FATFS文件系統(tǒng)詳解（一）

1.簡介

在早期計(jì)算機(jī)剛發(fā)展的時候，那時候硬盤大小、flash設(shè)備容量都比較小，隨著技術(shù)的不斷迭代更新，硬盤容量越來越大。在早期，面對小容量的硬盤/flash，往往采用對應(yīng)地址存放對應(yīng)數(shù)據(jù)的方案，由于數(shù)據(jù)量不大，操作起來尚還可以。但是發(fā)展到今天，隨著硬盤/flash容量不斷增大，存儲的數(shù)據(jù)也越來越多，早期單一的對應(yīng)地址存放對應(yīng)數(shù)據(jù)的方案已經(jīng)無法滿足我們的需求，操作硬盤/flash會變得異常的困難復(fù)雜。

因此針對上述問題，一群大佬們便開始設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)這樣一個東西，用來管理硬盤/flash上的數(shù)據(jù)信息，像我們電腦上打開文件夾，訪問里面的文件，這其實(shí)就是基于文件系統(tǒng)訪問電腦硬盤上數(shù)據(jù)的一個操作。

發(fā)展至今，文件系統(tǒng)已有眾多版本，本文主要分享 關(guān)于FAT文件系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)， FAT文件系統(tǒng)適用于嵌入式設(shè)備，如SD卡、SD nand、spi nor flash等眾多存儲設(shè)備，同時基于此文件系統(tǒng)的文件亦能被電腦正常讀取。

2.基礎(chǔ)概念

在研究文件系統(tǒng)之前，我們需要首先弄清楚關(guān)于內(nèi)存這塊的幾個基本概念：

區(qū)分 ==扇區(qū)、塊、簇== 的概念

扇區(qū)（sector）：flash可操作的最小單元，通常指我們擦除的最小單元大小，以sd nand舉例，通常最小為512Byte

塊（block） 以及 簇（cluster）：其實(shí)這是兩個相同的概念，只是由于歷史原因，在不同系統(tǒng)上的不同稱呼，在windows中稱簇，而在linux中稱塊。一個簇/塊由多個扇區(qū)組成，由于一個扇區(qū)的空間較小，因此文件系統(tǒng)通過會將多個扇區(qū)組合在一起形成一個簇，并以簇為單位進(jìn)行讀寫操作！ 一個簇通常可以由 2、4、8、… 、2的n次方個扇區(qū)組成。

FAT文件系統(tǒng)總共由FAT12、FAT16以及FAT32三個版本，這是由于隨著存儲技術(shù)不斷發(fā)展，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)迭代導(dǎo)致，數(shù)字越大，版本越新，新版本對老版本完全兼容！

3.FAT文件系統(tǒng)組成介紹

FAT文件系統(tǒng)在flash上的布局如下圖所示，總共由四個區(qū)域組成：

保留區(qū)

FAT區(qū)

根目錄區(qū) （FAT32類型不包含此區(qū)域）

數(shù)據(jù)區(qū)

接下來，我們對一張格式化為FAT格式的SD卡進(jìn)行分析，理解FAT文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：

4.FAT文件系統(tǒng)分析

4.1 采用FAT格式格式化SD nand/sd卡

使用win10格式化一張118.5M的SD nand / sd卡，我這里用的是手上的一顆 創(chuàng)世CS 家的sd nand加一塊轉(zhuǎn)接板，和SD卡完全沒有區(qū)別，且SD nand在穩(wěn)定性上比SD卡具有優(yōu)勢。

==此處由于SD nand（SD卡）大小原因，默認(rèn)采用FAT16進(jìn)行了格式化！因此在下文中我們先以FAT16進(jìn)行分析，之后再重新格式化為FAT32進(jìn)行分析，就很容易懂了！==

4.2 引導(dǎo)扇區(qū)分析

使用 winhex 工具打開對應(yīng)磁盤，注意需使用管理員權(quán)限運(yùn)行

打開后我們可以以二進(jìn)制的格式查看SD卡上所有數(shù)據(jù)，首先看到第一個扇區(qū)，也就是對應(yīng)的引導(dǎo)扇區(qū) boot sector，注意引導(dǎo)扇區(qū)位于保留區(qū)！

接下來我們根據(jù)官方文檔 對引導(dǎo)扇區(qū)進(jìn)行分析

注意，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)均采用小端格式！

a) 首先是FAT12/16/32公共部分，（偏移值 0 - 35）：

EB 3C 90：BS_JmpBoot，跳轉(zhuǎn)指令

4D 53 44 4F 53 35 2E 30：BS_OEMName，MSDOS 5.0，一個名字，指示創(chuàng)建此卷的操作系統(tǒng)，無其他作用

00 02：BPB_BytsPerSec，扇區(qū)大小 512 字節(jié)

