Представление данных на внешних носителях

При хранении данных в больших массивах памяти решаются две задачи:

1. Как сохранить данные в наиболее компактном виде.

2. Как обеспечить к ним удобный и быстрый доступ.

Хранить данные в мелких единицах, таких как бит или байт, не удобно и не выгодно — адресные данные будут занимать слишком большой объем памяти. Использование в качестве единиц хранения килобайт, мегабайт приведет к не рациональному использованию памяти — данные будут не полностью занимать отведенное для хранения пространство. Поэтому в качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом.

Основными информационными единицами при сохранении данных на внешних носителях являются:

– логическая запись;

– физическая запись;

– файл;

– каталог (папка).

Логическая запись при хранении на внешних носителях является той же информационной единицей, что и при хранении в ОЗУ. Отличие состоит в том, что при хранении на внешнем носителе запись является минимальным и неделимым элементом представления данных. Это означает, что после размещения записи на носителе отсутствует доступ к ее отдельным элементам, а операции переноса на носитель и считывание с него производятся целиком со всей записью. Поскольку обработка записей при их хранении не происходит, не требуется и различия типов данных, т. е. запись может состоять из одного элементарного данного, группы данных или содержать структурированные данные. Единственной характеристикой отдельной записи является ее длина, а допустимыми операциями — перенос на носитель и считывание с него. После размещения данных на носителе они превращаются в физическую запись.

F Физическая запись — элемент поверхности носителя, на котором в соответствии с физическими принципами функционирования носителя размещаются данные, составляющие логическую запись.

Объединение физических записей образует файл.

F Файл — определенным образом оформленная совокупность физических записей, рассматриваемая как единое целое и имеющая описание в системе хранения информации.

Оформленная совокупность записей означает наличие у файла имени (идентификатора) и признака конца файла EOF (End-Of-File). По имени файл отыскивается на носителе, а от признака EOF устанавливается ближайшее свободное место, в которое можно вести запись следующего файла, а при пересылке данных с носителя в ОЗУ по нему определяется граница информационного массива. Имя файла фактически является адресом данных. Кроме функций, связанных с адресацией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем. Требование уникальности имени очевидно — без этого невозможно гарантировать однозначность доступа к данным. При обращении к файлу отсутствует доступ к отдельным его записям.

На носителях хранятся не только сами файлы, но и сведения о них и их размещении. Эти сведения используются в операциях с файлами. Любые файлы содержат данные, закодированные с помощью двоичного алфавита. Однако способы кодирования и назначение файлов могут быть различными. По этой причине файлам приписывается еще одна характеристика — тип. Тип входит в идентификатор файла и указывается в виде расширения имени, например, Глава_7.doc, proba.pas или calc.exe. Принципиально различными по типам следует считать программные (исполняемые) файлы и файлы данных.

Программные файлы содержат тексты программ в машинном коде, которые могут быть загружены в ОЗУ и исполняться. Программные файлы имеют расширение com или ехе. К этой же категории относятся так называемые командные файлы с расширением bat, содержащие в текстовом формате команды MS DOS, которые могут последовательно выполняться как программа.

Файлы данных формируются в результате работы какой-либо программы; они не являются исполняемыми и служат только в качестве хранилищ данных. Многие программные системы при формировании файлов данных приписывают им вполне определенные расширения — по ним можно установить, какой программой файл создан. Например, расширения txt, doc, rtf имеют файлы, подготовленные в текстовых редакторах; bmp, jpg, gif, cdr — графические файлы; pas, bas, с — файлы с текстами программ и т. д. Тип файла, как и его собственное имя, являются частью описания файла и сохраняются системой, ведающей размещением файлов на носителе.

Самым верхним уровнем представления данных на внешних носителях являются структуры файлов — каталоги (в операционных системах с Windows-95 и более поздних принят термин папки) — в них помещаются файлы, объединенные каким-то признаком, например, принадлежности к одной программной системе или одной информационной базе. Как правило, каталоги допускают образование вложенных структур, т. е. подкаталогов (или, что то же самое, каталогов в каталогах). Каталоги образуют иерархическую структуру, поэтому правомочно использование термина дерево каталогов. При этом каталог, располагающийся на вершине иерархии, называется корневым.

