FAT文件系统原理详细介绍
2012-09-12 01:39
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第一部分 FAT文件系统详细介绍
FAT文件起源于70年代末80年代初，用于微软的MS-DOS操作系统。它开始被设计成一个简单的文件系统用于小于500K的软件盘。后来被功能被大大增强用于支持越来越大的媒质。现在的文件系统有FAT12，FAT16和FAT32三种子类。
FAT12是最早的一版，主要用于软盘，它对簇的编址采用12bit宽度的数，所以称为FAT12。12bit的地址可以寻址4096个簇，事实上在FAT12中只能寻址4078个簇（在Linux下可寻址4084个簇），有一些簇号是不能用的，在后面会给出具体的说明。磁盘的扇区是用16bit的数进行计算的，所以磁盘的容量就被局限在32M空间之内。
在FAT16中，采用了16bit宽的簇地址，32bit宽扇区地址。虽然32bit的扇区地址可以寻址2^32*512，约2个TB的容量，但于由规定每簇最大的容量不超过1024*32，所以FAT16文件系统的容量也就限制到了2^16*1024*32，大约2.1GB的空量，并且实际还达不到这个值。
FAT32文件系统使用了32bit宽的簇地址，所以称为FAT32。但在微软件的文件系统中只使用了低28位，最大容量为2^28*1024*32,约8.7TB的空量。有的人认为32bit全用，最大容量为2^32*1024*32，这种说法是不正确的。
虽然FAT32具有容纳近乎8.7TB的容量，但实际应用中通常不使用超过32GB的FAT32分区。WIN2000及之上的OS已经不直接支持对超过32GB的分区格式化成FAT32，但WIN98依然可以格式化大到127GB的FAT32分区，但不推荐这样做。
下面是一个FAT分区的构成概况
需要说明的是：
1．引导扇区和其他保留扇区一起称为保留扇区，而其他保留扇区是可选的，当没有时候，引导扇区后紧跟的就是FAT表1
2．根目录区是仅FAT12/16才有，FAT32的目录项位于数据区。由于FAT12/16的根目录区是一个固定的区域，所以它的根目录的项数是有限制的，意即不能在根录建立超过这个定数的目录项数。
（一）引导扇区与BPB
BPB（BIOS Parametre Block）是FAT文件系统中第一个重要的数据结构，它位于该FAT分区的第一个扇区，同时也属于FAT文件系统基本区域的保留区，
在下面的描述中。凡名称以BPB_开头的都是BPB的一部分，凡名称与BS_开头的项都是启动扇区的一部分，而不是属于BPB的内容，以下是启动扇区的结构
FAT32的BPB的内容和FAT12/16的内容在地址36以前是完全一样的，从偏移量36开始，他们的内容有所区别，具体的内容要看FAT类型为FAT12/16还是FAT32，这点保证了在启动扇区中包含一个完整的FAT12/16或FAT32的BPB的内容，这么做是为了达到最好的兼容性，同时也为了保证所有的FAT文件系统驱动程序能正确的识别和驱动不同的FAT格式，并让他们良好地工作，因为他们包含了现有的全部内容
从offset 36开始FAT12/FAT16的内容开始区别于FAT32，下面分两个表格列出，下表为FAT12/FAT16的内容
下表为FAT32的内容
关于FAT启动扇区还有一点重要的说明，我们假设里面的内容是按字节排序的，那么扇区[510]的内容一定0x55，扇区[511]的内容一定是0xAA
很多FAT资数文档会把0xAA55说成是“启动扇区最后两字节的内容”，这样的陈述是正确的—仅仅是如果—BPB_BytsPerSec的值为512的话。若BPB_BytsSec的值大于512，该标记的位置并没有改变（虽然在启动扇区的最后两个字节写0xAA55并没有问题）
关于BPB_ToSec16/32这里再作一点补充：假设一现在我们有一块磁盘或一个分区，它的扇区数为DskSz，如果BPB_aToSec(BPB_ToSec16或是BPB_ToSec32基中不为0的那个)的值小于或等于DskSz并不会使该FAT卷在使用中出现什么错误，实际上BPB_ToSec16/32的值不要比DskSz小得离谱就不会有什么错误
这样做将造成磁盘空间的浪费，程序本身并不会认为该FAT卷存在什么错误，但是，如果BPB_ToSec16/32的值比DskSz大将会使FAT卷遭到严重的损坏，因为它超出了存储介质或是磁盘分区的边界。当BPB_ToSec16/32的值比DskSz大时，一些数据将不幸地被丢失
第二部分 FAT文件系统数据结构C语言表示
FAT文件系统相关数据结构
struct fat_boot_sector {
uint8_t ignored[3]; /* 0x00 Boot strap short or near jump */
int8_t system_id[8]; /* 0x03 Name - can be used to special case
partition manager volumes */
uint8_t sector_size[2]; /* 0x0B bytes per logical sector */
uint8_t sectors_per_cluster; /* 0x0D sectors/cluster */
uint16_t reserved; /* 0x0E reserved sectors */
uint8_t fats; /* 0x10 number of FATs */
uint8_t dir_entries[2]; /* 0x11 root directory entries */
uint8_t sectors[2]; /* 0x13 number of sectors */
uint8_t media; /* 0x15 media code (unused) */
