经典FAT文件系统格式详解
FAT/FAT32曾经是windows下主流文件格式，虽然FAT已经这么多年了，也见识到一些缺点，但熟悉FAT，还是对文件系统认识有很大帮助。
一般来说，需要具备一些前期知识：
1. 文件存在flash或硬盘里，还是一个个字节进行存储的，存储介子本身不负责具体内容。如果要对硬盘的数据进行识别，必须需要一定格式，还需要一个驱动程序进行识别。
2. 文件格式最主要作用：格式化管理，快速查找文件
还有几个知识点：
扇区：一般为512，最小分割单位，但不是最小管理单位。
簇：管理最小单位，一般是由多个扇区组成，有2、4、8、16、32或64几种情况。如果=16，即8K=16*512，也就是说一个文件最小也得占8K空间
DBR及保留扇区（FAT16不存在）、文件分配表区（FAT1、FAT2）、数据区（DATA区）。
反过来说，一个文件至少占一族，或多簇。最后一簇往往是未存满的，这样肯定会带来空间的浪费。（但也没太好办法，毕竟是要快速查找文件的）
当然，这个可以根据实际情况来设定，毕竟应用场景不一样。
FAT16的根目录区只有32个扇区，计算一下，每个扇区512字节，共32个扇区，而每个文件名至少要占用32个字节（后面会介绍），很显然，根目录最多只能放512个文件了。
FAT16 这里存在致命缺陷的：
例如：我们的文件是存在根目录的，那么最多也只能存放512个文件（假设文件名又很长的话，这个数量就更小了）
FAT32对这方面进行了优化，可以支持更多的文件数量，但格式变得复杂了，查找时也是先从前面扇区往后跳（会根据目录最后指向下一个扇区地址），所以时间上也浪费很多，搜索起来非常慢
FAT大体格式：
这里：FAT表有两个，一般FAT2为镜像。FAT表非常重要，一般如果文件名乱码，或一下子消失了，往往是FAT表坏掉了。
MBR： Main Boot Record 主引导记录区
DBR：Dos Boot Record 操作系统引导记录区
以下，是我对FAT16格式注解：
FAT格式：（FAT16）
FAT32格式：
FAT表格式：
FAT表之后就是目录区：
目录区是由一个个目录项构成，类似于FAT表。其中每一个目录项占用32个字节，可以是代表长文件名目录项、文件目录项、子目录项等。对于短文件名格式的目录项，其参数的含义如表1所示(不会画这种表，从别处引用了一个)[1]：
通过这些信息，也基本知道文件信息，比如创建信息，修改信息等
也可以看到有两个限制：
1. 文件名的长度为8字节，那长一点文件名怎么办？
2.扩展名为3字节，这个虽然是限制，但实际还可以接受。
其实，这个历史原因导致的，原先Dos系统下就根本没考虑中文这种场景（现在windows系统都是基于DOS发展起来）
那长一点文件名怎么办？
先看下FAT32对长文件名的处理：
| 表15 FAT32长文件目录项32个字节的表示定义 |
||||
| 字节偏移 |
字节数 |
定义 |
||
| 0x0 |
1 |
属性字节位意义 |
7 |
保留未用 |
| 6 |
1表示长文件最后一个目录项 |
|||
| 5 |
保留未用 |
|||
| 4 |
顺序号数值 |
|||
| 3 |
||||
| 2 |
||||
| 1 |
||||
| 0 |
||||
| 0x1~0xA |
10 |
长文件名unicode码① |
||
| 0xB |
1 |
长文件名目录项标志，取值0FH |
||
| 0xC |
1 |
系统保留 |
||
| 0xD |
1 |
校验值(根据短文件名计算得出) |
||
| 0xE~0x19 |
12 |
长文件名unicode码② |
||
| 0x1A~0x1B |
2 |
文件起始簇号(目前常置0) |
||
| 0x1C~0x1F |
4 |
长文件名unicode码③ |
||
- 0x00~0x00：1 个字节，长文件名目录项的序列号，一个文件的第一个目录项序列号为 1，然后依次递增。如果是该文件的最后一个长文件名目录项，则将该目录项的序号与 0x40 进行“或（OR）运算”的结果写入该位置。如果该长文件名目录项对应的文件或子目录被删除，则将该字节设置成删除标志0xE5。
- 0x01~0x0A：10 个字节，长文件名的第 1~5 个字符。长文件名使用 Unicode 码，每个字符需要两个字节的空间。如果文件名结束但还有未使用的字节，则会在文件名后先填充两个字节的“00”，然后开始使用 0xFF 填充。
- 0x0B~0x0B：1 个字节，长目录项的属性标志，一定是 0x0F。
- 0x0C~0x0C：保留。
- 0x0D~0x0D：1 个字节，校验和。如果一个文件的长文件名需要几个长文件名目录项进行存储，则这些长文件名目录项具有相同的校验和。
- 0x0E~0x19：12 个字节，文件名的第 6~11 个字符，未使用的字节用 0xFF 填充。
- 0x1A~0x1B：2 个字节，保留。
- 0x1C~0x1F：4 个字节，文件名的第 12~13 个字符，未使用的字节用 0xFF 填充。
总共这个也是32字节（跟短文件名一致），那么如何区别？关键看0B位置，如果是=0F，那么就是长文件名。
长文件名的实现有赖于目录项偏移为0xB的属性字节，当此字节的属性为：只读、隐藏、系统、卷标，即其值为0FH时，DOS和WIN32会认为其不合法而忽略其存在。这正是长文件名存在的依据。
长文件名中的字符采用unicode形式编码(一个巨大的进步哦)，每个字符占据2字节的空间。
从上表中可以获得文件名长度：0x01~0x0A：10字节； + 0x0E~0x19 12字节； + 0x1C~0x1F 4字节；
总共26字节，即13个字符！（被拆七零八落，有点可怜）
那么怎么表达一个长文件名呢？从以上两个表来看，都无法做到兼容
解决办法：短文件名（32）+长文件名（32）....
