Файловая система

Файловая система

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 из себя 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.

Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные и сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.

В простейшем случае все файлы на данном диске хранятся в одном каталоге. Такая одноуровневая схема использовалась в CP/M и первых версиях MS-DOS. Иерархическая файловая система со вложенными друг в друга каталогами впервые появилась в UNIX.

Wiki.txt

Notepad.exe

(Одноуровневая файловая система)

Каталоги на разных дисках могут образовывать несколько отдельных деревьев, как в DOS/Windows, или же объединяться в одно дерево, общее для всех дисков, как в UNIX-подобных системах.

C:

\Program files

\CDEx.exe

\CDEx.hlp

\mppenc.exe

\Мои документы

\Wiki.txt

\Tornado.jpg

D:

\Music

\1974 Waterloo

\1976 Arrival

\Money, Money, Money.ogg

\1977 The Album

(Иерархическая файловая система Windows/DOS)

В UNIX существует только один корневой каталог, а все остальные файлы и каталоги вложены в него. Чтобы получить доступ к файлам и каталогам на каком-нибудь диске, необходимо примонтировать этот диск командой mount. Например, чтобы открыть файлы на CD, нужно, говоря простым языком, сказать операционной системе: «возьми файловую систему на этом компакт-диске и покажи её в каталоге /mnt/cdrom». Все файлы и каталоги, находящиеся на CD, появятся в этом каталоге /mnt/cdrom, который называется точкой монтирования (англ. mount point). В большинстве UNIX-подобных систем съёмные диски (дискеты и CD), флеш-накопители и другие внешние устройства хранения данных монтируют в каталог /mnt, /mount или /media. Unix и UNIX-подобные операционные системы также позволяет автоматически монтировать диски при загрузке операционной системы.

/usr

/bin

/ls

/lib

/libgpm.so.1

/home

/lost+found

/guest

/example.png

/Video

/matrix.avi

/lost_ship.mpeg

(Иерархическая файловая система Unix и UNIX-подобных операционных системах)

Обратите внимание на использование слешей в файловых системах Windows, UNIX и UNIX-подобных операционных системах (В Windows используется обратный слеш «\», а в UNIX и UNIX-подобных операционных системах простой слеш «/»)

Ещё более сложная структура применяется в NTFS и HFS. В этих файловых системах каждый файл представляет собой набор атрибутов. Атрибутами считаются не только традиционные только для чтения, системный, но и имя файла, размер и даже содержимое. Таким образом, для NTFS и HFS то, что хранится в файле, — это всего лишь один из его атрибутов.

Классификация файловых систем

• 
  Для носителей с произвольным доступом (например, жёсткий диск): FAT32, HPFS, ext2 и др. Поскольку доступ к дискам в разы медленнее, чем доступ к оперативной памяти, для прироста производительности во многих файловых системах применяется асинхронная запись изменений на диск. Для этого применяется либо журналирование, например в ext3, ReiserFS, JFS, NTFS, XFS, либо механизм soft updates и др. Журналирование широко распространено в Linux, применяется в NTFS. Soft updates — в BSD системах. Reiser4 не применяет журналирование, все операции в ней атомарны.
  
• 
  Для носителей с последовательным доступом (например, магнитные ленты): QIC и др.
  
• 
  Для оптических носителей — CD и DVD: ISO9660, ISO9690, HFS, UDF и др.
  
• 
  Виртуальные файловые системы: AEFS и др.
  
• 
  Сетевые файловые системы: NFS, CIFS, SSHFS, GmailFS и др.
  
• 
  Для флэш-памяти: YAFFS, ExtremeFFS.
  
• 
  Немного выпадают из общей классификации специализированные файловые системы: ZFS (собственно файловой системой является только часть ZFS), VMFS (т.н. кластерная файловая система, которая предназначена для хранения других файловых систем) и др.
  

Задачи файловой системы

• 
  именование файлов;
  
• 
  программный интерфейс работы с файлами для приложений;
  
• 
  отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;
  
• 
  устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;
  
• 
  содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.)
  

