта был  выбран язык C#, как один из лучших объектно-ориентированных языков программирования на данный момент.

      Результатом данной работы должна быть программа, которая сможет использоваться в процессе образования людьми, которым интересны основы системного программного обеспечения.

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

      1.1 Теоретическое введение

      Файловая система FAT представляет собой таблицу размещения файлов, в которой указываются:

      1) непосредственно адреса участков  логического диска, предназначенные для размещения файлов;

      2) свободные области дискового  пространства;

      3) дефектные области диска.

      В этой таблице каждому блоку, предназначенному для хранения данных, соответствует 16-битовое значение. Если блок свободен, то значение будет нулевым. Если же блок принадлежит файлу, то значение равно адресу следующего блока этого файла. Если это последний блок в файле, то значение - OxFFF . Существует также специальный код для обозначения плохого блока, не читаемого из-за дефекта физического носителя. В каталоге хранится номер первого блока и длина файла, измеряемая в байтах. Емкость диска при использовании 12-битовой FAT ограничена 4096 блоками (2 Мбайт), что приемлемо для дискет, но совершенно не годится для жестких дисков и других устройств большой емкости. На таких устройствах DOS использует FAT с 16-битовыми элементами. На еще больших (более 32 Мбайт) дисках DOS выделяет пространство не блоками, а кластерами из нескольких блоков.

      В таблице FAT кластеры, принадлежащие  файлу или каталогу, связываются в цепочки. В 16-разрядной FAT можно иметь до 65536 кластеров. Логическое объединение секторов в кластеры позволяет уменьшить размер таблицы FAT и ускорить доступ к файлу. Однако слишком большой размер кластера приводит к неэффективному использованию области данных, особенно при большом количестве маленьких файлов. Например, при размере кластера в 32 сектора (16 Кб) средняя величина потерь на файл составляет 8 Кб. Поэтому в современных файловых системах размер кластера не превышает 4 Кб.

      Поскольку файлы на диске подвержены изменению (удаляются, перемещаются, увеличиваются или уменьшаются), то выделение первого свободного кластера для новой порции данных приводит к фрагментации файлов. Данные одного файла могут располагаться не в смежных кластерах, а в удаленных друг от друга.

      Таблица FAT является основой данной файловой системы, поэтому она хранится на диске в двух экземплярах. Обновляются копии FAT одновременно, а для работы используется только первый экземпляр. Если он окажется поврежденным, то произойдет обращение ко второму экземпляру. Утилиты проверки и восстановления файловой системы при обнаружении несоответствия первичной и резервной таблицы FAT осуществляет восстановление основной таблицы, используя данные из её копии.

      Система FAT очень проста и имеет одно серьезное  достоинство: врожденную устойчивость к сбоям. В то же время у нее есть и ряд серьезных недостатков. Первый недостаток состоит в том, что при каждой операции над файлами система должна обращаться к FAT. Это приводит к частым перемещениям головок дисковода и в результате к резкому снижению производительности. Действительно, исполнение программы на одной и той же машине под MS DOS и под DOS-эмулятором систем UNIX или OS/2 различается по скорости почти в 1,5 раза. Особенно это заметно при архивировании больших каталогов.

      В файловой системе FAT дисковое пространство логического диска делится на системную область и область данных. Системная область создается и инициализируется при форматировании диска, а в последующем обновляется при работе. Область данных содержит файлы и каталоги, которые образуют на диске иерархическое дерево каталогов, с единственной директорией не входящей в другие - корневым каталогом. Область данных доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область содержит загрузочную запись, зарезервированные сектора, таблицу размещения файлов и корневой каталог. Для каждого файла и каталога в файловой системе хранится справочная информация. Каждый элемент такого справочника занимает 32 байта и содержит: имя файла или каталога, расширение имени файла, атрибуты файла - системный, архивный, только для чтения и др., дату и время создания и последнего изменения файла, номер начального кластера, размер файла. 

      Рисунок 1.1 – Структура файловой системы FAT16

      1.2 Постановка задачи

      Программа, полученная в результате этого проекта должна в точности моделировать поведение файловой системы FAT16. Результаты работы программы должны выводиться на экран в виде карты диска – последовательных цепочек из заполненных, свободных или поврежденных кластеров.

      Так как пользователь сам должен задавать параметры файловой системы и создаваемых файлов, то в GUI должны присутствовать такие поля для ввода данных как задание размера раздела; задание размера кластера; задание размера файла, а также его имени и расширения. Пользователю так же должна быть предоставлена возможность удаления файлов или внесения поврежденных кластеров в созданный раздел.

      В том случае, если пользователь неправильно ввел значения или задал слишком большой размер файла, программа должна вывести предупреждение об ошибке и предложить повторить процедуру ввода.

