58、磁盘操作与文件管理的深入解析

磁盘操作与文件管理的深入解析

1. 磁盘扇区的读写操作

在磁盘操作中，扇区的读写是基础且关键的部分。下面将详细介绍相关的程序和操作。

1.1 程序核心：ReadSector 过程

程序的核心是 ReadSector 过程，它使用 INT 21h Function 7305h 从磁盘读取每个扇区。读取的扇区数据会被放置在一个缓冲区中，然后通过 DisplaySector 过程进行显示。以下是相关代码示例：

ret
DisplaySector ENDP
;-----------------------------------------------
MoveCursor PROC
;
; Advance the cursor to the next column,
; check for possible wraparound on screen.
;-----------------------------------------------
cmp
curr_col,79
; last column?
jae
L1         
; yes: go to next row
inc
curr_col
; no: increment column
jmp
L2
L1:
mov
curr_col,0
; next row
inc
curr_row
L2:
INVOKE Setcursor,curr_row,curr_col
ret
MoveCursor ENDP
;-----------------------------------------------------
Setcursor PROC USES dx,
row:BYTE, col:BYTE
;
; Set the screen cursor position
;-----------------------------------------------------
mov
dh, row
mov
dl, col
call
Gotoxy
ret
Setcursor ENDP
END main

1.2 使用 INT 10h 显示字符

大多数扇区包含二进制数据，如果使用 INT 21h 来显示这些数据，ASCII 控制字符会被过滤，导致显示不连贯。因此，使用 INT 10h Function 0Ah 更为合适，它能将 ASCII 码 0 到 31 作为图形字符显示。由于 Function 0Ah 不会自动移动光标，所以需要额外的代码在显示每个字符后将光标向右移动一列。 SetCursor 过程简化了 Irvine16 库中 Gotoxy 过程的实现。

1.3 扇区显示程序的变体

扇区显示程序有许多有趣的变体。例如，可以提示用户输入要显示的扇区编号范围，每个扇区可以以十六进制形式显示。还可以让用户使用 PageUp 和 PageDown 键在扇区之间前后滚动。

1.4 相关问题回顾

以下是一些关于磁盘扇区读写的常见问题及解答：
1. 判断题 ：在 Windows Me 下可以使用 INT 21h Function 7305h 从硬盘读取扇区，但在 Windows XP 下不行。（答案：正确）
2. 判断题 ： INT 21h Function 7305h 仅在保护模式下读取一个或多个磁盘扇区。（答案：错误）
3. 问题 ： INT 21h Function 7305h 需要哪些输入参数？（具体参数未在当前文本中详细说明）
4. 问题 ：在扇区显示程序中，为什么使用中断 10h 来显示字符？（因为大多数扇区包含二进制数据，使用 INT 21h 显示会过滤 ASCII 控制字符，导致显示不连贯，而 INT 10h Function 0Ah 能更好地处理这些字符）
5. 挑战问题 ：在扇区显示程序中，如果起始扇区编号超出范围会发生什么？（未在当前文本中给出明确答案）

2. 系统级文件函数

在实地址模式下， INT 21h 提供了一系列系统服务，用于创建和更改目录、更改文件属性、查找匹配文件等。这些服务在高级编程语言库中通常不太常见。以下是一些常用的函数介绍。

2.1 获取磁盘可用空间（7303h）

INT 21h Function 7303h 可用于查找 FAT16 或 FAT32 驱动器的磁盘卷大小和可用磁盘空间。信息会以标准结构 ExtGetDskFreSpcStruc 返回，结构定义如下：

ExtGetDskFreSpcStruc STRUC
    StructSize                WORD  ?
    Level                     WORD  ?
    SectorsPerCluster         DWORD ?
    BytesPerSector            DWORD ?
    AvailableClusters         DWORD ?
    TotalClusters             DWORD ?
    AvailablePhysSectors      DWORD ?
    TotalPhysSectors          DWORD ?
    AvailableAllocationUnits  DWORD ?
    TotalAllocationUnits      DWORD ?
    Rsvd                      DWORD 2 DUP (?)
ExtGetDskFreSpcStruc ENDS