Журналируемая файловая система

Запуск проверки системы (например, fsck) на больших файловых системах может занять много времени, что очень плохо для сегодняшних высокоскоростных систем. Причиной отсутствия целостности в файловой системе может быть некорректное размонтирование, например, если в момент прекращения работы на диск велась запись. Приложения могли обновлять данные, содержащиеся в файлах, и система могла обновлять метаданные файловой системы, которые являются «данными о данных файловой системы», иными словами, информация о том, какие блоки связаны с какими файлами, какие файлы размещены в каких директориях и тому подобное. Ошибки (отсутствие целостности) в файлах данных — это плохо, но куда хуже ошибки в метаданных файловой системы, что может привести к потерям файлов и другим серьёзным проблемам.

Для минимизации проблем, связанных с целостностью, и минимизации времени перезапуска системы, журналируемая файловая система хранит список изменений, которые она будет проводить с файловой системой, перед фактической записью изменений. Эти записи хранятся в отдельной части файловой системы, называемой «журналом», или «логом». Как только изменения файловой системы безопасно внесены в журнал, журналируемая файловая система применяет эти изменения к файлам или метаданным, а затем удаляет эти записи из журнала. Записи журнала организованы в наборы связанных изменений файловой системы, что очень похоже на то, как изменения добавляемые в базу данных организованы в транзакции.

Наличие журнала повышает вероятность сохранения целостности файловой системы, потому что записи в лог-файл ведутся до проведения фактических изменений, и эти записи хранятся до тех пор, пока они не будут целиком и безопасно применены. При перезагрузке компьютера программа монтирования может гарантировать целостность журналируемой файловой системы простой проверкой лог-файла на наличие ожидаемых, но не произведённых изменений и последующей записью их в файловую систему. Т.о. при наличии журнала в большинстве случаев системе не нужно проводить проверку целостности файловой системы, а это означает, что компьютер будет доступен для работы практически сразу после перезагрузки. Соответственно, шансы потери данных в связи с проблемами в файловой системе значительно снижаются.

Существует несколько журналируемых файловых систем, доступных в Linux. Наиболее известные из них:

• 
  XFS, журналируемая файловая система разработанная Silicon Graphics, но сейчас выпущенная открытым кодом (open source);
  
• 
  ReiserFS, журналируемая файловая система разработанная специально для Linux;
  
• 
  JFS, журналируемая файловая система первоначально разработанная IBM, но сейчас выпущенная как открытый код;
  
• 
  ext3 — журналируемое расширение файловой системы ext2, используемой на большинстве версий GNU/Linux. Уникальная особенность системы ext3 — возможность перехода на неё с ext2 без переформатирования диска. Разработана доктором Стефаном Твиди (Stephan Tweedie).
  
• 
  ext4
  

Разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году^[1]. Использовалась в качестве основной файловой системы в операционных системах DOS и Microsoft Windows (до версии Windows ME).

Структура системы FAT

• 
  загрузочный сектор;
  
• 
  таблица размещения файлов — собственно FAT (традиционно в двух экземплярах, но вообще-то количество копий указано в загрузочном секторе);
  
• 
  корневой каталог;
  
• 
  файлы.
  

При удалении файла фактически только делается запись в каталоге, а цепочка кластеров не разрушается и данные не затираются. Это позволяет восстанавливать удалённые файлы, если на их место ещё не было ничего записано.

Максимальный размер кластера, который поддерживается в FAT, составляет 64 Кб. Зная, что максимальное количество кластеров, которое можно адресовать шестнадцатиразрядным указателем равно 65536, можно вычислить какой величины раздел можно отформатировать, применяя тот или иной размер кластера. Если взять размер кластера равным размеру физического кластера (сектора), то получим: 65536 * 512 = 32 Мб. Если взять кластер в 2 раза больше, то можно отформатировать раздел уже до 64 Мб. Ввиду того, что разрядность ФС - величина постоянная, для форматирования дисков различных размеров будут применяться разные размеры кластеров. Например, чтобы отформатировать диск более 1 Гб, нужно применять кластер 16 КБ. Поскольку размер кластера, являющийся максимально допустимым в этой ФС, равен 64 Кб, то можно определить, что максимальный размер раздела, форматируемый под FAT, равен 4 Гб.

Отказоустойчивость системы

Версии системы FAT

Изначально FAT не поддерживала иерархическую систему каталогов. Все файлы располагались в корневом каталоге. Это оказалось неудобно. И к тому же малый размер корневого каталога ограничивал количество файлов на диске файлов. Каталоги были введены с выходом MS-DOS 2.0.

