FAT

Во время проектирования файловой системы была спроектирована логическая разметка диска, которая представленна ниже.

Главная запись	Файл MFT	Файл ASFS	Файл GROUPS	Файл USERS	Блоки данных	Копия файла	MFT Блоки данных	Копия главной записи

Главная запись

Главная запись – запись, которая используется при старте системы и предназначена для сохранения информации. При запуске системы данные из главной записи получают номера адресов блоков MFT, копии MFT, размер кластера. После получения этих данных происходит проверка на целостность считанных данных с главной записи. Для целостности полученных данных используется формула:

CRC = (Размер сектора - Номер блока MFT) / 3

Если полученные данные по формуле не равны, считается, что данные в MFT повреждены. В этом случае считываются данные с копии MFT и проверяется значение новых данных по той же формуле. В случае неудачи, файловая система возвращает ошибку и заканчивает своё выполнение.

Структура главной записи представлена в таблице ниже.

Название поля	Тип	Размерность	Описание
SectorSize	uint	4Б	Размер блока. Предназначен для определения размера блока, который используется в ФС.
Num_Block	uint	4Б	Номер блока MFT. Указывает на первый блок, где хранятся данные файла MFT.
Num_Copy_MFT	uint	4Б	Номер блока копии MFT.Используется в том случае, когда первые 5 записей MFT (файл USERS, GROUPS, ASFS, MFT, Корневой каталог) повреждены. Данный блок находится в середине блоков данных.
CRC	uint	4Б	Контроль данных. Используется для проверки целостности данных в файле MFT.

Файл MFT – файл, который содержит в себе информацию о всех файлах и каталогах, которые находятся в системе.

Структура файла MFT представлена в таблице ниже.

Название поля	Тип	Размерность	Описание
Record_Number	uint	4Б	Номер записи. Это уникальный номер записи, который используется для создания дерева каталогов.
Number_Allocated_Blocks	uint	4Б	Количество выделенных блоков под файл.
FileName	char[25]	50Б	Имя файла.
BusyByte	ulong	8Б	Количество занятых байтов.
FileType	char	2Б	Тип файла (″-″ - файл, ″d″ - директория).
Base_Record_Number	uint	4Б	Номер базовой записи или номер родителя файла.Используется для расположения фалов по каталогам.
Access_Level	char[8]	16Б	Уровень доступа к файлу. Определяет доступ к файлу на чтение, запись или выполнение.
UserID	uint	4Б	Идентификационный номер пользователя, который является создателем (владельцем) файла.
File_Attributes	uint	4Б	Атрибуты файла (зарезервирован, системный, скрыт).
Time	long	8Б	Время последней модификации файла.
AdressBlockFile	uint	4Б	Первый или начальный номер блока данных, в котором хранятся данные и используется для дальнейшей навигации в системе.

Первые 8 записей файле MFT:

1. MFT – таблица каталогов и файлов
2. ASFS – список свободных/занятых кластеров
3. GROUP – таблица групп пользователей
4. USERS – таблица пользователей системы
5. . – корневой каталог
6. USERS – каталог, который содержит домашние папки пользователей системы
7. SYSTEM – каталог, который содержит папки удалённых пользователей системы.
8. Папка пользователя

Список свободных/занятых кластеров

Каждая запись представлена числом – адресом на следующий блок. Значения могут быть адресом следующего блока и зарезервированным значением. Максимальное число блоков = 4294967296 – 3 = 4294967293 блока. Тип данных – uint. Данный список представлен в виде таблицы (прототип файловой системы FAT), которая используется для навигации в ФС.

Зарезервированные значения представлены в таблице ниже

Значение	Описание
4294967295	Битый сектор
4294967294	Конец файла
4294967293	Свободный блок

Файл GROUPS

Файл GROUPS – файл, который хранит данные о группах, находящихся в системе. Данный файл представляет собой набор записей одной структуры, представленной в таблице ниже. При форматировании системы создаются две группы пользователей:

1. Administrator – группа, в которой состоит администратор и которая имеет высший приоритет.
2. User – группа пользователей.

Название поля	Тип	Размерность	Описание
IDGroup	uint	4Б	Уровень доступа к файлу. Определяет доступ к файлу на чтение, запись или выполнение.
NameGroup	uint	40Б	Название группы.
AccessLevel	uint	4Б	Уровень доступа группы.

Файл USERS

Файл USERS – хранит всех пользователей в системе. Представляет собой набор записей, каждая из которых описывает информацию о каждом отдельном пользователе.

Структура файла USERS представлена в таблице ниже.

Название поля	Тип	Размерность	Описание
Id_User	uint	4Б	Идентификационный номер пользователя. У администратора это поле по умолчанию всегда будет равным 1.
User_Name	char[50]	100Б	Имя пользователя системы.
Login	char[15]	30Б	Логин пользователя. Используется для авторизации пользователя в системе.
Hesh_Password	char[20]	40Б	Хеш сумма пароля. Зашифрованное слово, которое пользователь использует для авторизации в системе.
Home_Directory	char[28]	48Б	Домашняя директория пользователя. Директория, в которой пользователь находиться после авторизации и в которой не может никто зайти с уровнем доступа группы меньше его.
Id_Group	uint	4Б	Уникальный номер группы, в которой состоит данный пользователь.

Блоки данных

Блоки данных представляют собой логически разбитое место на жестком диске размером, согласно размеру кластера. Блоки данных не имеют какой-либо структуры в связи с тем, что там хранятся данные файла.