规则：
(1)、取长文件名的前6个字符（第1个字符改成0x01）加上"~1"形成短文件名，扩展名不变。（放在第1组32字节）
(2)、如果已存在这个文件名，则符号"~"后的数字递增，直到5。（如果是看二进制是可以看到这些奇怪的名称，有时候在文件fat表破坏掉之后也会出来~1这样的奇怪文件）
(3)、如果文件名中"~"后面的数字达到5，则短文件名只使用长文件名的前两个字母。通过数学操纵长文件名的剩余字母生成短文件名的后四个字母，然后加后缀"~1"直到最后(如果有必要，或是其他数字以避免重复的文件名)。
(4)、如果存在老OS或程序无法读取的字符，换以"_"
(5)、从第2组32字节开始，以13字节为一组，分别表示的文件名。如果存在多组，则以倒叙的办法表示，前面的是文件名末尾部分。
有点懵，举个例子说明下更清晰：
假设一个文件，文件名为 ZHUANCHU-12345678-20190910H095830.bin
文件名实际长度=33，那么/13，需要三组长文件名来表示。
| 3组 | H095830 不足部分用FF替代 |
| 2组 | 5678-20190910 |
| 1组 | ZHUANCHU-1234 |
这个格式参考上面的 《长文件名格式》
那么FAT格式文件名大概是这样的：
其中0F表示长文件名的标志。
96表示短文件名校验值（三组都一样）
红色框起来的是文件名的分组。根据长文件名格式定义，被拆分成不同地方。
好了。我们再回到文章前面的，计算下，如果我们的文件名大概都是这样的：“ZHUANCHU-12345678-20190910H095830.bin”，只是数字不一样
那么FAT根目录下最多可以存放多少个这样的文件？（假设全部文件容量要大大小于存储空间）
一个文件名占 3长+1短，共4个坑。总共512个坑，那最多只能放128这样的文件！
这也是，为什么我们存储空间是够的，但存储是失败的原因~~
so，根目录的文件名可不是随意的，建议小于8字节最佳！（这样只要一组短文件名就可以了）~~
搞定了文件名的含义，我们再来看看文件内容存放（实际就是关注起始地址）
文件起始地址
文件起始地址（文件内容） = (保留扇区数 + FAT表扇区数 * FAT表个数(2) + (文件起始簇号-2)*每簇扇区数)*每扇区字节数
文件起始簇号：（在短文件名里）高在前
实际计算：感觉文件起始簇号不用-2，OK？
例如下列文件 实验1：
数据区偏移地址：ADDR=（8+256*2+（0x09C3 – 2）*16）* 512= 20,721,664=0x013C3000
根目录有 32*512=0x4000 （固定32个扇区表示目录，内容区）
实际地址=0x013C3000+0x4000=0x013C7000
实验2：
假设 rec/文件夹有一个文件为：888888.txt 里面内容为 “jjw”
来分析下，子文件/rec下一个888888.txt文件（实际跟放在哪里没有关系）
数据区偏移地址：ADDR=（8+256*2+（0x09C4 – 2）*16）* 512= 20,729,856= 0x013C5000
实际地址=0x013C5000+0x4000=0x013C9000
再来说下，时间信息格式：
日期时间，可以表示创建信息，修改信息，访问信息
格式都一样，这里以创建信息举例：
| 0x0E~0x0F |
文件创建时间 |
0x785C = (0111100001011100)(2进制) 即为 15:02:57(注释1) |
| 0x10~0x11 |
文件创建日期 |
0x4508 = (0100010100001000)(2进制) 即为 2014/8/8(注释2) |
注释1：01111 000010 11100
1)这里高5位代表小时，由于2^5 = 32，足够表示24小时，这边01111(2进制) = 15(10进制)；
2)次6位代表分钟，同理2^6 = 64，足够表示60分钟，这边000010(2进制) = 2；
3)低5位表示秒的1/2， 计算结果需要加上毫秒位上的进位，这边11100(2进制) = 28(10进制)，所以秒数 = 28*2 = 56，再加上毫秒上的进位1所以结果为57。
注释2：0100010 1000 01000
1)这里高7位代表从1980年开始的年数，笔者计算了下可以到2108年，总之还有90多年可以使用，这边0100010(2进制) = 34，所以年份 = 1980+34 = 2014；
2)次4位代表月份，2^4=16，可以表示12个月份，这边 1000(2进制) = 8(10进制)；
3)低5位代表日期，2^5 = 32，可以表示28~31天，这边 01000(2进制) = 8(10进制)。
这些信息，都蛮奇怪了。不过经常接触嵌入式，也就不奇怪了。