各字段的简要说明如下：
- StructSize ：返回值，表示 ExtGetDskFreSpcStruc 结构的字节大小。
- Level ：输入和返回的级别值，必须初始化为零。
- SectorsPerCluster ：每个簇中的扇区数量。
- BytesPerSector ：每个扇区的字节数。
- AvailableClusters ：可用簇的数量。
- TotalClusters ：卷上的总簇数。
- AvailablePhysSectors ：卷上可用的物理扇区数量，不考虑压缩。
- TotalPhysSectors ：卷上的总物理扇区数量，不考虑压缩。
- AvailableAllocationUnits ：卷上可用的分配单元数量，不考虑压缩。
- TotalAllocationUnits ：卷上的总分配单元数量，不考虑压缩。
- Rsvd ：保留成员。

调用该函数时，需要以下输入参数：
- AX 必须等于 7303h 。
- ES:DI 必须指向一个 ExtGetDskFreSpcStruc 变量。
- CX 必须包含 ExtGetDskFreSpcStruc 变量的大小。
- DS:DX 必须指向一个以空字符结尾的字符串，包含驱动器名称。可以使用 MS-DOS 类型的驱动器规范（如 “C:\”），也可以使用通用命名约定的卷规范（如 “\Server\Share”）。

如果函数执行成功，会清除进位标志并填充结构；否则，会设置进位标志。调用函数后，以下计算可能会有用：
- 要计算卷的大小（以千字节为单位），使用公式 (TotalClusters * SectorsPerCluster * BytesPerSector) / 1024 。
- 要计算卷上的可用空间（以千字节为单位），使用公式 (AvailableClusters * SectorsPerCluster * BytesPerSector) / 1024 。

以下是一个使用 INT 21h Function 7303h 获取 FAT 类型驱动器卷可用空间信息的程序示例：

; Disk Free Space 
(DiskSpc.asm)
INCLUDE Irvine16.inc
.data
buffer ExtGetDskFreSpcStruc <>
driveName BYTE "C:\",0
str1 BYTE "Volume size (KB): ",0
str2 BYTE "Free space (KB): ",0
str3 BYTE "Function call failed.",0dh,0ah,0
.code
main PROC
mov
ax,@data
mov
ds,ax
mov
es,ax
mov
buffer.Level,0
; must be zero
mov
di,OFFSET buffer
; ES:DI points to buffer
mov
cx,SIZEOF buffer
; buffer size
mov
dx,OFFSET DriveName
; ptr to drive name
mov
ax,7303h
; get disk free space
int
21h
jc
error
; failed if CF = 1
mov
dx,OFFSET str1
; volume size
call
WriteString
call
CalcVolumeSize
call
WriteDec
call
Crlf
mov
dx,OFFSET str2
; free space
call
WriteString
call
CalcVolumeFree
call
WriteDec
call
Crlf
jmp
quit
error:
mov
dx,OFFSET str3
call
WriteString
quit:
exit
main ENDP
;------------------------------------------------------------
CalcVolumeSize PROC
;
; Calculate and return the disk volume size, in kilobytes.
; Receives: buffer variable, a ExtGetDskFreSpcStruc structure
; Returns:  EAX = volume size
; Remarks:  (SectorsPerCluster * 512 * TotalClusters) / 1024
;------------------------------------------------------------
mov
eax,buffer.SectorsPerCluster
shl
eax,9
; mult by 512
mul
buffer.TotalClusters
mov
ebx,1024
div
ebx
; return kilobytes
ret
CalcVolumeSize ENDP
;------------------------------------------------------------
CalcVolumeFree PROC
;
; Calculate and return the number of available kilobytes 
; on the given volume.
; Receives: buffer variable, a ExtGetDskFreSpcStruc structure
; Returns:  EAX = available space, in kilobytes
; Remarks: (SectorsPerCluster * 512 * AvailableClusters) / 1024
;-------------------------------------------------------------
mov
eax,buffer.SectorsPerCluster
shl
eax,9
; mult by 512
mul
buffer.AvailableClusters
mov
ebx,1024
div
ebx
; return kilobytes
ret
CalcVolumeFree ENDP
END main