Копия MFT

Копия MFT – копия первого блока в середине жесткого диска. Она предназначена для резервного копирования. В случае повреждения сектора с блоком MFT будет считываться резервная копия MFT.

Виртуальные страницы

Виртуальная память - совмещение оперативной памяти и временного хранилища файлов на жестком диске или винчестере. В случае если памяти ОЗУ не совсем достаточно, данные из оперативной памяти перемещаются во временное хранилище, которое называется виртуальной страницей. Для выполняющейся программы данный метод не требует дополнительных усилий со стороны программиста, однако реализация этого метода требует аппаратной поддержки, а также поддержки со стороны операционной системы. Данная технология разработана для многозадачных операционных систем. Он позволяет увеличить эффективность использования памяти несколькими одновременно работающими программами, организовав множество независимых адресных пространств, и обеспечить защиту памяти между различными приложениями. При использовании виртуальной памяти упрощается разработка программ, благодаря вышеназванному механизму. Применение виртуальной памяти позволяет:

• Освободить разработчика от необходимости вручную управлять загрузкой частей программы в память и согласовывать использование памяти с другими программами;
• Предоставление программам больше памяти, чем физически установлено в системе;
• Каждому приложению назначается своё адресное пространство, что изолирует выполняющиеся программы друг от друга.
• Повысить безопасность за счёт защиты памяти.

В настоящее время эта технология имеет аппаратную поддержку на всех современных процессорах. В то же время во встраиваемых системах и в системах специального назначения, где требуется очень быстрая работа или есть ограничения на длительность отклика, виртуальная память используется относительно редко. В большинстве современных операционных систем виртуальная память организуется с помощью страничной адресации. В рамках курсового проекта должна быть описаны динамические разделы виртуальной памяти. При распределении памяти динамическими разделами память машины не делится заранее на разделы. С самого начала вся память, отводимая для приложений, свободна. Каждому вновь поступающему на выполнение приложению на этапе создания процесса выделяется вся необходимая ему память (если достаточный объем памяти отсутствует, то приложение не принимается на выполнение и процесс для него не создается). После завершения процесса память освобождается, и на это место может быть загружен другой процесс. Таким образом, в произвольный момент времени оперативная память представляет собой случайную последовательность занятых и свободных участков (разделов) произвольного размера. На рисунке ниже показано состояние памяти в различные моменты времени при использовании динамического распределения.

Состояние памяти в различные моменты времени при использовании динамического распределения

Для реализации данного метода управления памятью операционной системе необходимо реализовать функции:

• Ведение таблиц свободных и занятых областей, в которых указываются начальные адреса и размеры участков памяти.
• При создании нового процесса – анализ требований к памяти, просмотр таблицы свободных областей и выбор раздела, размер которого достаточен для размещения кодов и данных нового процесса. Выбор раздела может осуществляться по разным правилам, например: «первый попавшийся раздел достаточного размера», «раздел, имеющий наименьший достаточный размер» или «раздел, имеющий наибольший достаточный размер».
• Загрузка программы в выделенный ей раздел и корректировка таблиц свободных и занятых областей. Данный способ предполагает, что программный код не перемещается во время выполнения, а значит, настройка адресов может быть проведена единовременно во время загрузки.
• После завершения процесса корректировка таблиц свободных и занятых областей.

Распределение памяти динамическими разделами обладает гораздо большей гибкостью, но ему присущ очень серьезный недостаток - фрагментация памяти. Фрагментация – это наличие большого числа несмежных участков свободной памяти очень маленького размера (фрагментов). Этот размер настолько мал, что ни одна из вновь поступающих программ не может поместиться ни в одном из участков, хотя суммарный объем фрагментов может составить значительную величину, намного превышающую требуемый объем памяти.

Команды для работы с ФС

Для работы с файловой системой командный интерпретатор поддерживает команды, описанные в таблице ниже.

Команда	Описание	Параметры
cd	Команда для перехода выше по уровню	../
cd	Переход в папку, если путь указан относительно родительского каталога	/<название каталога>/
cd	Переход в папку, которая находиться в текущей папке	< название каталога>
ls	Команда вывода директорий и файлов текущего каталога на экран.	-
mkdir	Команда для создания директории	< название каталога>
rmdir	Команда для удаления директории	< название каталога>
mvdir	Команда для перемещения директории	<относительный путь исходной директории> <относительный путь новой директории>
mvdir	Команда для перемещения директории	<относительный путь исходной директории> <имя директории>
mv	Перемещение файла	<относительный путь исходного файла> <относительный путь нового файла>
mv	Переименования файла	<текущее имя файла>
<новое имя файла>
rm	Удаления файла	<имя файла>
clear	Очистка консоли	-
adduser	Создание нового пользователя	<Имя пользователя> <Логин пользователя> <Пароль пользователя>
rmuser	Удаление пользователя	<Логин пользователя> <Пароль пользователя>
out	Выход из учётной записи	-
exit	Закрытие программы	-
info [user]	Краткая информация о файловой системе Информация о текущем пользователе	-
help	Список доступных команд	-
cat [>,<]	Просмотр содержимого файла Запись в файл Изменения данных в файле	<Названия файла>
chmod	Смена прав на файл	<Права доступа> <Названия файла>

ЭКРАННЫЕ ФОРМЫ, ОТОБРАЖАЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ПРОГРАММ ЭМУЛЯЦИИ

Форматирование системы

Авторизация пользователя

Вывод содержимого каталога

Создание пользователя

Список команд интерпретатора