1. 簡(jiǎn)介

在早期計(jì)算機(jī)剛發(fā)展的時(shí)候，那時(shí)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(lái)越大。在早期，面對(duì)小容量的硬盤/flash，往往采用對(duì)應(yīng)地址存放對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的方案，由于數(shù)據(jù)量不大，操作起來(lái)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(chǔ)的數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，早期單一的對(duì)應(yīng)地址存放對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的方案已經(jīng)無(wú)法滿足我們的需求，操作硬盤/flash會(huì)變得異常的困難復(fù)雜。

因此針對(duì)上述問(wèn)題，一群大佬們便開(kāi)始設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)這樣一個(gè)東西，用來(lái)管理硬盤/flash上的數(shù)據(jù)信息，像我們電腦上打開(kāi)文件夾，訪問(wèn)里面的文件，這其實(shí)就是基于文件系統(tǒng)訪問(wèn)電腦硬盤上數(shù)據(jù)的一個(gè)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(chǔ)設(shè)備，同時(shí)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(gè)基本概念：

2.1.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(gè)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(gè)簇/塊由多個(gè)扇區(qū)組成，由于一個(gè)扇區(qū)的空間較小，因此文件系統(tǒng)通過(guò)會(huì)將多個(gè)扇區(qū)組合在一起形成一個(gè)簇，并以簇為單位進(jìn)行讀寫操作！一個(gè)簇通?？梢杂?2、4、8、… 、2的n次方個(gè)扇區(qū)組成。

2.2.FAT文件系統(tǒng)總共由FAT12、FAT16以及FAT32三個(gè)版本，這是由于隨著存儲(chǔ)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(duì)老版本完全兼容！

3. FAT文件系統(tǒng)組成介紹

Fat文件系統(tǒng)官方文檔：

FAT文件系統(tǒng)在flash上的布局如下圖所示，總共由四個(gè)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(lái)，我們對(duì)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

1.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(méi)有區(qū)別，且SD nand在穩(wěn)定性上比SD卡具有優(yōu)勢(shì)。

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

1.使用 winhex 工具打開(kāi)對(duì)應(yīng)磁盤，注意需使用管理員權(quán)限運(yùn)行

2.打開(kāi)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(gè)扇區(qū)，也就是對(duì)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)！

3.接下來(lái)我們根據(jù)官方文檔 對(duì)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(gè)名字，指示創(chuàng)建此卷的操作系統(tǒng)，無(wú)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(shí)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(guò)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(gè)數(shù)，2（一般此值為2，多一個(gè)用來(lái)做冗余備份，解決系統(tǒng)異常導(dǎo)致第一個(gè)損壞時(shí)，增大恢復(fù)的可能性，表示FAT區(qū)有兩個(gè)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(shí)需注意對(duì)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(shí)，此字段應(yīng)設(shè)置為0，真實(shí)值存放在 BPB_TotSec32 字段；對(duì)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(gè)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)（2372512=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(gè)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(kāi)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(gè)卷空間大小）。FAT12/16系統(tǒng)，扇區(qū)總數(shù)小于0x10000時(shí)，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(lái)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(dòng)器號(hào)，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(gè)字段

83 3E 07 E4：BS_VolID，與 BS_VolLab 一起構(gòu)成卷序列號(hào)，一般在格式化的時(shí)候結(jié)合時(shí)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(shí)，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(guò)此字段區(qū)分FAT12/16/32系統(tǒng)類型，實(shí)際是錯(cuò)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(guò)為了最大的兼容性考慮，此字段應(yīng)設(shè)置為對(duì)應(yīng)文件系統(tǒng)的名字。

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

55 AA：BS_BootSign，0xAA55，引導(dǎo)簽名，指示這是一個(gè)有效的引導(dǎo)扇區(qū)當(dāng)扇區(qū)大小大于512字節(jié)時(shí)，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(guò)此處也將FAT的字段進(jìn)行描述，方便理解。