2.2 创建子目录（39h）

INT 21h Function 39h 用于创建新的子目录。它接收一个指向以空字符结尾的字符串的指针，该字符串包含路径规范。以下是一个创建名为 ASM 的子目录的示例：

.data
pathname BYTE "\ASM",0
.code
mov
ah,39h
; create subdirectory
mov
dx,OFFSET pathname
int
21h
jc
display_error

如果函数失败，进位标志会被设置，可能的错误返回代码为 3 和 5。错误 3 表示路径中某些部分不存在，错误 5 表示提议的子目录已存在或路径中的第一个目录是根目录且已满。

2.3 删除子目录（3Ah）

INT 21h Function 3Ah 用于删除目录。它接收一个指向所需驱动器和路径的指针。如果省略驱动器名称，则假定为默认驱动器。以下是删除 C:\ASM 目录的示例：

.data
pathname  BYTE 'C:\ASM',0
.code
mov
ah,3Ah 
; remove subdirectory
mov
dx,OFFSET pathname
int
21h
jc
display_error

如果函数失败，进位标志会被设置，可能的错误代码为 3（路径未找到）、5（访问被拒绝：目录包含文件）、6（无效句柄）和 16（尝试删除当前目录）。

2.4 设置当前目录（3Bh）

INT 21h Function 3Bh 用于设置当前目录。它接收一个指向以空字符结尾的字符串的指针，该字符串包含目标驱动器和路径。以下是将当前目录设置为 C:\ASM\PROGS 的示例：

.data
pathname  BYTE "C:\ASM\PROGS",0
.code
mov
ah,3Bh
; set current directory
mov
dx,OFFSET pathname
int
21h
jc
display_error

2.5 获取当前目录（47h）

INT 21h Function 47h 用于返回包含当前目录的字符串。它接收一个驱动器编号（ DL ）和一个指向 64 字节缓冲区的指针（ DS:SI ）。MS-DOS 会在该缓冲区中放置一个以空字符结尾的字符串，包含从根目录到当前目录的完整路径名（省略驱动器字母和前导反斜杠）。以下是获取默认驱动器当前目录路径的示例：

.data
pathname  BYTE 64 dup(0)  
; path stored here by MS-DOS
.code
mov
ah,47h
; get current directory path
mov
dl,0
; on default drive
mov
si,OFFSET pathname     
int
21h
jc
display_error

如果函数返回时进位标志被设置， AX 中唯一可能的错误返回代码为 0Fh （无效驱动器规范）。

2.6 获取和设置文件属性（7143h）

INT 21h Function 7143h 用于检索或设置文件属性等任务。在 Windows 9x 中，它取代了旧的 MS-DOS INT 21h Function 39 。将文件名的偏移量传递给 DX 。要设置文件属性，将 BL 赋值为 1，并将 CX 设置为表 15 - 8 中列出的一个或多个属性。 _A_NORMAL 属性必须单独使用，其他属性可以使用 + 运算符组合。

以下是将文件属性设置为只读和隐藏的代码示例：

mov
ax,7143h
mov
bl,1
mov cx,_A_HIDDEN + _A_RDONLY
mov
dx,OFFSET filename
int
21h

要获取文件的当前属性，将 BX 设置为 0 并调用相同的函数。属性值会以 2 的幂的组合形式返回在 CX 中。可以使用 TEST 指令评估单个属性。例如：

test cx,_A_RDONLY
jnz
readOnlyFile
; file is read-only

文件属性的含义如下表所示：
| 值 | 含义 |
| ---- | ---- |
| _A_NORMAL (0000h) | 文件可以读写，此值仅单独使用时有效。 |
| _A_RDONLY (0001h) | 文件只能读，不能写。 |
| _A_HIDDEN (0002h) | 文件隐藏，在普通目录列表中不显示。 |
| _A_SYSTEM (0004h) | 文件是操作系统的一部分或由其专用。 |
| _A_ARCH (0020h) | 文件是存档文件，应用程序使用此值标记文件以进行备份或删除。 |

