FAT32文件系统（一）

        笔者最近在自学FAT32系统及其在嵌入式的应用，将学习笔记整理发布。

        学习过程中主要参考的资料有：

        B站：【纯干货| 超实用！来看Fat32文件系统详细解读——带你一节课掌握FatFS小型文件系统！】https://www.bilibili.com/video/BV1nt4y1x7sx?vd_source=570424ca062fd6ac3ad8245c3d242c68

        于振南著：《嵌入式FAT32文件系统设计与实现——基于振南znFAT》

        文件系统就是一种在磁盘上管理文件的方法，想了解文件系统，首先需要简要了解一下磁盘的工作原理。

一 磁盘的工作原理

        此部分不做深入讨论，简单介绍下磁盘的工作原理，为后面介绍文件系统的内容做个铺垫。

        磁盘的工作原理主要参考知乎上这篇文章（磁盘原理介绍 - 知乎 (zhihu.com)）。

        硬盘结构的示意图如下图所示：

        磁头（head）：主要就是读取磁盘表面磁方向和改变其方向，每个盘面有一个磁头，它极其贴近地悬浮在盘面上，但是绝对不与盘面接触，否则会损坏磁头和盘面；

        磁道（track）：磁道是单个盘面上的同心圆，当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道，一个盘面上的磁道可以有成千上万个。相邻磁道之间并不是紧挨着的，这是因为磁化单元相隔太近时磁性会产生相互影响，同时也为磁头的读写带来困难。

        柱面（cylinder）：在有多个盘片构成的盘组中，由不同盘片的面，但处于同一半径圆的多个磁道组成的一个圆柱面。

        扇区（sector）：磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是硬盘的扇区（Sector）。硬盘的第一个扇区，叫做引导扇区。扇区是被间隙（gap）分割的圆的片段，间隙未被磁化成0或者1。注意，扇区是读写磁盘最基本的单位，如果一个扇区因为某种原因被破坏，那么整个扇区的数据都会受影响。

        根据上面的概念，不难得到硬盘容量的计算公式为：

                硬盘容量（字节）=盘面数*每个盘面磁道数*每个磁道扇区数*每个扇区的字节数

        另外，根据上面介绍的原理，每个盘面的磁道数也即柱面数；一般来说，每个扇区的字节数一般是512字节，所以可得：

                硬盘容量（字节）=盘面数*柱面数*每个磁道扇区数*512字节

二 那如何管理磁盘中的数据呢？

        下面，由浅入深的给出几个文件管理的模型，并分析其缺点，从而引出FAT32的核心思想。

        模型一：文件名与文件直接存放在一起，存储时连续的占用所有的磁盘空间。这是最简单的存储模型。

        但是，这种模型的缺点显而易见：

        （1）效率低下： 当寻找一个文件时，需要从头读取扇区，在其中检测文件名，最坏的情况下，需要遍历整个磁盘。

        （2）不便于进行增删改查：当扩充一个文件的大小时，要么移动后面所有的文件、要么放弃这块空间，把所有的数据转移到另一块更大的空间上去。

        模型二：在模型一的基础上，把文件名放到扇区的开始处。

        这种模型是否解决了模型一存在的问题呢？并没有。

        以这种方式存储文件在模型一的基础上提高了一点搜索的效率，但是依旧需要逐个搜索扇区，提升有限。同样的，这种存储模型也会造成存储资源的浪费。

        通过以上两个模型，不难看出，文件系统应该满足以下几个基本的需求：

        1 给定一个文件名就能够快速找到相应的文件。

        2 充分利用存储空间。

        3 方便的进行增删改查。

那如何能够实现这些需求呢？

        针对需求1，在前面我们的分析中，造成查找效率低下的主要原因是需要逐个搜索扇区来查找文件名，那怎样才能在逐个扇区查找呢？ 我们可以在磁盘中开辟一块区域，专门用来记录文件名，以及该文件存放在磁盘中的位置，当需要查找文件时，我们在该区域搜索到文件存放的位置，直接去相应的位置读取数据就行了。

        针对需求2，在前面我们的分析中，存储空间浪费是因为在上面两个模型中，文件都是连续存储的，一旦文件大小有所变化，存储空间大小不再合适就将其舍弃，这样就造成了空间浪费。那怎样才能充分利用碎片的存储空间，让文件可以不连续的存储呢？这里我们可以借用链表中的思想，我们在前一个扇区中记录下后一个扇区的地址，当前一个扇区的数据读取完成后，根据记录的地址就可以直接访问后一个扇区。

        针对需求3，如果实现了需求2，需求3就迎刃而解了，我们只需要在增删改查程序时，记录下相应的地址变化即可。

        分析至此，FAT32的思想已经跃然纸上了。