BPB_FATSz32：一個(gè)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(shí)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(hào)，低字節(jié)是次版本號(hào)。

BPB_RootClus：根目錄的第一個(gè)簇號(hào)，此值通常為2，因?yàn)榍皟蓚€(gè)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(duì)FAT類型的確定沒(méi)有任何影響。

BS_BootCode32：引導(dǎo)啟動(dòng)程序，與平臺(tái)有關(guān)，不使用時(shí)填充為0

BS_BootSign：0xAA55，引導(dǎo)簽名，指示這是一個(gè)有效的引導(dǎo)扇區(qū)當(dāng)扇區(qū)大小大于512字節(jié)時(shí)，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(guò)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(chǔ)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(shí)通過(guò)引導(dǎo)扇區(qū)的內(nèi)容，我們便可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的FAT的四個(gè)區(qū)域的大小及起始偏移位置等重要信息，接下來(lái)計(jì)算FAT四個(gè)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(gè)區(qū)域：

保留區(qū)

1.第一個(gè)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)。

2.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(gè)以上的FAT，如此處所格式化的sd卡便存在兩個(gè)FAT，對(duì)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(wú)其他辦法！

當(dāng)一個(gè)卷，簇的數(shù)量 ≤4085 時(shí)，為FAT12

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

當(dāng)一個(gè)卷，簇的數(shù)量 ≥65526 時(shí)，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(duì)應(yīng)卷的大小范圍如下：

4.4 訪問(wèn)FAT條目

FAT區(qū)由一條條FAT條目構(gòu)成，關(guān)于 FAT[N] 對(duì)應(yīng)的條目具體位置計(jì)算如下：

FAT16：

FAT32：

格外需要注意的是，不同格式，對(duì)應(yīng)的FAT條目的長(zhǎng)度和格式不一樣：

此外對(duì)于FAT32格式，高4位是保留位，只有低28位有效！

具體如下圖所示：

4.5 文件與簇之間的關(guān)系

那么文件和簇之間的相互關(guān)系又是怎樣的呢？我們又是如何準(zhǔn)確的找到存放在flash上的文件的呢？接下來(lái)讓我們看下文件與簇之間的關(guān)系映射。

在FAT卷上文件通過(guò)目錄管理，目錄是一個(gè)32字節(jié)數(shù)組組成的目錄條目結(jié)構(gòu)，此目錄結(jié)構(gòu)包含：文件名、文件大小、時(shí)間戳以及文件所在的第一個(gè)簇號(hào)。

簇號(hào)為0和1的簇被保留，由參數(shù)BPB_RootClus可知，有效簇從第2號(hào)簇開(kāi)始。FAT[2](2號(hào)簇)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的第一個(gè)簇。

因此第N個(gè)簇的位置計(jì)算公式如下：

FirstSectorofCluster = DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus

每個(gè)條目所在的位置，對(duì)應(yīng)一個(gè)簇。當(dāng)文件長(zhǎng)度大于一個(gè)簇長(zhǎng)度時(shí)，條目?jī)?nèi)的值為下一個(gè)條目的索引，直到文件所在的最后一個(gè)簇，由此構(gòu)成簇鏈！文件所在的最有一個(gè)簇所對(duì)應(yīng)的FAT條目?jī)?nèi)的值由一個(gè)特殊的值（EOC）組成，它永遠(yuǎn)不會(huì)匹配任何有效的簇號(hào)，如下：

FAT12: 0xFF8 - 0xFFF (typically 0xFFF)

FAT16: 0xFFF8 - 0xFFFF (typically 0xFFFF)

FAT32: 0x0FFFFFF8 - 0x0FFFFFFF (typically 0x0FFFFFFF)

