一、声明
1、本文来源和主旨
2、本文测试环境
二、SD卡FAT文件系统
1、SD卡FAT32文件系统的整体布局
2、FAT文件系统简介
① 文件分配表
② 目录项
三、DBR(DOS BOOT RECORD,DOS引导记录)
1、DBR与BPB
① DBR
② BPB
2、DBR实例测试
3、DBR参数计算
四、FSINFO分区
五、文件分区FAT表
1、FAT表
2、FAT表例
六、数据区
1、目录项定义
<1> 短文件目录项的具体定义
<2> 长文件目录项的具体定义
2、目录项举例
<1> 短目录项举例
<2> 长目录项举例
一、声明
1、本文来源和主旨
本文几乎全部内容来自于SD卡中FAT32文件格式快速入门(图文详细介绍),这篇文章的理论阐释很到位,实验编排也不错。本文所做的工作就是将这篇文章中讲解的实验从头到尾做一遍。另外本文对于原文的编排有所调整,希望达到更加合理的布局。
2、本文测试环境
测试硬件:2G金士顿SD卡(格式化)
操作系统:"Windows XP"
测试软件:WinHex
二、SD卡FAT文件系统
1、SD卡FAT32文件系统的整体布局
本SD卡的FAT32文件系统无MBR分区,只有一个基本分区,而基本分区的分布图如下图所示:
从WinHex中查看
2、FAT文件系统简介
FAT(File Allocation Table,文件分配表)文件系统是windows操作系统所使用的一种文件系统,它的发展过程经历了FAT12、FAT16、FAT32三个阶段。FAT文件系统用“簇”作为数据单元。一个“簇”由一组连续的扇区组成,簇所含的扇区数必须是2的整数次幂。簇的最大值为64个扇区,即32KB。所有簇从2开始进行编号,每个簇都有一个自己的地址编号。用户文件和目录都存储在簇中。 本文每簇4KB大小。
FAT文件系统的数据结构中有两个重要的结构:文件分配表和目录项:
① 文件分配表
文件和文件夹内容储存在簇中,如果一个文件或文件夹需要多余一个簇的空间,则用FAT表来描述,如何找到另外的簇。FAT结构用于指出文件的下一个簇,同时也说明了簇的分配状态。FAT12、FAT16、FAT32这三种文件系统之间的主要区别在与FAT项的大小不同。
② 目录项
FAT文件系统的每一个文件和文件夹都被分配到一个目录项,目录项中记录着文件名、大小、文件内容起始地址以及其他一些元数据。
在FAT文件系统中,文件系统的数据记录在“引导扇区中(DBR)”中。引导扇区位于整个文件系统的0号扇区,是文件系统隐藏区域(也称为保留区)的一部分,我们称其为DBR(DOS Boot Recorder——DOS引导记录)扇区,DBR中记录着文件系统的起始位置、大小、FAT表个数及大小等相关信息。
在FAT文件系统中,同时使用“扇区地址”和“簇地址”两种地址管理方式。这是因为只有存储用户数据的数据区使用簇进行管理(FAT12和FAT16的根目录除外),所有簇都位于数据区。其他文件系统管理数据区域是不以簇进行管理的,这部分区域使用扇区地址进行管理。文件系统的起始扇区为0号扇区。
三、DBR(DOS BOOT RECORD,DOS引导记录)
1、DBR与BPB
① DBR
DBR(DOS Boot Recorder——DOS引导记录)扇区,DBR中记录着文件系统的起始位置、大小、FAT表个数及大小等相关信息。
② BPB
BPB(BIOS Parameter Block)表,描述逻辑盘结构组成,包含隐藏扇区数目(从0-1-1开始计算)、FAT扇区数、FAT拷贝数、硬盘磁头总数、根目录表项最大值等。
FAT32文件系统的扩展BPB区位于DBR内,从地址0x00B~0x052都是BPB的范围。
2、DBR实例测试
格式化SD卡,用WinHex打开SD卡,内容如下:
【1】0x00~0x02:3字节,"EB5890",跳转指令。
【2】0x03~0x0A:8字节,文件系统标志和版本号,这里为MSDOS5.0。
【3】0x0B~0x0C:2字节,每扇区字节数,512(0X02 00)。
【4】0x0D~0x0D:1字节,每簇扇区数,8(0x08),这个值不能为0,而且必须是2的整数次方,比如1、2、4、8、16、32、64、128。
【5】0x0E~0x0F:2字节,保留扇区数,38(0x00 26),那么就知道FAT1起始位置在38扇区。
【6】0x10~0x10:1字节,FAT表个数为2,另外一个是备份的。
【7】0x11~0x12:2字节,FAT32必须等于0,FAT12/FAT16为根目录中目录的个数;
【8】0x13~0x14:2字节,FAT32必须等于0,FAT12/FAT16为扇区总数。
【9】0x15~0x15:1字节,哪种存储介质,0xF8标准值,可移动存储介质。
【10】0x16~0x17:2字节,FAT32必须为0,FAT12/FAT16为一个FAT表所占的扇区数。
【11】0x18~0x19:2字节,每磁道扇区数,只对于有“特殊形状”(由磁头和柱面每 分割为若干磁道)的存储介质有效,63(0x003F)。