      При выходе программа должна предупредить пользователя о закрытии.

      Предполагаемая  структура GUI изображена на рисунке 1.2. 

Рисунок 1.2 – Интерфейс разрабатываемого ПО

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ

      2.1 Выбор операционной системы

      В качестве операционной системы для  разработки программной системы была выбрана ОС Windows XP. Выбор операционной системы был определен ее функциональными возможностями, а также распространенностью данной ОС.

      2.2 Выбор языка  программирования

      В качестве языка программирования был выбран язык «C#». Этот объектно-ориентированный, со статической типизацией. Он является основным языком разработки приложений для платформы Microsoft .NET.

      2.3 Выбор программного обеспечения промежуточного уровня 

      .NET Framework является новейшей, разработанной компанией Microsoft, платформой для создания обычных программ и веб-приложений.. Данная платформа включает в себя языковую среду CLR. Основное назначение CLR — выполнение приложений, соблюдение всех программных зависимостей, управление памятью, обеспечение безопасности и изоляции приложений, интеграция с языками программирования и т.п.

      Данная  платформа получила широкое распространение  и может быть использована на всех современных версиях операционных системах Windows (начиная с Windows 2000).

      2.4 Выбор инструментальных средств

      В качестве системы разработки была выбрана  IDE Microsoft Visual Studio 2008. Данная система совместима с семейством операционных системам Windows и обладает рядом оптимизаций для программирования именно под эти ОС.

      Данная  среда разработки обладает рядом  преимуществ: IntelliSense, система MSDN, встроенная подсветка ошибок.

      IntelliSense – встроенная технология, позволяющая ускорить процесс набора текста программы путем автоматической генерации списка доступных для вставки в данном месте программы инструкций и ключевых слов.

      Среда разработки интегрируется со справочной системой MSDN, которая содержит обширный набор информации о .NET Framework, языках программирования .NET и многом другом.

3 разработка

      3.1 Выбор архитектуры системы

      На  данный момент существует несколько  разновидностей системных архитектур. Одним из примеров является двухуровневая системная архитектура (рисунок 3.1). В основе ее уровней находятся: User Interface, Business Logic. Исходя из анализа поставленной задачи, был выбран именно этот тип системной архитектуры. Это можно объяснить тем, что разрабатываемая программа должна реализовывать определенный алгоритм – Business Logic, взаимодействовать непосредственно с пользователем – User Interface. 

Рисунок 3.1 – Двухуровневая системная архитектура

      3.2 Построение диаграмм прецедентов и последовательности

      Проведя анализ поставленной задачи, мы выявили следующих активных актеров, работающих с разрабатываемой программой:

• пользователь;
• файловая система.

      Функции, которые могут использовать файловая система и пользователь, а также отношения между ними можно визуализировать с помощью диаграммы прецедентов (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Диаграмма вариантов использования 

      Прецедент «Создание раздела» заключается в создании нового раздела FAT16 для работы с ним. При выполнении данного прецедента сразу попадаем в прецедент «Ввод данных с клавиатуры».

      Прецедент «Создание файла» заключается в  создании нового файла в заранее  созданном разделе. При выполнении данного прецедента сразу попадаем в прецедент «Ввод данных с клавиатуры».

      Прецедент «Удаление файла» заключается в  удалении созданного файла по его порядковому номеру. При выполнении данного прецедента сразу попадаем в прецедент «Ввод данных с клавиатуры».

      Прецедент «Добавление BAD кластеров» заключается в добавлении поврежденных кластеров в файловую систему. При выполнении данного прецедента попадаем в прецедент «Визуализация результата».

      Прецедент «Ввод данных с клавиатуры» заключается в вводе соответствующих значений в зависимости от прецедента из которого был осуществлен переход. При выполнении данного прецедента выполняется переход в один из трех прецедентов:

1. «Расположение нового файла»;
2. «Удаление выбранного файла»;
3. «Создание раздела».

      Прецедент «Расположение нового файла» заключается в размещении файловой системой нового файла в разделе. При выполнении данного прецедента сразу попадаем в прецедент «Визуализация результата».

      Прецедент «Удаление выбранного файла» заключается  в удалении файла из текущего раздела. При выполнении данного прецедента сразу попадаем в прецедент «Визуализация результата».

      Прецедент «Создание раздела» заключается  в создании нового раздела для  работы с файлами. При выполнении данного прецедента сразу попадаем в прецедент «Визуализация результата».

      Прецедент «Визуализация результата» отвечает за отображение всех изменений в  файловой системе на карте диска  и в списке файлов.