04：BPB_SecPerClus，每次操作的最小扇區(qū)數(shù)，簇 Cluster，4 (與格式化時選擇的大小匹配 2048 = 512 * 4)

06 00：BPB_RsvdSecCnt，保留區(qū)的扇區(qū)數(shù)，6 (通過此可計(jì)算，F(xiàn)AT區(qū)起始地址為 6 * 512 = 0xC00)

02：BPB_NumFATs，F(xiàn)ATs的個數(shù)，2（一般此值為2，多一個用來做冗余備份，解決系統(tǒng)異常導(dǎo)致第一個損壞時，增大恢復(fù)的可能性，表示FAT區(qū)有兩個FATs備份）

00 02：BPB_RootEntCnt，512，在FAT12/16系統(tǒng)中，此字段表示根目錄中32字節(jié)目錄條目數(shù)量，設(shè)置此值時需注意對齊，為了最大的兼容性，F(xiàn)AT16系統(tǒng)上此值應(yīng)設(shè)置為512，F(xiàn)AT32系統(tǒng)上此值應(yīng)設(shè)置為0

00 00：BPB_TotSec16，16位大小區(qū)域描述FAT卷扇區(qū)總數(shù)，0。當(dāng)FAT12/16系統(tǒng)扇區(qū)數(shù) ≥0x10000(65536)時，此字段應(yīng)設(shè)置為0，真實(shí)值存放在 BPB_TotSec32 字段；對于FAT32系統(tǒng)，此值必須為0。(此處由于我們的總扇區(qū)數(shù)=118.510241024/512 = 242688 > 65536，所以此字段為0)

F8：BPB_Media 媒體類型

ED 00：BPB_FATSz16，237，一個FAT占用的扇區(qū)數(shù)，此字段僅在FAT12/16系統(tǒng)使用；FAT32系統(tǒng)，此字段必須為0，使用BPB_FATSz32字段替代。FAT區(qū)總大小等于 BPB_FATSz?? BPB_NumFATs 扇區(qū)（2372*512=242688=0x3B400，由此可推算根目錄區(qū)起始地址：0x3B400+0xC00=0x3C000）。

3F 00：BPB_SecPerTrk，每個磁道的扇區(qū)數(shù)，此字段僅與具有幾何形狀且僅用于 IBM PC 的磁盤 BIOS 的介質(zhì)相關(guān)，不用管。

FF 00：BPB_NumHeads，頭數(shù)量，此字段僅與具有幾何形狀且僅用于 IBM PC 的磁盤 BIOS 的介質(zhì)相關(guān)，不用管。

00 00 00 00：BPB_HiddSec，0，F(xiàn)AT 卷之前的隱藏物理扇區(qū)數(shù)（當(dāng)磁盤被分區(qū)之后，當(dāng)前分區(qū)并不一定是從扇區(qū)頭開始的）

00 B4 03 00：BPB_TotSec32，242688，32位大小區(qū)域描述FAT卷扇區(qū)總數(shù)（整個卷空間大小）。 FAT12/16系統(tǒng)，扇區(qū)總數(shù)小于0x10000時，此字段必須為0，真實(shí)值存放在BPB_FATSz16；FAT32系統(tǒng)，此字段一直有效。（118.5M = 512 * 242688）

b) 接下來是FAT12/16特有字段（偏移值36）

80：BS_DrvNum，IBM PC 的磁盤 BIOS 使用的驅(qū)動器號，00h代表軟盤，80h代表固定磁盤

00：BS_Reserved，保留字段，0

29：BS_BootSig，擴(kuò)展引導(dǎo)簽名，表示以下存在三個字段

83 3E 07 E4：BS_VolID，與 BS_VolLab 一起構(gòu)成卷序列號，一般在格式化的時候結(jié)合時間生成

4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20：(解析為:”NO NAME “)，BS_VolLab，11byte卷標(biāo)，當(dāng)卷標(biāo)不存在時，此值應(yīng)設(shè)置為”NO NAME”

46 41 54 31 36 20 20 20：(解析為:”FAT16 “)，BS_FilSysType文件系統(tǒng)類型，支持字段有：”FAT12 “, “FAT16 “ or “FAT “，注意很多人認(rèn)為是通過此字段區(qū)分FAT12/16/32系統(tǒng)類型，實(shí)際是錯誤的，文件系統(tǒng)類型實(shí)際上是根據(jù)磁盤大小確定的，官方文檔 “Determination of FAT sub-type” 章節(jié)或本博文后文有描述，不過為了最大的兼容性考慮，此字段應(yīng)設(shè)置為對應(yīng)文件系統(tǒng)的名字。