存在一些特殊的值被用來(lái)做損壞簇的標(biāo)記，如下：

FAT12：0xFF7

FAT16：0xFFF7

FAT32：0xFFFFFFF7

不過(guò)此處需要注意，在FAT12/16系統(tǒng)上，上述特殊值絕不會(huì)和任何有效簇匹配，但是在FAT32上有可能，因此為了防止混淆，你在創(chuàng)建FAT32系統(tǒng)的時(shí)候應(yīng)該避免這種情況發(fā)生！因此FAT32系統(tǒng)上簇的上限為268435445（大于256M個(gè)簇）

FAT條目初始化的時(shí)候，F(xiàn)AT[2] 及以后的數(shù)據(jù)應(yīng)被初始化為0，指示未被使用處于空閑狀態(tài)，如果值不為0，則意味著簇被損壞或被使用狀態(tài)。在FAT12/16系統(tǒng)上，空閑簇的數(shù)量未被記錄，而在FAT32系統(tǒng)上，F(xiàn)AT32支持FSInfo結(jié)構(gòu)體，里面記錄了空閑簇的數(shù)量。

關(guān)于FAT[0]和FAT[1]：

此兩個(gè)保留的條目，沒(méi)有與任何簇有聯(lián)系；不過(guò)具有其他意義，如下：

FAT12: FAT[0] = 0xF??; FAT[1] = 0xFFF;

FAT16: FAT[0] = 0xFF??; FAT[1] = 0xFFFF;

FAT32: FAT[0] = 0xFFFFFF??; FAT[1] = 0xFFFFFFFF;

FAT[0]中的?? 與 BPB_Media 相同；

FAT[1] 記錄了錯(cuò)誤歷史記錄：卷臟標(biāo)志（FAT16：bit15、FAT32：bit31），系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候清除此位，正常關(guān)閉的時(shí)候恢復(fù)。

如果此位已經(jīng)清除，表明上次未被正常關(guān)閉，可能存在邏輯卷錯(cuò)誤；硬件錯(cuò)誤標(biāo)志（FAT16：bit14、FAT32：bit30）當(dāng)出現(xiàn)無(wú)法恢復(fù)的讀寫錯(cuò)誤時(shí)清除，表明需要進(jìn)行全面檢查。

關(guān)于FAT區(qū)域，有兩個(gè)重點(diǎn)注意事項(xiàng)：

第一個(gè)是FAT的最后一個(gè)扇區(qū)可能沒(méi)有被完全使用。在大多數(shù)情況下，F(xiàn)AT在扇區(qū)的中間結(jié)束。FAT驅(qū)動(dòng)程序不應(yīng)該對(duì)未使用的區(qū)域做出任何假設(shè)。在格式化卷時(shí)，應(yīng)該用零填充它，并且在此之后不應(yīng)更改它。

另一個(gè)是BPB_FATSz16/32可以指示比卷需要的值大的值。換句話說(shuō)，未使用的扇區(qū)可以跟隨每個(gè)FAT。這可能是數(shù)據(jù)區(qū)域?qū)R或其他原因?qū)е碌摹Ｍ瑫r(shí)，在格式化時(shí)這些扇區(qū)也會(huì)被用零填充。

下表展示了不同F(xiàn)AT類型中FAT值所對(duì)應(yīng)的含義解釋：

4.6 FSInfo扇區(qū)結(jié)構(gòu)及備份引導(dǎo)扇區(qū)

此部分內(nèi)容只在FAT32系統(tǒng)上存在，對(duì)于FAT12系統(tǒng)FAT區(qū)域大小最大6KB，對(duì)于FAT16系統(tǒng)FAT區(qū)域最大128KB，但是在FAT32系統(tǒng)上FAT區(qū)域通常上達(dá)數(shù)MB，這是因?yàn)镕AT32系統(tǒng)支持FSInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在FAT32系統(tǒng)上新增FSInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的原因是：在FAT12/16系統(tǒng)上，想要知道flash上剩余的簇?cái)?shù)需要掃描整個(gè)FAT區(qū)才能計(jì)算出來(lái)，但隨著flash容量的不斷擴(kuò)大，掃描花費(fèi)的時(shí)長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)，為了避免掃描浪費(fèi)過(guò)多的時(shí)間，因此在FAT32系統(tǒng)上增加了FSInfo結(jié)構(gòu)，用于記錄flash上剩余的簇?cái)?shù)。

FSInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

注意：當(dāng)扇區(qū)大小大于512字節(jié)時(shí)， 剩余空間采用0x00填充

4.7 FAT目錄

FAT目錄分為長(zhǎng)文件名目錄（LFN）以及短文件名目錄（SFN），長(zhǎng)文件目錄是在短文件名目錄上的一個(gè)擴(kuò)展，具體采用長(zhǎng)文件名還是短文件名由讀取FAT文件系統(tǒng)的操作系統(tǒng)決定，如windows；設(shè)置長(zhǎng)文件名時(shí)短文件名也被設(shè)置，具有兼容性。

此外，有一個(gè)很重要的概念：在FAT文件系統(tǒng)上目錄也是一個(gè)文件，只是此文件的屬性不一樣而已。

在所有目錄中，有一個(gè)比較特殊的是根目錄，且根目錄作為頂層目錄必須存在。

在FAT12/16系統(tǒng)中，根目錄不是一個(gè)文件，且放在根目錄區(qū)，根目錄的最大條目數(shù)由 BPB_RootEntCnt 參數(shù)指示；

在FAT32系統(tǒng)中，根目錄與子目錄沒(méi)有什么區(qū)別，且根目錄的起始簇由 BPB_RootClus 參數(shù)指示。

根目錄與子目錄的另外一個(gè)區(qū)別是，根目錄不包含 . .. 此兩個(gè)點(diǎn)目錄，且它可以包含卷標(biāo)（具有ATTR_VOLUME_ID屬性的條目）

4.7.1 SFN 短文件名目錄

目錄條目結(jié)構(gòu)如下：

關(guān)于目錄結(jié)構(gòu)的第一個(gè)字段 DIR_Name 的第一個(gè)元素 DIR_Name[0] 在目錄表中有著特殊作用，如下：

當(dāng)此值為 0xE5 時(shí)，代表此目錄條目未被使用（或已廢棄）

當(dāng)此值為 0x00 時(shí)，也代表此目錄條目未被使用；此外還提示后續(xù)目錄條目也未被使用，因?yàn)楹罄m(xù)的目錄條目 DIR_Name[0] 都會(huì)是 0x00

如果文件名的第一個(gè)字符為 0xE5 這個(gè)特殊值，則使用 0x05 替代。

這么設(shè)計(jì)的意義是什么呢？將 DIR_Name[0] 用作特殊字符，其目錄在于方便文件刪除！當(dāng)我們刪除一個(gè)文件的時(shí)候，文件系統(tǒng)并不會(huì)將此文件所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)全部刪除，因?yàn)槟菢犹M(fèi)時(shí)間了，也沒(méi)有必要，而是直接將對(duì)應(yīng)文件的目錄項(xiàng)中的 DIR_Name[0] 修改為 0xE5 即可！

關(guān)于文件名字段 DIR_Name，在FAT文件系統(tǒng)中還有如下規(guī)定：

DIR_Name 字段的11字節(jié)的文件名分為兩個(gè)部分：8 字節(jié)的主文件名 + 3字節(jié)的擴(kuò)展名；

文件名中主文件名與擴(kuò)展名中間的 . 被省略，不在此記錄

如果主文件名長(zhǎng)度不夠，小于8字節(jié)，則使用 0x20 空格填充

用于設(shè)置文件名的字符也有限制，支持的字符有 0～9 A～Z ! # $ % & ’ - @ ^ _ ` { } ~

主文件名和擴(kuò)展名中的(a~z)ASCII字符都會(huì)被轉(zhuǎn)化成大寫字符保存

以下為文件名存儲(chǔ)示例：

4.7.2 LFN長(zhǎng)文件名

長(zhǎng)文件名是文件名的另外一種存儲(chǔ)方式，由于SFN短文件名具有長(zhǎng)度、字符等限制，在一些場(chǎng)景下不能很好的滿足需求，因此就需要使用到長(zhǎng)文件名，關(guān)于長(zhǎng)文件名的具體內(nèi)容如下：