uint16_t fat_length; /* 0x16 sectors/FAT */
uint16_t secs_track; /* 0x18 sectors per track */
uint16_t heads; /* 0x1A number of heads */
uint32_t hidden; /* 0x1C hidden sectors (unused) */
uint32_t total_sect; /* 0x20 number of sectors (if sectors == 0) */
/* The following fields are only used by FAT32 */
uint32_t fat32_length; /* 0x24=36 sectors/FAT */
uint16_t flags; /* 0x28 bit 8: fat mirroring, low 4: active fat */
uint8_t version[2]; /* 0x2A major, minor filesystem version */
uint32_t root_cluster; /* 0x2C first cluster in root directory */
uint16_t info_sector; /* 0x30 filesystem info sector */
uint16_t backup_boot; /* 0x32 backup boot sector */
uint8_t BPB_Reserved[12]; /* 0x34 Unused */
uint8_t BS_DrvNum; /* 0x40 */
uint8_t BS_Reserved1; /* 0x41 */
uint8_t BS_BootSig; /* 0x42 */
uint8_t BS_VolID[4]; /* 0x43 */
uint8_t BS_VolLab[11]; /* 0x47 */
uint8_t BS_FilSysType[8]; /* 0x52=82*/
/* */
uint8_t nothing[420]; /* 0x5A */
uint16_t marker;
} __attribute__ ((__packed__));
struct msdos_dir_entry {
int8_t name[8],ext[3]; /* 00 name and extension */
uint8_t attr; /* 0B attribute bits */
uint8_t lcase; /* 0C Case for base and extension */
uint8_t ctime_ms; /* 0D Creation time, milliseconds */
uint16_t ctime; /* 0E Creation time */
uint16_t cdate; /* 10 Creation date */
uint16_t adate; /* 12 Last access date */
uint16_t starthi; /* 14 High 16 bits of cluster in FAT32 */
uint16_t time; /* 16 time, date and first cluster */
uint16_t date; /* 18 */
uint16_t start; /* 1A */
uint32_t size; /* 1C file size (in bytes) */
};
/* Up to 13 characters of the name */
struct msdos_dir_slot {
uint8_t id; /* 00 sequence number for slot */
uint8_t name0_4[10]; /* 01 first 5 characters in name */
uint8_t attr; /* 0B attribute byte */
uint8_t reserved; /* 0C always 0 */
uint8_t alias_checksum; /* 0D checksum for 8.3 alias */
uint8_t name5_10[12]; /* 0E 6 more characters in name */
uint16_t start; /* 1A starting cluster number, 0 in long slots */
uint8_t name11_12[4]; /* 1C last 2 characters in name */
};
FAT文件起源于70年代末80年代初，用于微软的MS-DOS操作系统。它开始被设计成一个简单的文件系统用于小于500K的软件盘。后来被功能被大大增强用于支持越来越大的媒质。现在的文件系统有FAT12，FAT16和FAT32三种子类。
FAT12是最早的一版，主要用于软盘，它对簇的编址采用12bit宽度的数，所以称为FAT12。12bit的地址可以寻址4096个簇，事实上在FAT12中只能寻址4078个簇（在Linux下可寻址4084个簇），有一些簇号是不能用的，在后面会给出具体的说明。磁盘的扇区是用16bit的数进行计算的，所以磁盘的容量就被局限在32M空间之内。
在FAT16中，采用了16bit宽的簇地址，32bit宽扇区地址。虽然32bit的扇区地址可以寻址2^32*512，约2个TB的容量，但于由规定每簇最大的容量不超过1024*32，所以FAT16文件系统的容量也就限制到了2^16*1024*32，大约2.1GB的空量，并且实际还达不到这个值。