【12】0x1A~0x1B:2字节,磁头数,只对特殊的介质才有效,255(0x00 FF)。
【13】0x1C~0x1F:4字节,EBR分区之前所隐藏的扇区数,0(0x00 00 00 00)。
【14】0x20~0x23:4字节,此文件系统分区的总扇区数,3887104(0x 00 3B 50 00),3887104 * 512 = 1990197248 ≈ 1.9GB。
【15】0x24~0x27:4字节,每个FAT表占用扇区数,3789(0x 00 00 0E CD)。
【16】0x28~0x29:2字节,标记,此域FAT32 特有。
【17】0x2A~0x2B:2字节,FAT32版本号0.0,FAT32特有。
【18】0x2C~0x2F:4字节,根目录所在第一个簇的簇号,2。(虽然在FAT32文件系统 下,根目录可以存放在数据区的任何位置,但是通常情况下还是起始于2号簇)。
【19】0x30~0x31:2字节,FSINFO(文件系统信息扇区)扇区号是1,该扇区为操作系统提供关于空簇总数及下一可用簇的信息。
【20】0x32~0x33:2字节,备份引导扇区的位置。备份引导扇区总是位于文件系统的6号扇区。
【21】0x34~0x3F:12字节,用于以后FAT 扩展使用。
【22】0x40~0x40:1字节,与FAT12/16 的定义相同,只不过两者位于启动扇区不同的位置而已。
【23】0x41~0x41:1字节,与FAT12/16 的定义相同,只不过两者位于启动扇区不同的位置而已 。
【24】0x42~0x42:1字节,扩展引导标志,0x29。与FAT12/16 的定义相同,只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
【25】0x43~0x46:4字节,卷序列号。通常为一个随机值。
【26】0x47~0x51:11字节,卷标(ASCII码),如果建立文件系统的时候指定了卷标,会保存在此。
【27】0x52~0x59:8字节,文件系统格式的ASCII码,FAT32。
★【28】0x5A~0x1FD:90~509共410字节,引导代码。
【29】0x1FE~0x1FF:签名标志“55 AA”。
★说明:引导代码
FAT文件系统将引导代码与文件形同数据结构融合在一起,FAT32文件系统引导扇区的512字节中,90~509字节为引导代码,而FAT12/16则是62~509字节为引导代码。同时,FAT32还可以利用引导扇区后的扇区空间存放附加的引导代码。一个FAT卷即使不是可引导文件文件系统,也会存在引导代码。
3、DBR参数计算
由以上信息我们知道:
扇区大小:512 Bytes
簇大小:8 Sector = 2048 Bytes
保留扇区数:38 Sector
FAT表占用扇区数:3789 Sector
所以可以得知:
(1)FAT1地址
= 38 * 512 = 19456 = 0x4C00
(2) FAT2地址
= (38 + 3789)*512 = 1959424 = 0x1DE600
(3) 根目录地址
= (38 + 3789 * 2)* 512 = 3899392 = 0x3B8000
(4) FAT表占据扇区数
= 簇总数 * 4 Bytes/ 扇区占据字节数
= (数据区扇区数/每簇占据扇区数)* 4 / 512
= ( 3879488 / 8 ) * 4 / 512
= 3788.5625
FAT表占据扇区数取整数为3789Sector。
四、FSINFO分区
FAT32在保留区中增加了一个FSINFO扇区,用以记录文件系统中空闲簇的数量以及下一可用簇的簇号等信息,以供操作系统作为参考。FSINFO信息扇区一般位于文件系统的1号扇区,结构非常简单。
【1】0x200~0x203: 4个字节,扩展引导标志“0x52526141”。
【2】0x204~0x3E3:480个字节,未使用,全部置0。
【3】0x3E4~0x3E7: 4个字节,FSINFO签名“0x72724161”。
【4】0x3E8~0x3EB: 4个字节,文件系统的空簇数,484934(0x00 07 66 46)。
【5】0x3EC~0x3EF: 4个字节,下一可用簇号(0x 00 00 00 04)。
【6】0x3F0~0x3FD: 14个字节,未使用。
【7】0x3FE~0x3FF: 2个字节,“55 AA”标志。
温馨提示:通常情况下,文件系统的2号扇区结尾也会被设置“55 AA”标志。6号扇区会有一个引导扇区的备份,7号扇区是一个FSINFO信息备份扇区,8号扇区可以看做是2号扇区的备份。
五、文件分区FAT表