2.7 系统级文件函数总结

以下是部分 INT 21h 磁盘服务的总结表格：
| 函数编号 | 函数名称 |
| ---- | ---- |
| 0Eh | Set default drive |
| 19h | Get default drive |
| 7303h | Get disk free space |
| 39h | Create subdirectory |
| 3Ah | Remove subdirectory |
| 3Bh | Set current directory |
| 41h | Delete file |
| 43h | Get/set file attribute |
| 47h | Get current directory path |
| 4Eh | Find first matching file |
| 4Fh | Find next matching file |
| 56h | Rename file |
| 57h | Get/set file date and time |
| 59h | Get extended error information |

2.8 系统级文件函数操作流程

下面是一个简单的 mermaid 流程图，展示了使用 INT 21h 函数进行文件和目录操作的基本流程：

graph TD;
    A[开始] --> B{选择操作};
    B -->|获取磁盘可用空间| C[设置参数: AX=7303h, ES:DI指向结构, CX为结构大小, DS:DX指向驱动器名];
    C --> D[调用INT 21h];
    D --> E{操作成功?};
    E -->|是| F[计算并显示结果];
    E -->|否| G[显示错误信息];
    B -->|创建子目录| H[设置参数: AH=39h, DS:DX指向路径];
    H --> I[调用INT 21h];
    I --> J{操作成功?};
    J -->|是| K[子目录创建成功];
    J -->|否| L[根据错误代码处理];
    B -->|其他操作| M[按对应操作设置参数并调用INT 21h];
    M --> N{操作成功?};
    N -->|是| O[操作完成];
    N -->|否| P[显示错误信息];
    F --> Q[结束];
    G --> Q;
    K --> Q;
    L --> Q;
    O --> Q;
    P --> Q;

通过以上内容，我们对磁盘扇区的读写和系统级文件函数有了更深入的了解。这些操作在磁盘管理和文件操作中起着至关重要的作用。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的函数和方法，并注意错误处理，以确保操作的正确性和稳定性。

3. 磁盘与文件系统基础概念

3.1 磁盘物理结构

磁盘表面被格式化为同心带，称为磁道，数据以磁性方式存储在磁道上。平均寻道时间衡量从一个磁道移动到另一个磁道所花费的平均时间。磁盘性能可以通过每分钟转数（RPM）和数据传输速率（每秒从驱动器传输的数据量）来衡量。

柱面是指从读写头的单个位置可访问的所有磁道。随着时间的推移，文件在磁盘上变得更加分散，就会出现碎片化，不再存储在相邻的柱面上。

扇区是磁道的 512 字节部分。物理扇区由制造商使用所谓的低级格式化在磁盘上以磁性方式（不可见地）标记。

3.2 磁盘分区与逻辑结构

物理磁盘几何结构描述了磁盘的结构，以便系统 BIOS 能够读取。单个物理硬盘被划分为一个或多个逻辑单元，称为分区或卷。一个驱动器可能有多个分区，扩展分区可以再细分为无限数量的逻辑分区。每个逻辑分区显示为一个单独的驱动器字母，并且可能具有与其他分区不同的文件系统。主分区可以各自容纳一个可引导的操作系统。

主引导记录（MBR）在硬盘上创建第一个分区时创建，位于驱动器的第一个逻辑扇区。MBR 包含以下内容：
- 磁盘分区表，描述磁盘上所有分区的大小和位置。
- 一个小程序，用于定位分区的引导扇区，并将控制权转移到引导扇区中的程序，该程序进而加载操作系统。

3.3 文件系统

文件系统用于跟踪每个磁盘文件的位置、大小和属性。它提供了逻辑扇区到簇（所有文件和目录的基本存储单元）的映射，以及文件名和目录名到簇序列的映射。

簇是文件使用的最小空间单位，由一个或多个相邻的磁盘扇区组成。文件分配表（FAT）引用了一系列簇，该表跟踪文件使用的所有簇。

IA - 32 系统中使用的文件系统包括：
| 文件系统 | 简介 |
| ---- | ---- |
| FAT12 | 最早用于 IBM - PC 软盘。 |
| FAT16 | 是 MS - DOS 下格式化硬盘的唯一可用格式。 |
| FAT32 | 随 Windows 95 引入，并在 Windows 98 下得到改进。 |
| NTFS | 由 Windows NT、2000、XP 及更高版本支持。 |