長(zhǎng)文件名是一個(gè)具有特殊屬性的目錄條目。長(zhǎng)文件名目錄屬性 DIR_Attr 字段的值 ATTR_LONG_NAME = (ATTR_READ_ONLY | ATTR_HIDDEN | ATTR_SYSTEM | ATTR_VOLUME_ID) = 0x0F；

關(guān)于長(zhǎng)文件名的目錄屬性如下：

關(guān)于長(zhǎng)文件名，有以下幾點(diǎn)重要概念：

一個(gè)文件一定有短文名SFN，但不一定有長(zhǎng)文件名LFN

長(zhǎng)文件名LFN字段中僅包含文件名信息，不包含其他內(nèi)容，其他內(nèi)容需要通過(guò)短文件名SFN查看

如果一個(gè)文件既有長(zhǎng)文件名也有短文件名，則長(zhǎng)文件名是其主要名字，而短文件名則為附加名字

長(zhǎng)文件名LFN條目在對(duì)應(yīng)的短文件名SFN條目前面

一個(gè)文件的長(zhǎng)文件名最長(zhǎng)255字符，對(duì)應(yīng)最多20個(gè)長(zhǎng)文件名LFN條目

長(zhǎng)文件名簡(jiǎn)單理解起始就是存儲(chǔ)一個(gè)字符串，因此沒(méi)有類似SFN的限制，允許有空格、支持大小寫、允許多個(gè).符號(hào)等

LFN條目文件名長(zhǎng)度不夠，仍然采用0x20填充

下圖是官方關(guān)于一個(gè)名為 “MultiMediaCard System Summary.pdf” 的長(zhǎng)文件名在flash上的長(zhǎng)文件名條目，如下所示，一眼沒(méi)看明白也沒(méi)關(guān)系，后文有實(shí)例說(shuō)明，對(duì)長(zhǎng)文件名有概念了就行！

關(guān)于長(zhǎng)文件名的checksum字段和計(jì)算，算法如下：

uint8_t create_sum (const DIR* entry)

{

int i;

uint8_t sum;

for (i = sum = 0; i < 11; i++) { /* Calculate sum of DIR_Name field */

sum = (sum >> 1) + (sum << 7) + entry->DIR_Name[i];

}

return sum;

}

4.7.3 LFN系統(tǒng)對(duì)于SFN的兼容

在使用LFN長(zhǎng)文件名的系統(tǒng)中，會(huì)自動(dòng)生成SFN短文件名已確保此文件在短文件名的文件系統(tǒng)中可使用。同時(shí)為了防止生成的短文件名沖突，SFN的生成采用 名稱+數(shù)字后綴+擴(kuò)展 的格式，同時(shí)采用以下規(guī)則生成SFN：

小寫自動(dòng)轉(zhuǎn)大寫

如果存在空格，則刪去空格，設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)

已.開(kāi)頭的文件刪除頭部的.，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)

存在多個(gè).的文件名，僅保留最后一個(gè)作為文件名與擴(kuò)展的分隔，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)

其他不支持的字符，采用_代替，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)

文件名如果是Unicode編碼，則轉(zhuǎn)化為ANSI/OEM編碼；不能轉(zhuǎn)換的字符采用_代替，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)

長(zhǎng)度超過(guò)8字節(jié)的部分，截?cái)啵⒃O(shè)置有損轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)

