0.11 Cài đặt hệ thống tập tin

Giới thiệu

Trong chương trước chúng ta thấy rằng, hệ thống tập tin cung cấp cơ chế cho việc lưu trữ trực tuyến (on-line storage) và truy xuất tới nội dung tập tin, gồm dữ liệu và chương trình. Hệ thống tập tin định vị vĩnh viễn trên thiết bị lưu trữ phụ. Các thiết bị này được thiết kế để quản lý lượng lớn thông tin không thay đổi.

Chương này tập trung chủ yếu với những vấn đề xoay quanh việc lưu trữ tập tin và truy xuất trên các thiết bị lưu trữ phụ. Chúng ta khám phá các cách để xây dựng cấu trúc sử dụng tập tin, cấp phát không gian đĩa và phục hồi không gian trống để ghi lại vị trí dữ liệu và để giao tiếp với các phần khác của hệ điều hành tới thiết bị lưu trữ phụ. Các vấn đề về năng lực được xem xét thông qua chương này.

Cấu trúc hệ thống tập tin

Đĩa cung cấp số lượng thiết bị lưu trữ phụ mà trên đó hệ thống tập tin được duy trì. Có hai đặc điểm làm đĩa trở thành phương tiện tiện dụng cho việc lưu trữ nhiều tập tin:

1. Chúng có thể được viết lại bằng cách thay thế; có thể đọc một khối từ đĩa, sửa một khối và viết nó ngược trở lại đĩa trong cùng vị trí.
2. Chúng có thể được truy xuất trực tiếp bất cứ khối thông tin nào trên đĩa.

Để cải tiến tính hiệu quả nhập/xuất, thay vì chuyển một byte tại một thời điểm, nhập/xuất chuyển giữa bộ nhớ và đĩa được thực hiện trong đơn vị khối. Mỗi khối là một hay nhiều cung từ (sector). Phụ thuộc ổ đĩa, các cung từ biến đổi từ 32 bytes tới 4096 bytes; thường là 512 bytes.

Để cung cấp việc truy xuất hiệu quả và tiện dụng tới đĩa, hệ điều hành áp đặt một hay nhiều hệ thống tập tin để cho phép dữ liệu được lưu trữ, định vị và truy xuất lại dễ dàng. Một hệ thống tập tin đặt ra hai vấn đề thiết kế rất khác nhau. Vấn đề đầu tiên là định nghĩa hệ thống tập tin nên quan tâm đến người dùng như thế nào. Tác vụ này liên quan đến việc định nghĩa một tập tin và thuộc tính của nó, các thao tác được phép trên một tập tin và các giải thuật và cấu trúc cho việc tổ chức tập tin. Vấn đề thứ hai là tạo giải thuật và cấu trúc dữ liệu để ánh xạ hệ thống tập tin luận lý vào các thiết bị lưu trữ phụ.

Hệ thống tập tin thường được tạo thành từ nhiều cấp khác nhau. Cấu trúc được hiển thị trong hình X-1 là một thí dụ của thiết kế phân cấp. Mỗi cấp trong thiết kế dùng các đặc điểm của cấp thấp hơn để tạo các đặc điểm mới cho việc sử dụng bởi cấp cao hơn.

Hình X‑1 hệ thống tập tin phân tầng

• Điều khiển nhập/xuất (I/O control): là cấp thấp nhất chứa các trình điều khiển thiết bị và các bộ quản lý ngắt để chuyển thông tin giữa bộ nhớ chính và hệ thống đĩa. Trình điều khiển thiết bị thường viết các mẫu bit xác định tới các vị trí trong bộ nhớ của bộ điều khiển nhập/xuất để báo với bộ điều khiển vị trí trên thiết bị nào và hoạt động gì xảy ra.
• Hệ thống tập tin cơ bản (basic file system) chỉ cần phát ra các lệnh thông thường tới các trình điều khiển thiết bị tương ứng để đọc và viết các khối vật lý trên đĩa. Mỗi khối vật lý được xác định bởi địa chỉ đĩa (thí dụ, đĩa 1, cyclinder 73, track 2, sector 10).
• Module tổ chức tập tin (file-organization module) biết các tập tin và các khối luận lý cũng như các khối vật lý. Bằng cách biết kiểu cấp phát tập tin được dùng và vị trí của tập tin, module tổ chức tập tin có thể dịch các địa chỉ khối luận lý thành các địa chỉ khối vật lý cho hệ thống tập tin cơ bản để truyền. Các khối luận lý của mỗi tập tin được đánh số từ 0 (hay 1) tới N, ngược lại các khối vật lý chứa dữ liệu thường không khớp với các số luận lý vì thế một thao tác dịch được yêu cầu để định vị mỗi khối. Module tổ chức tập tin cũng chứa bộ quản lý không gian trống (free-space manager), mà nó ghi vết các khối không được cấp phát và cung cấp các khối này tới module tổ chức tập tin khi được yêu cầu.
• Hệ thống tập tin luận lý (logical file system) quản lý thông tin siêu dữ liệu (metadata). Metadata chứa tất cả cấu trúc hệ thống tập tin, ngoại trừ dữ liệu thật sự (hay nội dung của các tập tin). Hệ thống tập tin luận lý quản lý cấu trúc thư mục để cung cấp module tổ chức tập tin những thông tin yêu cầu sau đó, được cho tên tập tin ký hiệu. Nó duy trì cấu trúc tập tin bằng khối điều khiển tập tin. Một khối điều khiển tập tin (file control block-FCB) chứa thông tin về tập tin, gồm người sở hữu, quyền và vị trí của nội dung tập tin.