Управление устройствами вводавывода и файловые системы Управление вводомвыводом
 Скачать 1.93 Mb.
|
Управление устройствами ввода-вывода и файловые системыУправление вводом-выводомОсновные функции подсистемы ввода-вывода1.Организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора.2. Согласование скоростей обмена и кэширование данных.3. Разделение устройств и данных между процессами.4. Обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы.5. Поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера.6. Динамическая загрузка и выгрузка драйверов.7. Поддержка нескольких файловых систем.8. Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.Операционная система Драйвер Контроллер Внешнее устройство Интерфейс драйвер – устройство (Driver Device Interface, DDI) Интерфейс драйвер – ядро (Driver Kernel Interface, DKI) Аппаратный низкоуровневый интерфейс контроллер - устройство Функции драйвера
Классификация устройств ввода-выводаТипы устройств по функциональному назначению: 1. Работающие с пользователем. Используются для связи с пользователем компьютера (принтеры, дисплеи, клавиатура, манипуляторы (мышь, джойстик и т. п.). 2. Работающие с компьютером. Используются для связи с электронным оборудованием (диски, магнитные ленты, датчики, контроллеры, преобразователи и т. п.). 3. Коммуникации. Используются для связи с удаленными устройствами (модемы, адаптеры цифровых линий и др.). Типы устройств по принципам функционирования:
Различия в характеристиках устройств ввода-вывода
101 102 103 104 105 106 107 108 109 Gigabit Ethernet Графический монитор Жесткий диск Ethernet Оптический диск Сканер Лазерный принтер Гибкий диск Модем Мышь Клавиатура Бит в секунду Многослойная модель подсистемы ввода-выводаСистемные вызовы Диспетчер прерываний, функции доступа к аппаратуре Байт-ориентированный интерфейс VFS Блок-ориентированный интерфейс UFS NTFS FAT Дисковый кэш Драйвер HD Драйвер FD Контроллеры устройств ввода-вывода Диски Графические устройства Дисковые устройства Сетевые устройства Низкоуровневые графические драйверы Менеджер окон Высокоуровневые графические драйверы HTTP FTP SMB TCP/UDP SPX IP IPX NetBEUI Ethernet FR ATM Межмодульный обмен, связывание, буферизация, синхронизация, к другим подсистемам Файловая система – это часть операционной системы, включающая:
Один файл – одно полное имя Корневой каталог Файлы Корневой каталог User 1 User 2 User 3 ДЕРЕВО Корневой каталог User 1 User 2 User 3 СЕТЬ Один файл – много полных имен Файловый каталог является связующим звеном между системой управления файлами и набором файлов Атрибут Значение Тип файла Обычный, каталог, специальный и т. д. Владелец файла Текущий владелец Создатель файла Идентификатор пользователя, создавшего файл Пароль Пароль для получения доступа к файлу Время Создания, последнего доступа, последнего изменения Текущий размер файла Количество байтов в записи Максимальный размер Количество байтов, до которого можно увеличивать размер Флаг «только чтение» 0 – чтение-запись, 1 – только чтение Флаг «скрытый» 0 – нормальный, 1 – не показывать в перечне файлов каталога Флаг «системный» 0 – нормальный, 1 – системный Флаг «архивный» 0 – заархивирован, 1- требуется архивация Флаг ASCII/двоичный 0 – ASCII, 1 – двоичный Флаг произвольного доступа 0 – только последовательный доступ, 1 – произвольный доступ Флаг «временный» 0 – нормальный, 1 – удаление после окончания работы процесса Файловая система 1 Файловая система 2 Общая файловая система после монтирования Обычный файл Каталог Специальный файл-устройство Монтирование / (root) / (root) / (root) dev dev t t t r r user user home home bin bin man man loc loc man1 man1 man2 man2 f1 f1 f2 f2 Шесть типоразмеров жёстких дисков. Для масштаба рядом лежит дюймовая линейка 1956 год — жёсткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник и имел вес 971 кг, а общий объём памяти 50 вращавшихся в нём покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм составлял около 5 миллионов 6-битных слов (3,5 Мб в пересчёте на 8-битные слова — байты). 1980 год — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб. 2013 год — Western Digital выпускает диск на 6 ТБ, используя 7 пластин. Структура диска: (A) дорожка (B) геометрический сектор (C) сектор дорожки (D) кластерАдресация блоков данных диска 1 способ: c – h - s с – номер цилиндра, h – номер головки, s – номер сектора 2 способ: LBA A = (c * H + h) * S + s – 1 H – число рабочих поверхностей в цилиндре, S – количество секторов на дорожке Структура элемента таблицы разделов