每个 FAT 类型和 NTFS 文件系统的磁盘都有一个根目录，它是磁盘上文件的主要列表。根目录还可能包含其他目录（称为子目录）的名称。

MS - DOS 和 Windows 使用文件分配表（FAT）来跟踪每个文件在磁盘上的位置。FAT 将特定的磁盘簇映射到文件，每个条目对应一个簇号，每个簇与一个或多个扇区相关联。

4. 编程练习

以下练习必须在实地址模式下编译和运行。在测试这些程序时，务必对受影响的磁盘进行备份，或者创建一个临时磁盘。在仔细调试之前，切勿在固定磁盘上运行这些程序！

4.1 设置默认磁盘驱动器

编写一个过程，提示用户输入磁盘驱动器字母（A、B、C 或 D），然后将默认驱动器设置为用户选择的驱动器。

4.2 获取磁盘总数据空间

编写一个名为 Get_DiskSize 的过程，返回所选磁盘驱动器上的总数据空间量。输入： AL = 驱动器编号（0 = A，1 = B，2 = C，…）。输出： DX:AX = 数据空间，以字节为单位。

4.3 获取磁盘可用空间

编写一个名为 Get_DiskFreespace 的过程，返回所选磁盘驱动器上的可用空间量。输入： DS:DX 指向包含驱动器指定符的字符串。输出： EDX:EAX = 磁盘可用空间，以字节为单位。编写一个程序来测试该过程，并以十六进制显示 64 位结果。

4.4 显示文件属性

编写一个名为 ShowFileAttributes 的过程，接收文件名的偏移量（ DX ），并在控制台窗口中显示文件的属性。要查找的属性包括正常、隐藏、只读和系统。提示：使用 INT 21h Function 7143h 。

编写一个程序调用 ShowFileAttributes ，并传递文件名。在运行程序之前，通过在 Windows 资源管理器中右键单击文件名，选择“属性”，并选中“隐藏”和“只读”选项来设置文件属性。或者，可以从 Windows 命令提示符运行 Attrib 命令。运行程序并验证属性显示是否正确。示例输出：

temp.txt attributes: Hidden Read - only

4.5 修改磁盘可用空间程序

修改前面提到的磁盘可用空间程序，使其显示以下信息：

Drive specification:
"C:\"
Bytes per sector:
512
Sectors per cluster:
8
Total Number of clusters:
999999
Number of available clusters:
99999

4.6 显示扇区编号

以扇区显示程序为起点，在屏幕顶部显示一个字符串，指示驱动器指定符和当前扇区编号（以十六进制表示）。

4.7 十六进制扇区显示

以扇区显示程序为起点，添加代码，让用户按 F2 以十六进制显示当前扇区，每行显示 24 个字节。每行第一个字节的偏移量应显示在该行的开头。显示将为 22 行高，最后有部分行。以下是前两行的示例，展示布局：

0000 17311625 25425B75 279A4909 200D0655 D7303825 4B6F9234
0018 273A4655 25324B55 273A4959 293D4655 A732298C FF2323DB

4.8 编程练习操作流程

下面是一个 mermaid 流程图，展示了完成编程练习的基本流程：

graph TD;
    A[选择练习题目] --> B{是否需要输入参数};
    B -->|是| C[设置输入参数];
    B -->|否| D[直接开始编写代码];
    C --> D;
    D --> E[编写代码实现功能];
    E --> F[编译代码];
    F --> G{编译是否成功};
    G -->|是| H[运行程序];
    G -->|否| I[调试代码];
    I --> E;
    H --> J{运行结果是否正确};
    J -->|是| K[完成练习];
    J -->|否| I;

通过以上对磁盘扇区读写、系统级文件函数、磁盘与文件系统基础概念以及编程练习的介绍，我们对磁盘和文件操作有了全面而深入的了解。在实际应用中，可以根据这些知识进行磁盘管理、文件操作等编程任务，同时要注意遵循安全和调试原则，确保程序的正确性和稳定性。