      3.3 Разработка вариантов использования

      Исходя  из анализа построенной диаграммы  прецедентов, а также функций, которые должна выполнять программа, были предусмотрены следующие варианты использования: 

      3.4 Разработка графического интерфейса

      Исходя  из анализа поставленной задачи, выяснилось, что графический интерфейс разрабатываемого программного продукта должен содержать: меню, область для визуализации, область для вывода списка файлов, а также информацию о текущей файловой системе (рисунок 1.2).

      Ввод  входных данных выполняется с  помощью дополнительных диалоговых окон.

      Главное меню должно включать такие пункты как «Операции с файловой системой», «Операции с файлами» и «Выход из программы». В пункте «Операции с файловой системой» должны присутствовать такие подпункты: «Создать», «Закрыть текущую», «Добавить BAD кластеры» и «Подсветить кластер». В пункте «Операции с файлами» должны присутствовать такие подпункты «Создать», «Удалить выбранный». В области для визуализации результатов работы файловой системы должна изображаться карта текущего раздела.

      Уточненный  графический интерфейс пользователя разрабатываемого программного продукта изображен на рисунке 3.4. 

Рисунок 3.3 – Уточненный графический интерфейс пользователя

      3.5 Разработка архитектуры приложения

      Исходя  из анализа поставленной задачи, а  так же предметной области разрабатываемого проекта, были выделены такие основные сущности как FileSystem (файловая система), GUI (интерфейс пользователя). Т.к. информация о разделе, файлах и номере файла задается через диалоговые окна, то GUI можно разбить на 4 сущности: Delete (удаление файла), FileParameters (задание параметров файла), Parameters (задание параметров раздела), Mainform (визуализация и обработка команд). Следуя принципам ООП, эти сущности можно принять за шаблоны создаваемых классов.

      Класс FileSystem отвечает за хранение всех параметров файловой системы и содержит следующие поля:

1. BinaryMap – массив описывающий состояние кластеров;
2. ClusterSize – размер кластера;
3. ClustOnFile – массив содержащий количество кластеров необходимое для каждого файла;
4. Cnt – счетчик;
5. Date – массив дат создания файлов;
6. DecimalMap – массив со ссылками на следующие кластеры. Фактически описывает расположение файлов на диске;
7. StartCluster – массив начальных кластеров файлов;
8. EndCluster – массив конечных кластеров файлов;
9. FileName – массив имен файлов;
10. FileSize – массив размеров файлов в байтах;
11. FreeSpace – оставшееся свободное место;
12. IsDeleted – массив описывающий удален файл или нет;
13. Map – карта диска. Представлена изображением в формате “.*bmp”;
14. NumberOfCluster – количество кластеров в разделе;
15. NumberOfFiles – количество файлов в разделе;
16. PartitionSize – размер раздела в байтах;
17. Pointer – указатель на следующий свободный кластер;
18. ToDelete – переменная для передачи данных о номере удаляемого файла.

      Класс Mainform отвечает за визуализацию и обработку команд и содержит следующие методы:

1. FSCreate_Click – метод создающий новый раздел;
2. FSClose_Click – метод закрывающий текущий раздел;
3. Ld – метод инициализирующий основные массивы и переменные;
4. FileCreate_Click – метод создающий новый файл;
5. FileDelete_Click – метод удаляющий выбранный файл;
6. Highlighter_Click – подсветка кластера;
7. BADFill_Click – добавление поврежденных кластеров;
8. ExitButton_Click – выход из программы.

      Класс Parameters имеет отношение ассоциации с классом Mainform, а так же содержит следующий метод:

1. OK_Click – метод для передачи параметров о разделе.

      Класс FileParameters  имеет отношение ассоциации с классом Mainform, а так же содержит следующий метод:

1. NewFile_Click – метод для передачи данных о новом файле.

      Класс Delete имеет отношение ассоциации с классом Mainform, а так содержит следующий метод:

1. OK_Click – метод для передачи номера удаляемого файла.

      Класс Cluster имеет отношение ассоциации с классом Mainform, а так содержит следующий метод:

1. OK_Click – метод для передачи номера удаляемого файла.

      Диаграмма классов, с помощью которой можно  визуализировать все описанные  выше классы, методы и поля, изображена на рисунке 3.4. 

Рисунок 3.4 – Диаграмма классов разрабатываемой программы

      3.6 Разработка алгоритмов работы  программы

      Исходя  из анализа поставленной задачи, а также разработанной диаграммы классов, была выделена группа методов, работа которых является особо важной: метод FileCreate_Click класса Mainform и метод FileDelete_Click класса Mainform. Для этих методов были разработаны обобщенные алгоритмы работы.

      3.6.1 Метод FileCreate_Click класса Mainform

      Метод FileCreate_Click класса Mainform, выполняет размещение нового файла в разделе. Указатель pointer, в начале алгоритма уже указывает на свободный кластер. Алгоритм работы описанного метода изображен на рисунке 3.5.