Системные идентификаторы: 06h – FAT16, 07h – NTFS, 0Bh – FAT32 Физическая организация файловой системыСтруктура диска: пластины, дорожки, цилиндры, секторы, кластеры. Низкоуровневое форматирование – создание дорожек и секторов. Высокоуровневое форматирование – создание разделов и кластеров для определенной файловой системы или нескольких файловых систем. Р А З Д Е Л Ы (первичные и расширенные) Загрузочный блок MBR Таблица разделов С: D: E: Суперблок –таблица параметров Карта дискового пространства i-узлы Каталоги и файлы Корневой каталог Системная область Область данных З С NSB NSB (Non –System Bootstrap) – внесистемный загрузчик Первичный раздел Расширенный раздел Не использован Не использован Главная таблица разделов Master Boot Record Загрузочный сектор диска C: Карта дискового пространства Данные Первичный раздел (диск C:) Данные Карта дискового пространства Secondary Master Boot Record Загрузочный сектор диска D: Secondary Master Boot Record Загрузочный сектор диска D: Карта дискового пространства Данные Логический диск D: Логический диск E: Расширенный раздел Логический диск D: Логический диск E: Адрес таблицы для диска E: 0 – конец цепочки Не использован Не использован Не использован Не использован Первая таблица логического диска Вторая таблица логического диска Разбиение диска на разделы 1 5 2 3 4 файл непрерывное размещение 1 2 3 4 5 6 # 6 4 3 размещение в виде связанного списка кластеров Достоинства: высокая скорость доступа, минимальный объем адресной информации, нет ограничений на размер файла. Недостатки: нет возможностей для изменения размера файла, высокая степень возможной внешней фрагментации Область применения – компакт-диски Достоинства: минимальная адресная информация, отсутствие внешней фрагментации, возможность изменения размеров файла. Недостатки: медленный доступ, сложность доступа к произвольному блоку файла, некратность блока файла степени двойки. 123456789 3 5 6 Область индексов Связный список индексов Перечень номеров кластеров 123456789 Файл 2, 4, 5 Все достоинства варианта А), быстрый доступ к произвольному кластеру файла, полное заполнение кластера, кратное степени двойки Достоинства: высокая скорость доступа к произвольному кластеру благодаря прямой адресации, отсутствие внешней фрагментации. Недостаток: длина адреса зависит от размера файла и может быть значительной. Недостаток: рост адресной информации с увеличением емкости диска Файл 1, 3, 5, 6 перечисление номеров блоков, занимаемых этим файлом1 2 3 4 10 11 12 13 адрес Прямая адресация ………………………. … 1 2 128 Косвенная адресация … … 1 128 двойная адресация тройная адресация FAT0 1 2 3 Корневой каталог . . . FAT 2 (копия) 0 1 2 3 4 FAT 1 Загрузочный сектор - 512 б Элементы FAT 32 бита – одна запись каталога Кластеры данных Структура записи каталога FAT8 байт Имя файла 3 байт Расширение файла 1 байт Атрибуты файла 1 байт Зарезервировано 3 байт Время создания 2 байт Дата создания 2 байт Дата последнего доступа 2 байт Зарезервировано 2 байт Время последней модификации 2 байт Дата последней модификации 2 байт Начальный кластер 4 байт Размер файла Длина поля Описание Таблица FAT (как основная копия, так и резервная) состоит из массива индексных указателей, количество которых равно количеству кластеров области данных. Между кластерами и индексными указателями имеется взаимно однозначное соответствие — нулевой указатель соответствует нулевому кластеру и т. д. Индексный указатель может принимать следующие значения, характеризующие состояние связанного с ним кластера:
Подключение сетевого дискаСетевой диск— назначенный логический диск (папка), который служит для хранения «общих» файлов, доступных для всех пользователей, на других персональных компьютерах, включенных в общую локальную сеть. Основные характеристики файловых систем FAT Разрядность Число Максимальный Максимальный Имя файла указателя кластеров объем кластера размер раздела FAT12 12 4096 4 Кбайт 16 Мбайт 8.3 FAT16 16 65536 64 Кбайт 4 Гбайт 8.3 255.3 FAT 32 32 4 Г 32 Кбайт 232 по 32 Кбайт 255.3 NTFS 64 264 4 Кбайт 264 по 4 Кбайт 255.3 Программа Fdisk автоматически определяет размер кластера на основе выбранной файловой системы и размера раздела. Существует недокументированный параметр команды Format, позволяющий явно указать размер кластера: Format /z:n, где n – размер кластера в байтах, кратный 512. Основные свойства файловой системы NTFS: 1. Поддержка больших файлов и больших дисков (объем до 264 байт). 2. Восстанавливаемость после сбоев и отказов программ и аппаратуры управления дисками. 3. Высокая скорость операций, в том числе для больших дисков. 4. Низкий уровень фрагментации, в том числе для больших дисков. 5. Гибкая структура, допускающая развитие за счет добавления новых типов записей и атрибутов файлов с сохранением совместимости с предыдущими версиями ФС. 6. Устойчивость к отказам дисковых накопителей. 7. Поддержка длинных символьных имен. 8. Контроль доступа к каталогам и отдельным файлам. Файл NTFS – не просто линейная последовательность байтов, характерная для FAT-систем и Unix, а множество атрибутов, представляемых в виде потока байтов. Файл имеет несколько коротких потоков (имя, идентификатор и др.) и один или несколько длинных потоков с данными (ff:stream1, ff:stream2 и др.). Структура тома NTFS Основой структуры тома является главная таблица файлов (Master File Table, MFT), которая содержит одну или несколько записей для каждого файла тома и одну запись для самой себя (размер записи – 1, 2 или 4 Кбайт). Том состоит из последовательности кластеров, порядковый номер кластера в томе – логический номер кластера (Logical Cluster Number, LCN). Файл состоит из последовательности кластеров, порядковый номер кластера внутри файла называется виртуальным номером кластера (Virtual Cluster Number, VCN). Размер кластера от 512 байт до 64 Кбайт. Базовая единица распределения дискового пространства – отрезок – непрерывная область кластеров. Адрес отрезка – (LCN, k), k –количество кластеров в отрезке. Адрес файла (или его части) – (LCN, VCN, k). Файл целиком размещается в записи таблицы MFT (если позволяет размер). В противном случае в записи MFT хранится резидентная часть файла (некоторые его атрибуты), а остальная часть файла хранится в отдельном отрезке тома или нескольких отрезках. Загрузочный блок 0 1 2 15 Системный файл 1 Системный файл 2 Системный файл n Копия MFT (первые 3 записи) Копия загрузочн. блока Файл M MFT MFT Загрузочный блок содержит стандартный блок параметров BIOS, количество блоков в томе, начальный логический номер кластера основной и зеркальной копии MFT. 0. Описание MFT, в том числе адреса всех ее отрезков. 1. Зеркальная копия MFT. 2. Журнал для восстановления файловой системы. 3. Файл тома (имя, версия и др. информация). 4. Таблица определения атрибутов. 5. Индекс корневого каталога. 6. Битовая карта кластеров. 7. Загрузочный сектор раздела. 8. Список дефектных кластеров. 9. Описатели защиты файлов. 10. Таблица квот. 11. Таблица преобразования регистра символов (для Unicode). 12 – 15 – зарезервировано. 1-й отрезок MFT 2-й отрезок MFT 3-й отрезок MFT Файл K MFT Файлы метаданных Структура файлов NTFS Файлы и каталоги состоят из набора атрибутов. Каждая запись MFT состоит из заголовка, за которым следуют атрибуты. Атрибуты содержат следующие поля: тип, длина, имя (образуют заголовок) и значение. Атрибуты, используемые в записях MFT: 1. Стандартная информация (сведения о владельце, флаговые биты, время создания, время обновления и др.). 2. Имя файла в кодировке Unicode, м.б. повторено для имени MS DOS. 3. Список атрибутов (содержит ссылки на номера записей MFT, где расположены атрибуты), используется для больших файлов. 4. Версия – номер последней версии файла. 