33 C9 ~ CB D8：BS_BootCode，引導(dǎo)啟動程序，與平臺有關(guān)，不使用時填充為0

55 AA：BS_BootSign，0xAA55，引導(dǎo)簽名，指示這是一個有效的引導(dǎo)扇區(qū)

當(dāng)扇區(qū)大小大于512字節(jié)時，剩余的字段應(yīng)全部使用0x0填充。

c) 如果是FAT32，則采用FAT32特有字段解析（偏移值和FAT12/16特有字段一致為36）

雖然此處我們的是FAT16格式，不過此處也將FAT的字段進(jìn)行描述，方便理解。

BPB_FATSz32：一個FAT占用的扇區(qū)數(shù)，此字段僅在FAT32系統(tǒng)有效。FAT區(qū)總大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇區(qū)。

BPB_ExtFlags：擴(kuò)展標(biāo)識字段，bit7=0，表示所有FAT都是鏡像的和活躍的；bit7=1，表示只有bit3-0表示的FAT是有效的。

BPB_FSVer：FAT32版本，高字節(jié)是主版本號，低字節(jié)是次版本號。

BPB_RootClus：根目錄的第一個簇號，此值通常為2，因?yàn)榍皟蓚€簇一般用于保留。

BPB_FSInfo：FSInfo結(jié)構(gòu)扇區(qū)與FAT32卷頂部的偏移扇區(qū)值。此值通常為1，因?yàn)槠渫ǔＮ挥谝龑?dǎo)扇區(qū)旁邊。

BPB_BkBootSec：備份引導(dǎo)扇區(qū)與FAT32卷頂部的偏移扇區(qū)值。此值通常為6，考慮最大的兼容性，此值不建議為其他值。

BPB_Reserved：保留

BS_DrvNum：含義與FAT12/16字段一樣

BS_Reserved：含義與FAT12/16字段一樣

BS_BootSig：含義與FAT12/16字段一樣

BS_VolID：含義與FAT12/16字段一樣

BS_VolLab：含義與FAT12/16字段一樣

BS_FilSysType：始終為”FAT32 “，對FAT類型的確定沒有任何影響。

BS_BootCode32：引導(dǎo)啟動程序，與平臺有關(guān)，不使用時填充為0

BS_BootSign：0xAA55，引導(dǎo)簽名，指示這是一個有效的引導(dǎo)扇區(qū)

當(dāng)扇區(qū)大小大于512字節(jié)時，剩余的字段應(yīng)全部使用0x0填充。

以上就是引導(dǎo)扇區(qū)內(nèi)容的詳細(xì)分析了，通過引導(dǎo)扇區(qū)的內(nèi)容，我們即可知道FAT文件系統(tǒng)依賴的硬件存儲空間大小、簇大小、扇區(qū)大小以及以及FAT系統(tǒng)版本等重要信息。

同時通過引導(dǎo)扇區(qū)的內(nèi)容，我們便可計(jì)算出對應(yīng)的FAT的四個區(qū)域的大小及起始偏移位置等重要信息，接下來計(jì)算FAT四個分區(qū)的起始位置及大小。

4.3 分區(qū)偏移及大小計(jì)算

FAT卷總共分為以下四個區(qū)域：

保留區(qū)

第一個扇區(qū)為引導(dǎo)扇區(qū)，存放BPB(BIOS Parameter Block)數(shù)據(jù)，存放的是FAT卷的配置參數(shù)。

上述參數(shù)中以 BPB 命名的字段都是 BPB 的一部分，而以 BS 標(biāo)題命名的字段都不是 BPB 的一部分，而只是引導(dǎo)扇區(qū)的一部分

FAT區(qū)（分區(qū)表裝載區(qū)）

根目錄區(qū)

數(shù)據(jù)區(qū)

各分區(qū)偏移地址及大小如下：

此外，關(guān)于FAT區(qū)，通常存在一個以上的FAT，如此處所格式化的sd卡便存在兩個FAT，對應(yīng)的偏移地址和大小如下：

4.4 FAT子類型確認(rèn)

關(guān)于FAT的類型是FAT12/16/32確認(rèn)：FAT類型由數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)簇的數(shù)量決定，除此之外無其他辦法！

當(dāng)一個卷，簇的數(shù)量 ≤4085 時，為FAT12

當(dāng)一個卷，簇的數(shù)量 ≥4086 且 ≤65525 時，為FAT16

當(dāng)一個卷，簇的數(shù)量 ≥65526 時，為FAT32

簇的數(shù)量計(jì)算公式：CountofClusters = DataSectors / BPB_SecPerClus;

如我們這里：CountofClusters = ==242176== / 4 = 60544，==所以為 FAT16！==

當(dāng)簇的大小從 512 ~ 32768字節(jié)的各種條件下，不同類型FAT對應(yīng)卷的大小范圍如下：