FAT32文件系统使用了32bit宽的簇地址，所以称为FAT32。但在微软件的文件系统中只使用了低28位，最大容量为2^28*1024*32,约8.7TB的空量。有的人认为32bit全用，最大容量为2^32*1024*32，这种说法是不正确的。
虽然FAT32具有容纳近乎8.7TB的容量，但实际应用中通常不使用超过32GB的FAT32分区。WIN2000及之上的OS已经不直接支持对超过32GB的分区格式化成FAT32，但WIN98依然可以格式化大到127GB的FAT32分区，但不推荐这样做。
下面是一个FAT分区的构成概况
| 引导扇区 | 其他保留扇区（可选） | FAT表1 | FAT表2 | 根目录区 （仅FAT12/16） | 数据区 （用于文件和目录） |
1．引导扇区和其他保留扇区一起称为保留扇区，而其他保留扇区是可选的，当没有时候，引导扇区后紧跟的就是FAT表1
2．根目录区是仅FAT12/16才有，FAT32的目录项位于数据区。由于FAT12/16的根目录区是一个固定的区域，所以它的根目录的项数是有限制的，意即不能在根录建立超过这个定数的目录项数。
（一）引导扇区与BPB
BPB（BIOS Parametre Block）是FAT文件系统中第一个重要的数据结构，它位于该FAT分区的第一个扇区，同时也属于FAT文件系统基本区域的保留区，
在下面的描述中。凡名称以BPB_开头的都是BPB的一部分，凡名称与BS_开头的项都是启动扇区的一部分，而不是属于BPB的内容，以下是启动扇区的结构
| offset（byte） | 长度（byte） | 描述 | |
| BS_jmpBoot | 0x00 | 3 | 跳转指令，指向启动代码 |
| BS_OEMName | 0x03 | 8 | 建议值为“MSWIN4.1”。有些厂商的FAT驱动可能会检测此项，所以设为“MSWIN4.1”可以尽量避免兼容性的问题 |
| BPB_BytsPerSec | 0x0b | 2 | 每扇区的字节数，取值只能是以下几种：512，1024，2048或是4096。设为512会取得最好的兼容性，目前有很多FAT代码都是硬性规定每扇区的字节数为512，而不是实际的检测此值。但微软的操作系统能够很好支持1024，2048或是4096 |
| BPB_SecPerClus | 0x0d | 1 | 每簇的扇区数，其值必须中2的整数次方（该整数必须>=0），同时还要保证每簇的字节数不能超过32K，也就是1024*32字节 |
| BPB_RsvdSecCnt | 0x0e | 2 | 保留扇区的数目，此域不能为0，FAT12/FAT16必须为1，FAT32的典型值取为32，，微软的系统支持任何非0值 |
| BPB_BumFATs | 0x10 | 1 | 分区中FAT表的份数，，任何FAT格式都建议为2 |
| BPB_RootEntCnt | 0x11 | 2 | 对于FAT12和FAT16此域包含根目录中目录的个数（每项长度为32bytes），对于FAT32，此项必须为0。对于FAT12和FAT16，此数乘以32必为BPB_BytesPerSec的偶数倍，为了达到更好的兼容性，FAT12和FAT16都应该取值为512 |
| BPB_ToSec16 | 0x13 | 2 | 早期版本中16bit的总扇区，这里总扇区数包括FAT卷上四个基本分区的全部扇区，此域可以为0，若此域为0，那么BPB_ToSec32必须为0，对于FAT32，此域必为0。对于FAT12/FAT16，此域填写总扇区数，如果该值小于0x10000的话，BPB_ToSec32必须为0 |
| BPB_Media | 0x15 | 1 | 对于“固定”（不可移动）存储介质而言，0xF8是标准值，对于可移动存储介质，经常使用的数值是0xF0，此域合法的取值可以取0xF0,0xF8,0xF9,0xFA,0xFC,0xFD,0xFE,0xFF。另外要提醒的是，无沦此域写入什么数值，同时也必须在FAT[0]的低字节写入相同的值，这是因为早期的MSDOS 1.x使用该字节来判定是何种存储介质 |
| BPB_FATz16 | 0x16 | 2 | FAT12/FAT16一个FAT表所占的扇区数，对于FAT32来说此域必须为0，在BPB_FATZ32中有指定FAT表的大小 |
| BPB_SecPerTrk | 0x18 | 2 | 每磁道的扇区数，用于BIOS中断0x13，此域只对于有“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，同时必须可以调用BIOS的0x13中断得到此数值 |
| BPB_NumHeads | 0x1A | 2 | 磁头数，用于BIOS的0x13中断，类似于上面的BPB_ SecPerTrk，只对特殊的介质才有效，此域包含一个至少为1的数值，比如1,4M的软盘此域为2 |
| BPB_HidSec | 0x1C | 4 | 在此FAT分区之前所隐藏的扇区数，必须使得调用BIOS的0x13中断可以得到此数值，对于那些没有分区的存储介质，此域必须为0，具体使用什么值由操作系统决定 |
| BPB_ToSec32 | 0x20 | 4 | 该卷总扇区数（32bit），这里的扇区总数包括FAT卷四个个基本分的全部扇区，此域可以为0，若此域为0，BPB_ToSec16必须为非0，对FAT32，此域必须是非0。对于FAT12/FAT16如果总扇区数大于或等于0x10000的话，此域就是扇区总数，同时BPB_ToSec16的值为0。 |
从offset 36开始FAT12/FAT16的内容开始区别于FAT32，下面分两个表格列出，下表为FAT12/FAT16的内容
| 名称 | offset（byte） | 长度（byte） | 描述 |
| BS_drvNum | 0x24 | 1 | 用于BIOS中断0x13得到磁盘驱动器参数，（0x00为软盘，0x80为硬盘）。此域实际上由操作系统决定 |
