Урок 1 (3 часа)
Файлы: понятие, причины использования.
Носители для хранения файлов
До сих пор все методы хранения информации, рассматриваемые нами, касались только оперативной памяти (переменные и константы хранятся в оперативной памяти и их значения теряются при закрытии файла программы).
Для того, чтобы присвоить значение переменной, нами использовался один из двух способов:
· присваивание значения в программе с помощью оператора присваивания;
· считывание значения переменной с клавиатуры оператором Read (Readln).
Для вывода текстовой информации использовался оператор вывода Write (Writeln).
Без всех этих операций с информацией не может обойтись практически ни одна программа. Однако информация, хранимая в оперативной памяти, имеет смысл только во время работы программы, что подходит не для всех задач, решаемых программированием.
Также недостатком хранения в ОЗУ является затруднения в ее передаче от одной ЭВМ к другой.
Можно назвать еще множество задач, не решаемых в пределах оперативной памяти, например отсутствие возможности архивации данных, используемых программой.
Решением большинства таких проблем является использование файлов – специальных структур, расположенных на носителях (дискетах, CD-дисках, жестких дисках, устройствах Flash-памяти).
Причины применения файлов:
1. ввод больших объемов данных, подлежащих обработке, утомителен и требует большого времени; гораздо удобнее создать отдельный файл данных, который может быть подготовлен заранее и, самое главное, применяться неоднократно;
2. файл данных может быть подготовлен другой программой, становясь, таким образом, связующим звеном между двумя разными задачами, а также средством связи программы с внешней средой;
3. программа, использующая данные из файла, не требует присутствия пользователя в момент фактического исполнения.
Структура дисковых носителей
1. 
Дискета (Floppy disk – гибкий диск)
Представляет собой поверхность в виде кольца из гибкого материала, имеющего магнитное напыление (Рис. 1). Кольцо заключено в пластмассовый корпус для предохранения от загрязнений и других воздействий окружающей среды, которые могут нанести вред магнитному покрытию.
Магнитное покрытие обладает свойством сохранения единицы информации на некотором участке (намагниченный участок – 1, ненамагниченный участок – 0). Для изменения намагниченности участка покрытия используется специальное устройство – дисковод, обладающий магнитной головкой. Магнитная головка перемещается по поверхности дискеты, намагничивая и размагничивая отдельные участки. Чтобы читающее устройство могло ориентироваться в пределах кольца, например, определять начало области записи информации, перед использованием дискета проходит процедуру форматирования.
Форматирование – нанесение на магнитную поверхность специальных меток, разбивающих ее на дорожки и сектора. (Рис. 2).
Дорожки нумеруются от нулевой (ближней к краю кольца) по возрастанию, сектора нумеруются, начиная с первого (за первый сектор принимается какой-либо из секторов нулевой дорожки и при форматировании на нем ставится специальная метка). Количество дорожек и секторов определяется форматирующей программой, для дискет объемом 1,44 Мбайт стандартная разметка включает в себя 18 секторов и 80 дорожек на каждой стороне диска.
На гибком диске минимальным адресуемым элементом является сектор.
Объем одного сектора = 512 байт. Каждый сектор имеет свой порядковый номер. Большие объемы информации занимают более одного сектора. Совокупности областей диска называются файлом. При записи файла на диск будет занято всегда целое количество секторов. Соответственно, минимальный размер файла – это размер одного сектора, а максимальный соответствует общему количеству секторов на диске.
Файл записывается в произвольные свободные сектора, которые могут находиться на различных дорожках.
Например, File_1 объемом 2 Кбайта может занимать сектора под номером 34, 35, 47, 48, а File_2 объемом 1 Кбайт – сектора 36 и 49.
Таблица 1
Логическая структура гибкого диска формата 3,5” (2-я сторона)
| № дорожки | № сектора | |||||||||||||||||
| … | ||||||||||||||||||
Для того, чтобы можно было найти файл по его имени, на диске имеется каталог, представляющий собой базу данных.
Запись о файле содержит:
· имя файла;
· адрес первого сектора, с которого начинается файл;
· объем файла;
· дату создания файла;
· время создания файла.
Таблица 2
Структура записей в каталоге
| Имя файла | Адрес первого сектора | Объем файла, Кбайт | Дата создания | Время создания |
| File_1 | 14.01.99 | 14.29 | ||
| File_2 | 14.01.99 | 14.45 |
Для хранения информации о том, какие области диска каким файлам принадлежат, используется таблица FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов). FAT таблица необходима, чтобы различные части файла не терялись (один файл может находится в несмежных секторах) и не пересекались с другими файлами. Количество ячеек FAT соответствует количеству секторов на диске, а значениями ячеек являются цепочки размещения файлов, то есть последовательности адресов секторов, в которых хранятся файлы.