В различных операционных системах также были внедрены различные расширения FAT. Например, в DR-DOS имеются дополнительные атрибуты доступа к файлам; в Windows 95, Linux и Proolix — поддержка длинных имён файлов (LFN) в формате Unicode (VFAT); в OS/2 — расширенные атрибуты всех файлов.

FAT32

FAT32 — последняя версия файловой системы FAT и улучшение предыдущей версии, известной как FAT16. Она была создана, чтобы преодолеть ограничения на размер тома в FAT16, позволяя при этом использовать старый код программ MS-DOS и сохранив формат. FAT32 использует 32-разрядную адресацию кластеров. FAT32 появилась вместе с Windows 95 OSR2.

Максимально возможное число кластеров в FAT32 равно 268 435 445 кластеров, что позволяет использовать жёсткие диски объёмом до 8 ТБ. Средство ScanDisk, входящее в состав Microsoft Windows 95 и Microsoft Windows 98, это 16-разрядная программа. Для таких программ максимальный размер кластера отдельного фрагмента памяти составляет 16 МБ минус 64 КБ. Следовательно, средство ScanDisk в Windows 95 или Windows 98 не может работать с томами FAT32, у которых размер таблицы FAT превышает 16 МБ минус 64 КБ. Запись в таблице FAT на томе с файловой системой FAT32 имеет размер 4 байта, поэтому средство ScanDisk не может работать с таблицей FAT на диске FAT32, описывающей более 4 177 920 кластеров (включая два резервных). С учётом самих таблиц FAT и при максимальном размере кластера 32 КБ размер тома может быть до 127,53 ГБ.

NTFS

NTFS заменила использовавшуюся в MS-DOS и Microsoft Windows файловую систему FAT. NTFS поддерживает систему метаданных и использует специализированные структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения производительности, надёжности и эффективности использования дискового пространства. NTFS хранит информацию о файлах в Master File Table (MFT). NTFS имеет встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и групп пользователей (списки контроля доступа — ACL), а также назначать квоты (ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или иными пользователями). NTFS использует систему журналирования для повышения надёжности файловой системы.

NTFS разработана на основе файловой системы HPFS (от англ. High Performance File System — высокопроизводительная файловая система), создававшейся Microsoft совместно с IBM для операционной системы OS/2. Но, получив такие несомненно полезные новшества как квотирование, журналируемость, разграничение доступа и аудит, в значительной степени утратила присущую прародительнице (HPFS) весьма высокую производительность файловых операций.

Различают несколько версий NTFS: v1.2 используется в Windows NT 3.51 и Windows NT 4.0, v3.0 поставляется с Windows 2000, v3.1 — с Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista и Windows Server 2008.

Поддержка операционными системами

MS-DOS

• 
  Драйвер NTFSDOS Марка Руссиновича (Mark Russinovich) — поддержка чтения, а в версии Professional и записи на NTFS-разделы (с июля 2006 права на утилиты Марка Руссиновича принадлежат Microsoft; на сайте компании информации об этом продукте нет, но его без труда можно найти в Сети).
  

Windows 9x

• 
  Драйвер NTFS for Windows 98 того же Марка Руссиновича. Поддерживает чтение с разделов, но для записи можно использовать DOS’овский драйвер. На сайте Microsoft также отсутствует информация об этом драйвере, но его легко можно отыскать на сторонних сайтах.
  
• 
  Драйвер Paragon Software Group NTFS for Windows 98. В настоящий момент поддерживающая как чтение, так и запись версия бесплатна для некоммерческого использования.
  

GNU/Linux

• 
  Проект Linux-NTFS. Включает модуль ядра, а также набор утилит для различных операций с файловыми системами NTFS (проверка целостности, восстановление удалённых файлов, изменение размера и др.). Именно этот драйвер включается в ядро Linux ещё с версии 2.2 (с тех пор он был практически полностью переписан). Модулем ядра поддерживается практически только чтение (запись — лишь в существующие файлы без изменения их размера), но недавно в рамках проекта появилась утилита ntfsmount, использующая FUSE и позволяющая монтировать NTFS-разделы на запись с некоторыми ограничениями. Это первый полностью свободный продукт, имеющий такую возможность.
  