擴(kuò)展名字段超過(guò)3字節(jié)的，截?cái)啵⒃O(shè)置有損轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)

有損轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)為：~，ASCII值為0x7E，十進(jìn)制126

示例如下：

至此，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)的理論部分已經(jīng)描述完了，接下來(lái)我們繼續(xù)使用winhex對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5. 分區(qū)分析

繼續(xù)回顧我們一開(kāi)始的這張布局圖

5.1 保留分區(qū)分析

保留分區(qū)為第一個(gè)分區(qū)，其中引導(dǎo)扇區(qū)位于保留分區(qū)的第一個(gè)扇區(qū)。

根據(jù) 4.3 章節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，保留分區(qū)起始地址為 0x00，大小 0xC00

保留分區(qū)數(shù)據(jù)如下，保留分區(qū)內(nèi)最重要的內(nèi)容即為引導(dǎo)扇區(qū)，除引導(dǎo)扇區(qū)外，其他剩余空間全部保留，采用0x00覆蓋。關(guān)于引導(dǎo)扇區(qū)已在 4.2 章節(jié)詳細(xì)分析，此處不再做介紹。

5.2 FAT區(qū)分析

根據(jù) 4.3 章節(jié)描述，F(xiàn)AT區(qū)的起始地址為 0xC00，大小為 0x3B400，此外存在兩個(gè)FAT區(qū)，F(xiàn)AT1和FAT2，起始地址分別為：0xC00、0x1E600，對(duì)應(yīng)地址數(shù)據(jù)如下：

FAT1 數(shù)據(jù)：

FAT2 數(shù)據(jù)如下：

由于此處采用FAT16格式，所以每個(gè)FAT條目占據(jù)兩個(gè)字節(jié)！

根據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

確認(rèn) FAT2 為 FAT1 的備份；

存在5個(gè)FAT條目其中 FAT[0] 和 FAT[1] 為保留條目，F(xiàn)AT[0] 的內(nèi)容與 BPB_Media 媒體類型字段一致，F(xiàn)AT[1] 用來(lái)記錄錯(cuò)誤歷史記錄 （詳見(jiàn) 4.5 章節(jié)描述）

根據(jù)4.5章節(jié)描述，F(xiàn)AT[2](2號(hào)簇)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的第一個(gè)簇，又FAT[2]、FAT[3]、FAT[4] 數(shù)據(jù)均為 0xFF，表明存在三個(gè)文件，且每個(gè)文件的大小小于等于一個(gè)簇的空間；且分別存放在數(shù)據(jù)區(qū)第1到第3個(gè)簇上！

此處可能大家會(huì)由疑問(wèn)，剛剛格式化的sd卡為什么會(huì)存在文件內(nèi)，其實(shí)這個(gè)是系統(tǒng)文件，格式化后自帶的，默認(rèn)是隱藏的，只有使用winhex才能看到，也就是對(duì)應(yīng)的System Volume Information文件夾。

5.3 根目錄區(qū)分析

注意，根目錄區(qū)只有 FAT12 / FAT16 系統(tǒng)上存在，在FAT32系統(tǒng)上不存在此區(qū)域。

根目錄區(qū)用來(lái)記錄根目錄下的文件內(nèi)容，根據(jù) 4.3 章節(jié)計(jì)算可知，根目錄區(qū)起始地址為：0x3C000，大小為0x4000，數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

以下是對(duì)數(shù)據(jù)字段進(jìn)行分析后的內(nèi)容，如下圖所示：

格式化之后，默認(rèn)會(huì)生成一個(gè)System Volume Infomation的系統(tǒng)文件夾，同時(shí)此文件夾是根目錄下唯一的一個(gè)文件，因此在根目錄的數(shù)據(jù)如上圖所示。

此文件夾為目錄屬性，是隱藏的系統(tǒng)目錄

長(zhǎng)文件名為System Volume Information，短文件名為SYSTEM~1

此目錄指向存放的數(shù)據(jù)在2號(hào)簇（對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)第一個(gè)簇），文件大小字段，由于此文件為目錄屬性，此字段無(wú)意義，因此強(qiáng)制為0