Таблица 3
Фрагмент FAT
| К | К |
Цепочка размещения для File_1 выглядит следующим образом: в начальном 34-м секторе хранится адрес следующего сектора занимаемого файлом – 35, в 35-м секторе хранится адрес 47, в 47-м – 48, а в 48-м – знак конца файла – К.
Например, для открытия файла процессор сначала ищет его по имени в базе данных, считывает адрес первого сектора, занимаемого файлом; далее считывает часть файла в ОЗУ и обращается к таблице FAT по адресу этого сектора, там находит ссылку на следующий сектор, занимаемый файлом и т.д. этот процесс продолжается до знака окончания файла в таблице FAT – К.
Задание 1. По фрагменту базы данных и таблицы FAT определите имена файлов, номера секторов и объем дискового пространства, занимаемые этими файлами. Заполните таблицу:
| Имя файла | №№ секторов | Объем дискового пространства |
Фрагмент записей в каталоге
| Имя файла | Адрес первого сектора |
| DZ_1 | |
| DZ_2 | |
| DZ_3 | |
| DZ_4 |
Фрагмент FAT
| K | |||||||||||||||||
| К | К | К |
Для размещения каталога – базы данных и таблицы FAT на гибком диске отводятся сектора со 2 по 33. Первый сектор отводится для размещения загрузочной записи операционной системы. Сами файлы могут быть записаны, начиная с 34 сектора.
Задание 2. Подсчитайте информационную емкость гибкого диска (в Кбайт).
Решение.
Количество секторов: N = 18*80*2=2880.
Информационная емкость: 512 байт * N = 1474560 байт = 1440 Кбайт = 1,40625 Мбайт
Задание 3. Подсчитать объем диска, доступный для записи файлов.
Решение.
Для записи данных доступно только 2847 секторов, т.е. для записи доступно только
512 байт * 2847 = 1457664 байт = 1423,5 Кбайт = 1,39 Мбайт.
2. 
Жесткий диск (Hard Drive – жесткий диск)
По своей структуре жесткий диск аналогичен дискете, однако содержит множество кольцевых поверхностей.
Логическая структура жестких дисков несколько отличается от логической структуры гибких дисков. Минимальным адресуемым элементом жесткого диска является кластер, который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера зависит от типа используемой таблицы FAT и от емкости жесткого диска.
Таблица FAT 16 может адресовать 216 = 65536 кластеров. Т.е. для диска объемом 40 Гбайт размер кластера = 40 Гбайт / 65536 = 640 Кбайт.
Файлу всегда выделяется целое число кластеров. При размещении на жестком диске большого количества небольших по размеру файлов они будут занимать кластеры лишь частично, что приведет к большим потерям свободного дискового пространства.
Эта проблема частично решается с помощью использования таблицы FAT 32, в которой объем кластера принят равным 8 секторов (4 Кбайта) для диска любого объема.
Преобразование FAT 16 в FAT 32 можно осуществить с помощью служебной программы Преобразование диска в FAT 32, которая входит в состав Windows.
Языки программирования высокого уровня позволяют рассматривать файл не как массив байтов, а как массив элементов некоторого типа данных, имеющегося в языке программирования, поэтому языки программирования имеют более развитые средства для доступа к файлу.
Именование файлов
Для того, чтобы структурировать список файлов с целью повышения удобства работы с ним, файлы хранятся на дисковых носителях в иерархическом виде.
Во всех ОС принято именование файлов на основе последовательности каталогов, определяющей положение файла, и имени самого файла.
Правила именования файлов в ОС MS-DOS (полное имя файла):
· первая часть файла представляет собой название логического диска, состоящего из одной буквы;
· для отделения имени логического диска от остальной части имени файла используется двоеточие и обратный слеш \;
· вторая часть – последовательность каталогов, начиная с первого, находящегося на логическом диске, и до того каталога, который содержит файл; каталоги в последовательности разделяются символом \; данная последовательность называется путь к файлу;
· третья часть содержит имя файла, которое состоит из собственно имени файла (от 1 до 8 разрешенных символов – прописных или строчных латинские буквы, цифры, символы (!, @, #, %, ^, &, (,), ‘, –, ~, _)) и расширения (3 латинские буквы, оно может отсутствовать), указывается через точку.
Полное имя файла имеет следующий общий вид:
<Имя логического диска>:\<Каталог 1>\...\<Каталог n>\<Имя файла>.<Расширение>