文件系统分配磁盘空间按簇来分配。因此,文件占有磁盘空间时,基本单位不是字节而是簇,即使某个文件只有一个字节,操作系统也会给它分配一个最小单元:即一个簇。对于大文件,需要分配多个簇。同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘中一个连续地区域内,而往往会分若干段,像链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。为了实现文件的链式存储,文件系统必须准确地记录哪些簇已经被文件占用,还必须为每个已经占用的簇指明存储后继的下一个簇的簇号,对于文件的最后一簇,则要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的,FAT 表对应表项中记录着它所代表的簇的有关信息:诸如是空,是不是坏簇,是否是已经是某个文件的尾簇等。
1、FAT表
FAT表中的表项也是以4字节为单位进行划分,对FAT表由0进行逻辑编号。0号地址与1号地址被系统保留并存储特殊标志内容。从2号地址开始,每个地址对应于数据区的簇号,FAT表中的地址编号与数据区中的簇号一一对应。我们称FAT表中的这些单元为FAT表项,FAT表项中记录的值称为FAT表项值。
FAT32中把簇是以32bit(4个字节)进行编码,而这种编码是逻辑编码,与物理地址也有一定的对应关系。FAT表紧接着的是有效数据区,从此区开始从2进行簇标号。也就是说从物理地址0x3B8000(7616扇区)位置处,从2开始,以4KB (8*512)为跨度进行簇编号。
当文件系统被创建,也就是进行格式化操作时,分配给FAT区域的空间将会被清空,在FAT1与FAT2的0号表项与1号表项写入特定值。由于创建文件系统的同时也会创建根目录,也就是为根目录分配了一个簇空间,通常为2号簇,与之对应的2号FAT表项被写入一个结束标记。
说明:
① 由于簇号起始于2号,所以FAT表项的0号表项与1号表项不与任何簇对应。FAT32的0号表项值总是“F8FFFF0F”。
② 1号表项可能被用于记录脏标志,以说明文件系统没有被正常卸载或者磁盘表面存在错误。不过这个值并不重要。正常情况下1号表项的值为“FFFFFFFF”或“FFFFFF0F”。
② 如果某个簇未被分配使用,它对应的FAT表项内容为0;
③ 当某个簇已被分配使用,则它对应的FAT表项内的FAT表项值也就是该文件的下一个存储位置的簇号。如果该文件结束于该簇,则在它的FAT表项中记录的是一个文件结束标记,对于FAT32而言,代表文件结束的FAT表项值为0x0FFFFFFF。
③ 如果某个簇存在坏扇区,则整个簇会用0xFFFFFF7标记为坏簇,这个坏簇标记就记录在它所对应的FAT表项中。
④ 在文件系统中新建文件时,如果新建的文件只占用一个簇,为其分配的簇对应的FAT表项将会写入结束标记。如果新建的文件不只占用一个簇,则在其所占用的每个簇对应的FAT表项中写入为其分配的下一簇的簇号,在最后一个簇对应的FAT表象中写入结束标记。
⑤ 新建目录时,只为其分配一个簇的空间,对应的FAT表项中写入结束标记。当目录增大超出一个簇的大小时,将会在空闲空间中继续为其分配一个簇,并在FAT表中为其建立FAT表链以描述它所占用的簇情况。
2、FAT表例
笔者先对2G金士顿SD卡进行格式化,然后新建一个readme.txt文件,大小8.9KB。
用WinHex打开FAT1区,内容如下
【0号表项】:0x0FFFFFF8;FAT表起始固定标识
【1号表项】:0xFFFFFFFF;不用,默认值
【2号表项】:0x0FFFFFFF;根目录所在簇,由于此时只占用1簇,所以是结束标志
【3号表项】:3号表项为0x00 00 00 04,readme.txt文件的下一簇号在4号表项,查看4号表项。
【4号表项】:4号表项为0x00 00 00 05,readme.txt文件下一簇号在5号表项,查看5号表项。
【5号表项】:5号表项为0x0F FF FF FF,结束符号。说明文件在5号簇时就存储完毕。
分析:readme.txt大小为8.9KB,而每簇大小为4KB,需要占用3个簇,这与存储结果一致。
六、数据区
数据区时真正用于存放用户数据的区域。数据区紧跟在FAT2之后,被划分成一个个的簇。所有的簇从2开始进行编号,也就是说,2号簇的起始位置就是数据区的起始位置。
1、目录项定义
目录所在的扇区,都是以32 Bytes划分为一个单位,每个单位称为一个目录项(Directory Entry),即每个目录项的长度都是32 Bytes 。根目录由若干个目录项组成,一个目录项占用32个字节,可以是长文件名目录项、文件目录项、子目录项等。
<1> 短文件目录项的具体定义
☆ 目录项的第一个字节为“0xE5”,表示该项已被删除。
☆ 目录项的第一个字节为0x2E(“.”),表示当前目录的信息(目录的数据空间也会保存当前目录的目录项信息)
☆ 目录项的前两个字节为“0x2E 0x2E(“. .”),表示上一级目录。
☆ 目录项的第一个字节为"0x00",代表从此位置开始以后的数据空间都没有使用。
注意:
对于目录对应的短目录项,没有文件长度参数,也就是说0x1C-0x1F等于0。那么对于目录,又如何知道它占用空间的大小呢,又如何遍历目录呢?