5. Дескриптор безопасности – список прав доступа ACL. 6. Версия тома –используется в системных файлах тома. 7. Имя тома. 8. Битовая карта MFT – карта использования блоков тома. 9. Корневой индекс – используется для поиска файлов в каталоге. 10. Размещение индекса – нерезидентная часть индексного списка ( для больших файлов). 11. Идентификатор объекта – 64-разрядный идентификатор файла, уникальный для данного тома. 12. Данные файла. 13. Точка повторного анализа (монтирование и симв. ссылки) Файлы NTFS в зависимости от способа размещения делятся на небольшие, большие, очень большие и сверхбольшие. Заголовок записи Стандартный информационный заголовок Заголовок имени файла Заголовок данных ДАННЫЕ Заголовок ACL Список прав доступа Стандартная информация Имя файла НЕ используется Пример небольшого файла NTFS Стандартная информация Имя файла ДАННЫЕ Список прав доступа Список прав доступа VCN K K K K LCN LCN LCN 0 9 20 4 64 2 80 3 20 – 23, 64 – 65, 80 - 82 Блоки диска Пример большого файла NTFS Заголовок данных Заголовок ACL Небольшие файлы (small). Если файл имеет небольшой размер, то он может целиком располагаться внутри одной записи MFT, имеющей, например, размер 4 Кбайт. Небольшие файлы NTFS состоят по крайней мере из следующих атрибутов: Файлы NTFS в зависимости от способа размещения делятся на небольшие, большие, очень большие и сверхбольшие. Большие файлы (large). Если данные файла не помещаются в одну запись MFT, то этот факт отражается в заголовке атрибута Data, который содержит признак того, что этот атрибут является нерезидентным, то есть находится в отрезках вне таблицы MFT. В этом случае атрибут Data содержит адресную информацию (VCN, LCN, k) каждого отрезка данных. Очень большие файлы. Если файл настолько велик, что его атрибут данных, хранящий адреса не резидентных отрезков данных, не помещается в 1-й записи, то этот атрибут помещается в 2-ю запись MFT, а ссылка на такой атрибут помещается в основную запись файла. Она (ссылка) содержится в атрибуте Attribute List. Сам атрибут данных по-прежнему содержит адреса нерезидентных отрезков данных. 106 Сверх большие файлы. Для этих файлов в атрибуте Attribute List можно указать несколько атрибутов, расположенных в дополнительных записях MFT. Кроме того, можно использовать двойную косвенную адресацию, когда нерезидентный атрибут будет ссылаться на другие не резидентные атрибуты. Каталоги NTFS
Небольшие каталоги (small indexes)
Большие каталоги (large indexes)
ReFS (Resilient file system)
Сравнение файловых систем NTFS и ReFSСравнение файловых систем NTFS и ReFS на примере переименования файлов
В файловой системе NTFS
Матрица прав доступаРазрешения на доступ к каталогам Стандартные разрешения Специальные разрешения Разрешения на доступ к файлам Квоты дискового пространства Файловая система 1 Файловая система 2 Общая файловая система после монтирования Обычный файл Каталог Специальный файл-устройство Монтирование / (root) / (root) / (root) dev dev t t t r r r user user home home bin bin man man loc loc man1 man1 man2 man2 f1 f1 f2 f2 Типы файлов
Физическая организация S5 и ufsРасположение файловой системы s5 на диске Структура индексного дескриптора (i-node)
Копирование индексного дескриптора входит в процедуру открытия файла. При открытии файла ядро выполняет следующие действия:
Поиск файла /bin/ my_shell/print2. из области индексных дескрипторов считывается дескриптор №6, начальный адрес дескриптора определяется на основании известных системе номера начального сектора номера индексного дескриптора и размера индексного дескриптора. Из индексного дескриптора 6 определяется физический адрес каталога bin.3. просматривается каталог bin, целью поиска имени my_shell и определяется его номер – это 25;4. считывается индексный дескриптор 25, определяется физический адрес каталога /bin/ my_shell/print;5. просматривая каталог /bin/ my_shell/print, определяется номер индексного дескриптора файла print – это 131;6. из индексного дескриптора131 определяются номера блоков данных и другие характеристики искомого файла.Физическая организация файловой системы ufs
Реализация прав доступа в UNIX
Проверка прав доступа в UNIXСмена эффективных идентификаторов процесса |