• 
  Проект NTFS-3G. Возник как ответвление от предыдущего проекта, отличается более полной поддержкой записи на NTFS-разделы. Объявлен стабильным (выпущена версия 1.0) 21 февраля 2007 года. Обеспечивает высокий уровень надежности и производительности. В настоящее время проект активно развивается.
  
• 
  Проект Captive NTFS. Создавался как «обёртка» для использования оригинального драйвера Windows NT в ОС GNU/Linux. Имеется возможность записи, однако драйвер работает крайне медленно и имеет некоторые технические ограничения. На официальном сайте проекта помещено объявление, что он более не развивается.
  
• 
  Драйвер Paragon NTFS for Linux. Поддерживается чтение и запись, также имеется ряд утилит для создания и некоторых операций с NTFS-разделами. Доступен бесплатно для домашних пользователей.
  

Mac OS X

• 
  Paragon NTFS для Mac OS X
  
• 
  NTFS-3G для Mac OS X
  
• 
  MacFUSE 2.0
  

Сравнительная таблица файловых систем FAT и NTFS

ext2

ext2 или 2я расширенная файловая система — файловая система для ядра Linux. Она была разработана Rémy Card'ом в качестве замены для extended file system. Она достаточно быстра для того, чтобы служить эталоном в тестах производительности файловых систем. Она не является журналируемой файловой системой и это её главный недостаток. Развитием ext2 стала журналируемая файловая система ext3, полностью совместимая с ext2.

История

Решением всех проблем стала новая файловая система, разработанная в январе 1993 года. В ext2 были сразу реализованы соответствующие стандарту POSIX списки контроля доступа ACL и расширенные атрибуты файлов.

*** POSIX® (англ. Portable Operating System Interface for Unix — Переносимый интерфейс операционных систем Unix) — набор стандартов, описывающих интерфейсы между операционной системой и прикладной программой. Стандарт создан для обеспечения совместимости различных UNIX-подобных операционных систем и переносимости прикладных программ на уровне исходного кода, но может быть использован и для не-Unix систем

Логическая организация файловой системы ext2

Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных файловых системах обычно используются три типа имен — файлов: простые, составные и относительные. Не является исключением и «вторая расширенная файловая система». Ограничения на простое имя состоят в том что, его длина не должна превышать 255 символов, а также в имени не должны присутствовать символ NUL и ‘/’. Ограничения на символ NUL связаны с представлением строк на языке Си, а на символ ‘/’ с тем, что он используются как разделительный символ между каталогами. Полное имя представляет собой цепочку простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла. В файловой системе ext2 файл может входить в несколько каталогов, а значит, иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл — много полных имен». В любом случае полное имя однозначно определяет файл.

• 
  Тип и права доступа к файлу;
  
• 
  Владелец, группа;
  
• 
  Информация о разрешённых операциях доступа к файлу;
  
• 
  Времена создания, последнего доступа, последнего изменения и время последнего удаления;
  
• 
  текущий размер файла;
  
• 
  тип файла;
  
  • 
    обычный файл;
    
  • 
    каталог;
    
  • 
    файл байт-ориентированного устройства;
    
  • 
    файл блочно-ориентированного устройства;
    
  • 
    Сокет;
    
  • 
    именованный канал;
    
  • 
    символическая ссылка;
    
• 
  число блоков, занимаемых файлом;
  
• 
  ACL
  
• 
  другие
  

Структура дискового раздела

• 
  блоки и группы блоков;
  
• 
  индексный дескриптор;
  
• 
  суперблок;
  

Базовым понятием файловой системы является индексный дескриптор (информационный узел), information node, или inode. Это специальная структура, которая содержит информацию об атрибутах и физическом расположении файла.

Каждая группа блоков имеет одинаковое строение. Суперблок — основной элемент файловой системы ext2. Он содержит общую информацию о файловой системе:

• 
  общее число блоков и индексных дескрипторов в файловой системе;
  
• 
  число свободных блоков и индексных дескрипторов в файловой системе;
  
• 
  размер блока файловой системы;
  
• 
  количество блоков и индексных дескрипторов в группе;
  
• 
  размер индексного дескриптора;
  
• 
  идентификатор файловой системы.
  

Все оставшееся место, обозначенное в таблице, как данные, отводится для хранения файлов.