目录中的目录项是按照从前到后紧密排放,即使文件或者目录删除,也不会删除它们对应的目录项(删除目录项意味着目录项清零),只是将目录项标记为删除(0xE5)。这样目录的数据空间直到遇到第一个空目录项之前,所有的目录项都是非空的。我们可以根据目录项是否非空判断是否到达了目录的目录项尾部。
至于目录的大小,其实已经没有意义了。我们获取目录的大小就是想判断目录的结束位置,而现在第一个空目录项就是目录的结束位置,所以已经没有必要知道目录的大小。当然, 通过遍历目录可以确定目录占用空间的大小,不过没有意义。
<2> 长文件目录项的具体定义
再详细的列出上表中地址0x0处各位段的含义
☆ 长文件名文件目录项的unicode编码:无论是英文字符,还是中文字符都占用2个字节。
☆ 目录项的第一个字节为“0xE5”,表示该项已被删除。
☆ 一个长文件它在目录中的记录可能有几个目录项组成,包含若干个长目录项和一个短目录项
☆ 0xB位段的取值如果是0FH代表是长目录项,反之就是短目录项。
☆ 1个长文件目录项:能记录13个字符,对应26个字节
☆ 顺序是从1开始编号直到13,倘若到了结尾的地方,除了要按照规则的编号还需要将0x0地址的第6位置1。
2、目录项举例
<1> 短目录项举例
格式化SD卡,然后在其中创建一个文件readme.txt和Test子目录,WinHex打开根目录内容如下:
首先看子目录Test的对应目录项:
【1】0x3B8020 - 0x3B8027 目录项名为Test
【2】0x3B802B 10H(0001 0000B),表明为子目录
【3】[0x3B8034 - 0x3B8035,0x3B803A - 0x3B803B] 00 03H,表明Test子目录位于3号簇的位置,在FAT表中为3号表项
【4】0x3B803C - 0x3B803F 0000H,大小为0
readme.txt的对应目录项:
【1】0x3B8040 - 0x3B8047 目录项名为readme
【2】0x3B8048 - 0x3B804A 目录项扩展名为TXT
【3】0x3B804B 20H(0010 0000B),表明为归档文件
【3】[0x3B8054 - 0x3B8055,0x3B805A - 0x3B805B] 00 04H,表明readme.txt位于4号簇的位置,在FAT表中为4号表项
【4】0x3B805C - 0x3B805F 23A7H,大小为9127 Bytes
<2> 长目录项举例
格式化SD卡,然后在其中创建一个文件abcdefghigklmnopqrstuvwxyz.txt,WinHex打开根目录内容如下:
先看看卷标
【1】0x3B8000 - 0x3B8007 目录项名为Huang
【2】0x3B800B 08H(0000 1000B),表明为"卷标"
再看看长文件目录项
【1】003B8020 0x43 表明此长文件包含了3个长目录项,并且当前目录项是它的最后一个长目录项
【2】003B8040 0x02 表明这是长文件的第2个目录项
【3】003B8041 - 003B804A 长文件目录项的unicode的第一部分, 006EH 006FH 0070H 0071H 0072H 代表了nopqr五个字符
【4】003B804B 0x0F 表明是一个长目录项
【5】003B804D 0x27 校验和
【6】003B804E -003B8059 长文件目录项的unicode的第二部分, 0073H 0074H 0075H 0076H 0077H 0078H 代表了stuvwx六个字符
【7】003B805A - 003B805B 起始簇号,目前常置0
【8】003B805C - 003B805F 长文件目录项的unicode的第三部分, 0079H 007AH 代表了yz两个字符
为了记录abcdefghigklmnopqrstuvwxyz.txt,使用了3个长目录项和1个短目录项。至于位于003B8080处的短目录项,就不在说明了。
参考资料:SD卡中FAT32文件格式快速入门(图文详细介绍)
FAT文件系统原理(一)
FAT(维基百科)