| BS_Reseved1 | 0x25 | 1 | 保留（供NT使用），格式化FAT卷时必须设为0 |
| BS_VolID | 0x26 | 1 | 扩展引导标记（0x29）用于指明此后的3个域可用 |
| BS_BootSig | 0x27 | 4 | 卷标序列号，此域以BS_VolLab一起可以用来检测磁盘是否正确，FAT文件系统可以用此判断连接的可移动磁盘是否正确，引域往往是由时间和日期组成的一个32位的值 |
| BS_VolLab | 0x2B | 11 | 磁盘卷标，此域必须与根目录中11字节长的卷标一致。 FAT文件系统必须保证在根目录的卷标文件列改或是创建的同时，此域的内容能得到时的更新，当FAT卷没有卷标时，此域的内容为“NO NAME” |
| BS_FilSysType | 0x36 | 8 | 以下的几种之一：“FAT12”，“FAT16”，“FAT32” 不少人错误的认为FAT文件系统的类型由此域来确认，他细点你就能发现此域并不是BPB的一部分，只是一个字符串而已，微软的操作系统并不使用此此域来确定FAT文件的类型，；因为它常常被写错或是根本就不存在。 |
| 名称 | offset（byte） | 长度（byte） | 描述 |
| BPB_FATSz32 | 0x24 | 4 | 一个FAT表所占的扇区数，此域为FAT32特有，同时BPB_FATSz16必须为0 |
| BPB_Flags | 0x28 | 2 | 此域FAT32特有。 Bits0-3:不小于0的FAT（active FAT）数目，只有在镜像（mirrorig）禁止时才有效。 Bits 4-6: 保留 Bits 7： 0表示FAT实时镜像到所有的FAT表中 1 表示只有一个活动的FAT表。这个表就是Bits0-3所指定的那个 Bits8-15：保留 |
| BPB_FSVer | 0x2A | 2 | 此域为FAT32特有， 高位为FAT32的主版本号，低位为次版本号，这个版本号是为了以后更高级的FAT版本考虑，假设当前的操作系统只能支持的FAT32版本号为0.0。那么该操作系统检测到此域不为0时，它便会忽略FAT卷，因为它的版本号比系统能支持的版式本要高 |
| BPB_RootClus | 0x2C | 4 | 根目录所在第一个簇的簇号，通常该数值为2，但不是必须为2 磁盘工具在改变根目录位置时，必须想办法让磁盘上第一个非坏簇作为根目录的第一个簇（比如第2簇，除非它已经被标记为坏簇），这样的话，如果此域正好为0的话磁盘检测工具也能轻松的找到根目录所在簇的位置 |
| BPB_FSIfo | 0x30 | 2 | 保留区中FAT32卷FSINFO结构所占的扇区数，通常为1 在Backup Boot 中会有一个FSINFO的备份，但该备份只是更新其中的指针，也就是说无论是主引导记录还是备份引导记录都是指向同一个FSINFO结构 |
| BPB__BkBootSec | 0x32 | 2 | 如果不为0，表示在保留区中引导记录的备数据所占的扇区数，通常为6。同时不建议使用6以外的其他数值 |
| BPB_Reserved | 0x34 | 12 | 用于以后FAT扩展使用，对FAT32。此域用0填充 |
| BS_DrvNum | 0x40 | 1 | 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 |
| BS_Reserved1 | 0x41 | 1 | 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 |
| BS_BootSig | 0x42 | 1 | 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 |
| BS_VolID | 0x43 | 4 | 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 |
| BS_FilSysType | 0x47 | 11 | 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 |
| BS_FilSysType | 0x52 | 8 | 通常设置为“FAT32”，请参照FAT12/16此部分的陈述。 |
很多FAT资数文档会把0xAA55说成是“启动扇区最后两字节的内容”，这样的陈述是正确的—仅仅是如果—BPB_BytsPerSec的值为512的话。若BPB_BytsSec的值大于512，该标记的位置并没有改变（虽然在启动扇区的最后两个字节写0xAA55并没有问题）
关于BPB_ToSec16/32这里再作一点补充：假设一现在我们有一块磁盘或一个分区，它的扇区数为DskSz，如果BPB_aToSec(BPB_ToSec16或是BPB_ToSec32基中不为0的那个)的值小于或等于DskSz并不会使该FAT卷在使用中出现什么错误，实际上BPB_ToSec16/32的值不要比DskSz小得离谱就不会有什么错误
这样做将造成磁盘空间的浪费，程序本身并不会认为该FAT卷存在什么错误，但是，如果BPB_ToSec16/32的值比DskSz大将会使FAT卷遭到严重的损坏，因为它超出了存储介质或是磁盘分区的边界。当BPB_ToSec16/32的值比DskSz大时，一些数据将不幸地被丢失
第二部分 FAT文件系统数据结构C语言表示
FAT文件系统相关数据结构
struct fat_boot_sector {
uint8_t ignored[3]; /* 0x00 Boot strap short or near jump */
int8_t system_id[8]; /* 0x03 Name - can be used to special case