Система адресации данных

Система адресации данных — это одна из самых существенных составных частей файловой системы. Именно система адресации позволяет находить нужный файл среди множества как пустых, так и занятых блоков на диске. Файловая система ext2 использует следующую схему адресации блоков файла. Для хранения адреса файла выделено 15 полей, каждое из которых состоит из 4 байт. Если размер файла меньше или равен 12 блоков, то номера этих кластеров непосредственно перечисляются в первых двенадцати полях адреса. Если размер файла превышает 12 блоков, то следующее 13-е поле содержит адрес кластера, в котором могут быть расположены номера следующих блоков файла. Таким образом, 13-й элемент адреса используется для косвенной адресации. При максимальном размере блока равном 4096 байт, 13-й элемент, может содержать до 1024 номеров следующих кластеров данных файла. Если размер файла превышает 12+1024 блоков, то используется 14-е поле, в котором находится номер блока, содержащего 1024 номеров блоков, каждый из которых хранят 1024 номеров блоков данных файла. Здесь применяется уже двойная косвенная адресация. И наконец, если файл включает более 12+1024+1048576 = 1049612 блоков, то используется последнее 15-е поле для тройной косвенной адресации.

Таким образом, описанная выше система адресации, позволяет при максимальном размере блока 4 Кб иметь файлы размера до 2 терабайт. или больше

ext3

Основное отличие от ext2fs состоит в том, что ext3 журналируема, то есть в ней предусмотрена запись некоторых данных, позволяющих восстановить файловую систему при сбоях в работе компьютера.

Стандартом предусмотрено три режима журналирования:

• 
  writeback: в журнал записываются только метаданные файловой системы, то есть информация о её изменении. Не может гарантировать целостности данных, но уже заметно сокращает время проверки по сравнению с ext2;
  
• 
  ordered: то же, что и writeback, но запись данных в файл производится гарантированно до записи информации о изменении этого файла. Немного снижает производительность, также не может гарантировать целостности данных (хотя и увеличивает вероятность их сохранности при дописывании в конец существующего файла);
  
• 
  journal: полное журналирование как метаданных ФС, так и пользовательских данных. Самый медленный, но и самый безопасный режим; может гарантировать целостность данных при хранении журнала на отдельном разделе (а лучше — на отдельном жёстком диске).
  

более низкая скорость работы по сравнению с ext2

ext4

Впервые экспериментальная поддержка ext4 была выпущена в виде патча для Linux версий 2.6.19-rc1-mm1 и 2.6.19-rc1-git8 10 октября 2006 года программистом Эндрю Мортоном (Andrew Morton)^[1]. Основной особенностью стало увеличение максимального объема одного раздела диска до 1 эксабайта (2⁶⁰ байт) при размере блока 4Kb. Кроме того, в ext4 представлен механизм пространственной (extent) записи файлов (новая информация добавляется в конец заранее выделенной по соседству области файла), уменьшающий фрагментацию и повышающий производительность.

Поддержка ext4 включена в релиз Fedora 9 (в Fedora 11 — основная), в версию 3.5 (начиная с Loop 3) Sabayon Linux, ArchLinux, Slackware, а также в Ubuntu 9.04 (в Ubuntu, начиная с версии 9.10, ext4 стала файловой системой по умолчанию).

ReiserFS

В настоящее время ReiserFS поддерживается только под GNU/Linux, но может быть в будущем перенесена на другие платформы. Появившись в Linux версии 2.4.1, она стала первой журналируемой ФС, включённой в ядро.

ReiserFS — стандартная ФС для дистрибутивов Archlinux, Slackware, SuSE, Xandros, Yoper, Linspire и Kurumin Linux.

В настоящий момент разработка Reiser3 прекращена.

Особенности

• 
  Возможность упаковки нескольких небольших файлов в один блок (т. н. англ. tail packing — «упаковка хвостов») во избежание фрагментации и потери дискового пространства. Из-за сильной потери производительности Namesys рекомендует отключить эту возможность на чувствительных к ресурсам машинах.
  
• 
  Журналирование только метаданных.
  
• 
  Возможность изменения размера файловой системы «на лету».
  

Недостатки

• 
  Reiser3 может быть повреждена в результате перестройки дерева во время проверки. Перестройка дерева нужна при условии, если метаданные очень сильно повреждены.
  
• 
  Версии ReiserFS, включённые в ядро Linux младше версии 2.4.10, признаны нестабильными компанией Namesys и не рекомендованы для промышленного использования, особенно в связке с NFS.
  