Файловая система создает и поддерживает файловые структуры, определяет максимальный уровень вложенности каталогов, а также производит все операции с файлами и каталогами. Таким образом, при обращении к внешней памяти компьютера за определенным файлом перед его именем необходимо указывать путь к нему — логическое имя диска; после которого следует двоеточие и обратная косая черта; далее имя корневого каталога и обратная косая черта; далее аналогичным образом все подкаталоги до того, где хранится нужный файл; последним в перечне пути будет имя файла — после последней обратной косой черты указывается полное имя файла.

Любое внешнее запоминающее устройство реализует один из двух возможных принципов размещения информации — последовательный доступ или прямой доступ. Первый вариант используется при сохранении информации на ленточных носителях, например, магнитной или бумажной ленте — в этом случае записи размещаются одна за другой, т. е. последовательно. Считывание записей также производится последовательно, и для того, чтобы отыскать нужную запись, требует просмотреть все предыдущие, подобно поиску кадра на кинопленке.

Для реализации прямого доступа на носителе должны быть обозначены (пронумерованы) области для записи информации — такие области называются блоками. Блок, подобно ячейке ОЗУ, служит контейнером для размещения данных. Обратиться к данным для записи-считывания можно по номеру (идентификатору) блока. Операция разбиения поверхности носителя на блоки называется форматированием — она производится в обязательном порядке и предшествует использованию носителя. Блок обычно имеет строго определенную для данного носителя информационную емкость, например, для сменного магнитного диска емкостью 1,44 Мб — 512 байт. Блок может содержать только целое число физических записей — из-за этого часть блока длиной меньше, чем размер записи, оказывается пустой и не используется. Например, при длине записей по 150 байт в один блок размером 512 байт поместятся 3 записи, а 62 байта останутся свободными. На носителях большой емкости, например, жестких магнитных дисках (винчестерах) блоки объединяются в группы — кластеры (например, на современных компьютерах IBM кластер охватывает 8 блоков) — запись файлов производится в них и применяется адресация по номерам кластеров (это уменьшает общее количество адресов и, следовательно, ускоряет поиск и доступ к файлу).

На дисковых носителях имена файлов хранятся отдельно от физических записей. В определенном месте диска при его форматировании создается специальная область, в которой располагается таблица размещения файлов — FAT (File Allocation Table). В эту таблицу заносятся имена и атрибуты файлов (дата и время создания, размер, атрибуты доступа), а также номер кластера, с которого начинается размещение файла. Таким образом, обращение к файлу происходит в два этапа: сначала с помощью файловой таблицы по имени файла находится номер кластера, а затем считывающее — записывающая головка запоминающего устройства устанавливается над ним и производит операции. Содержание файловой таблицы можно просмотреть с помощью команд операционной системы.

При обмене между ВЗУ и ОЗУ данные пересылаются не отдельными записями, а блоками, определенными для ВЗУ. Для организации обмена в ОЗУ выделяется специальная область — буфер обмена; размер буфера устанавливается при конфигурировании операционной системы компьютера. При пересылке из ОЗУ в ВЗУ данные (записи, входящие в файл) сначала из ОЗУ пересылаются в буфер, пока он не заполнится, затем целым блоком отправляются в подготовленный блок ВЗУ. Считывание идет обратным путем. Обмен может происходить минуя центральный процессор — в этом случае одновременно с обменом может производиться обработка данных (поступивших или иных).

Следует заметить, что, хотя организация прямого доступа к данным на ВЗУ весьма напоминает организацию произвольного доступа к ячейкам ОЗУ (то и другое производится по адресу; время доступа не зависит от адреса), между этими способами имеется различие. Из ячеек ОЗУ могут быть извлечены отдельные данные (например, элементы полей логической записи); кроме того, ОЗУ непосредственно связано с устройством обработки данных (центральным процессором). При желании использовать данные с ВЗУ, во-первых, сначала весь информационный массив должен быть перенесен в ОЗУ (с ВЗУ никакой обработки не ведется); во-вторых, нужные данные в этом массиве отыскиваются последовательным образом.

5.4 Программное обеспечение компьютера

Дата добавления: 2014-01-07