partition manager volumes */
uint8_t sector_size[2]; /* 0x0B bytes per logical sector */
uint8_t sectors_per_cluster; /* 0x0D sectors/cluster */
uint16_t reserved; /* 0x0E reserved sectors */
uint8_t fats; /* 0x10 number of FATs */
uint8_t dir_entries[2]; /* 0x11 root directory entries */
uint8_t sectors[2]; /* 0x13 number of sectors */
uint8_t media; /* 0x15 media code (unused) */
uint16_t fat_length; /* 0x16 sectors/FAT */
uint16_t secs_track; /* 0x18 sectors per track */
uint16_t heads; /* 0x1A number of heads */
uint32_t hidden; /* 0x1C hidden sectors (unused) */
uint32_t total_sect; /* 0x20 number of sectors (if sectors == 0) */
/* The following fields are only used by FAT32 */
uint32_t fat32_length; /* 0x24=36 sectors/FAT */
uint16_t flags; /* 0x28 bit 8: fat mirroring, low 4: active fat */
uint8_t version[2]; /* 0x2A major, minor filesystem version */
uint32_t root_cluster; /* 0x2C first cluster in root directory */
uint16_t info_sector; /* 0x30 filesystem info sector */
uint16_t backup_boot; /* 0x32 backup boot sector */
uint8_t BPB_Reserved[12]; /* 0x34 Unused */
uint8_t BS_DrvNum; /* 0x40 */
uint8_t BS_Reserved1; /* 0x41 */
uint8_t BS_BootSig; /* 0x42 */
uint8_t BS_VolID[4]; /* 0x43 */
uint8_t BS_VolLab[11]; /* 0x47 */
uint8_t BS_FilSysType[8]; /* 0x52=82*/
/* */
uint8_t nothing[420]; /* 0x5A */
uint16_t marker;
} __attribute__ ((__packed__));
struct msdos_dir_entry {
int8_t name[8],ext[3]; /* 00 name and extension */
uint8_t attr; /* 0B attribute bits */
uint8_t lcase; /* 0C Case for base and extension */
uint8_t ctime_ms; /* 0D Creation time, milliseconds */
uint16_t ctime; /* 0E Creation time */
uint16_t cdate; /* 10 Creation date */
uint16_t adate; /* 12 Last access date */
uint16_t starthi; /* 14 High 16 bits of cluster in FAT32 */
uint16_t time; /* 16 time, date and first cluster */
uint16_t date; /* 18 */
uint16_t start; /* 1A */
uint32_t size; /* 1C file size (in bytes) */
};
/* Up to 13 characters of the name */
struct msdos_dir_slot {
uint8_t id; /* 00 sequence number for slot */
uint8_t name0_4[10]; /* 01 first 5 characters in name */
uint8_t attr; /* 0B attribute byte */
uint8_t reserved; /* 0C always 0 */
uint8_t alias_checksum; /* 0D checksum for 8.3 alias */
uint8_t name5_10[12]; /* 0E 6 more characters in name */
uint16_t start; /* 1A starting cluster number, 0 in long slots */
uint8_t name11_12[4]; /* 1C last 2 characters in name */
};
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