• 
  Неизвестен способ дефрагментации, помимо полного дампа ФС и последующего восстановления.
  

Reiser4

Reiser4 Имеет следующие преимущества:

• 
  одна из самых быстрых ФС для Linux (с включённым плагином-архиватором - самая быстрая);
  
• 
  атомарная структура ФС (atomic filesystem) — позволяет производить операции файловой системы или полностью, или никак, но не наполовину; это повышает надёжность хранения данных;
  
• 
  использует «танцующие деревья» (dancing trees) — алгоритм, пришедший на смену алгоритмам «сбалансированного дерева», используемым в базах данных; Это позволяет Reiser4 более эффективно использовать пространство, благодаря тому, что маленькие файлы хранятся вместе;
  
• 
  Reiser4 основана на плагинах, что позволяет подключать дополнительные возможности, не переформатируя диск; в том числе предусмотрены плагины-архиваторы, которые позволяют уместить на том же самом разделе больше информации (что также значительно увеличивает скорость работы, уменьшая непосредственно считываемый/записываемый объём данных, см. выше).
  

Unix File System

Поддержка данной файловой системы имеется также в ядре Linux и операционной системе Solaris.

Раздел диска

На других носителях информации выделение разделов или не предусмотрено, или (за редкими исключениями) не практикуется. Однако, существуют флеш-драйвы, память которых можно разбить на два раздела, причём один раздел можно защитить паролем, при этом система «увидит» составное устройство из двух флеш-карт (на самом деле любую флеш карту можно разбить на два и боле разделов, однако драйвер в Windows отображает только первый из них; работа с ними возможна при подмене драйвера или при работе с другими ОС).

Преимущества использования разделов

• 
  на одном физическом жёстком диске можно хранить информацию в разных файловых системах, или в одинаковых файловых системах, но с разным размером кластера (например, выгодно хранить файлы большого размера — например, видео — отдельно от маленьких, и задавать больший размер кластера для хранилища больших файлов);
  
• 
  можно отделить информацию пользователя от файлов операционной системы;
  
• 
  на одном жёстком диске можно установить несколько операционных систем;
  
• 
  манипуляции с одной файловой системой не сказываются на других файловых системах.
  

Структура диска, разбитого на разделы

Раздел может быть либо логическим диском, либо дополнительным разделом.

В первом секторе каждого логического диска находится загрузочный сектор (Boot Record), отвечающий за загрузку операционной системы с этого раздела. Информация о том, какой логический диск будет использован для загрузки операционной системы, тоже записана в главной загрузочной записи.

В MBR под таблицу разделов выделено 64 байта. Каждая запись занимает 16 байт. Таким образом, всего на жестком диске может быть создано не более 4 разделов. Когда разрабатывалась структура MBR, это считалось достаточным. Однако, позднее был введён дополнительный раздел. Он не является логическим диском, а также содержит таблицу разделов, в которой можно прописать ещё до 4 разделов.

По правилам дополнительный раздел может быть только один, и не может содержать другой дополнительный раздел. Таким образом, в максимальной конфигурации на жёстком диске может быть сформировано 3 основных логических диска и 1 дополнительный раздел, содержащий 4 логических диска. Всего 7 логических дисков. И только первичный диск может быть загрузочным. Однако, различные менеджеры разделов позволяют обходить эти ограничения.

Виды логических разделов

Первичный (основной) раздел

Расширенный (дополнительный) раздел

Пример разбиения жёсткого диска на разделы

Главная загрузочная запись

Цель MBR — ещё не загрузка ОС, а всего лишь выбор «с какого раздела жёсткого диска следует загружать ОС». На стадии MBR происходит выбор раздела диска и ничего более. Загрузка самой ОС происходит на более поздних этапах.

В процессе запуска компьютера при загрузке с жёсткого диска MBR загружается в память базовой системой ввода-вывода (BIOS) после окончания теста POST (в компьютерах архитектуры IBM PC обычно с адреса 0000:7c00), ему передаётся управление командой long jump.

В процессе загрузки компьютера x86 вначале всегда отрабатывается BIOS. На этой стадии кроме тестирования и активации «железа», происходит также и выбор устройства, с которого будет происходить дальнейшая загрузка. Это может быть дискета, жёсткий диск, сетевой ресурс, встроенное ПЗУ или любое иное устройство. (Алгоритм выбора загрузочного устройства может быть различным и зависит от реализации BIOS.) После выбора загрузочного устройства, управление всей дальнейшей загрузкой BIOS полностью передаёт этому устройству.

В случае, если устройство имеет только один раздел (как, например, дискета или сетевая загрузка), то выбор однозначен, и загрузка продолжается сразу с этого устройства. Однако, если устройство содержит несколько разделов, каждый из которых потенциально может быть загрузочным (как, например, в случае жестких дисков), то возникает неопределённость: с какого именно раздела производить загрузку?

Для разрешения неоднозначности по выбору раздела, было предложено вынести этот вопрос из ведения BIOS и передать этот выбор самому устройству. Так появилась идея использовать небольшую программу, записанную на самом носителе, которая и осуществляла бы данный выбор. Так появилась концепция MBR.

Таким образом, потенциальное наличие нескольких загрузочных разделов, среди которых необходимо осуществить выбор — это ключевой момент в необходимости появления и отработки MBR. Для устройств с единственным (или однозначно заданным) загрузочным разделом концепция MBR лишена смысла и не используется.

Структура MBR

• 
  область кода и служебных данных (446 байт)
  
• 
  область partition table (4 записи по 16 байт)
  
• 
  Сигнатура 55AAh (2 байта)
  

После завершения процедуры POST в ОЗУ по адресу 0x0000:0x7c00 записывается код загрузчика после чего ему передается управление. Задача загрузчика проанализировать таблицу разделов жёсткого диска, а затем либо передать управление загрузочному коду активного раздела, либо загрузить в память ядро операционной системы и передать ему управление.

В таблице разделов хранится информация о типе раздела и его расположении на жёстком диске.

Последние два байта MBR называются сигнатурой. Значение этих байтов должно быть 55h AAh. В случае, если это не так, запись считается некорректной.

Структура описания раздела

Признак активности разделов

• 
  80h — раздел является активным
  
• 
  00h — раздел является неактивным
  
• 
  Другие значения являются ошибочными и игнорируются.
  

Начало раздела / Конец раздела

Код типа раздела

Смещение первого сектора

Восстановление MBR

Загрузчик ОС

• 
  обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера (например, загрузчик позволяет выбрать ядро операционной системы для загрузки);
  
• 
  приводит аппаратуру компьютера в состояние, необходимое для старта ядра операционной системы (например, на не-x86 архитектурах перед запуском ядра загрузчик должен правильно настроить виртуальную память);
  
• 
  загружает ядро операционной системы в ОЗУ. Загрузка ядра операционной системы не обязательно происходит с MBR. Загрузчик может получать ядро по сети. Ядро может храниться в ПЗУ или загружаться через последовательные интерфейсы (это может пригодиться на ранней стадии отладки создаваемой компьютерной системы);
  
• 
  формирует параметры, передаваемые ядру операционной системы (например, ядру Linux передаются параметры, указывающие способ подключения корневой файловой системы);
  
• 
  передаёт управление ядру операционной системы.
  

Распространённые загрузчики

• 
  NTLDR — загрузчик ядра Windows NT
  
• 
  Windows Boot Manager (bootmgr.exe, winload.exe) — загрузчик ядра Windows Vista
  
• 
  LILO (LInux LOader) — загрузчик, в основном применяемый для загрузки ядра Linux
  
• 
  GRUB (Grand Unified Bootloader) — применяется для загрузки ядра Linux и Hurd (StartUp Manager)
  
• 
  OS/2 BootManager — загрузчик ядра OS/2
  
• 
  RedBoot — загрузчик для встраиваемых систем
  
• 
  SILO (SPARC Improved bootLOader) — загрузчик Linux и Solaris для машин с архитектурой SPARC. Домашняя страница SILO
  
• 
  Loadlin — загружает Linux из под DOS или Windows Домашняя страница Loadlin
  
• 
  Syslinux — загружает Linux из под DOS или Windows
  
• 
  BOOTP — применяется для загрузки по сети
  
• 
  Yaboot — загрузчик Linux на PowerPC
  
• 
  BootX — загрузчик Mac OS X
  
• 
  Das U-Boot
  
• 
  SyMon — универсальный загрузчик, независим от типа операционной системы Домашняя страница SyMon