至此，根目錄區(qū)分析完了，同時(shí)根目錄區(qū)的 System Volume Information文件指向數(shù)據(jù)區(qū)第一個(gè)簇（2號(hào)簇），接下來(lái)我們便進(jìn)入數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行分析。

5.4 數(shù)據(jù)區(qū)分析

根據(jù) 4.3 章節(jié)計(jì)算可知，數(shù)據(jù)區(qū)起始地址為：0x40000，大小為242176 * 512 = 0x764 0000，數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)字段分析如下：

System Volume Information 目錄下存在兩個(gè)文件，分別是IndexerVolumeGuid 和 WPSettings.dat。根據(jù)上述分析可知：

IndexerVolumeGuid文件的數(shù)據(jù)存放在 FAT[3]，3號(hào)簇上，即數(shù)據(jù)區(qū)的第3個(gè)簇（數(shù)據(jù)區(qū)的第1個(gè)簇為2號(hào)簇）；

WPSettings.dat 文件的數(shù)據(jù)存放在 FAT[4]，4號(hào)簇上，即數(shù)據(jù)區(qū)的第2個(gè)簇（數(shù)據(jù)區(qū)的第1個(gè)簇為2號(hào)簇）；

首先，我們跳轉(zhuǎn)到4號(hào)簇上查看IndexerVolumeGuid的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)地址計(jì)算方式為：

FirstSectorofCluster = DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus = 512 + (4 - 2) * 4

= 520;

對(duì)應(yīng)地址為：FirstSectorofCluster * BPB_BytsPerSec = 520 * 512 = 0x0004 1000

接著跳轉(zhuǎn)到3號(hào)簇上查看WPSettings.dat的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)地址計(jì)算方式為：

FirstSectorofCluster = DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus = 512 + (3 - 2) * 4

= 516;

對(duì)應(yīng)地址為：FirstSectorofCluster * BPB_BytsPerSec = 520 * 512 = 0x0004 0800

5.5 新增文件測(cè)試

1.在根目錄下新增 test 目錄，使用winhex更新磁盤數(shù)據(jù)，觀察各數(shù)據(jù)區(qū)變化

保留區(qū)無(wú)變化

FAT區(qū)變化如下：

根目錄區(qū)變化如下：

數(shù)據(jù)區(qū)變化：

2.新增long file test文件夾，里面存入一個(gè) 長(zhǎng)度為 2050 Byte（占據(jù)兩個(gè)簇的空間） 的test.txt文件，使用winhex重新打開(kāi)磁盤進(jìn)行分析。

保留區(qū)無(wú)變化

FAT區(qū)變化如下：

根目錄區(qū)變化如下：

數(shù)據(jù)區(qū)變化如下： long file test 目錄數(shù)據(jù)指向6號(hào)簇，跳轉(zhuǎn)至6號(hào)簇，地址 DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus = 0x40000 + (6-2) * 4 * 512 = 0x420000

test.txt 文件指向 7號(hào)簇，跳轉(zhuǎn)至7號(hào)簇，地址 DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus = 0x40000 + (7-2) * 4 * 512 = 0x428000，均為test.txt的實(shí)際有效數(shù)據(jù)，如下：

6. 總結(jié)

以上便是關(guān)于FAT文件系統(tǒng)的全部分析了，通過(guò)上述分析，外加新增文件輔助理解，對(duì)于文件在FAT文件系統(tǒng)下如何管理、存儲(chǔ)，相信已經(jīng)有了非常深入的了解。

FAT文件系統(tǒng)分為四個(gè)區(qū)：

保留區(qū)最重要的是里面包含引導(dǎo)扇區(qū)，引導(dǎo)扇區(qū)內(nèi)存放著B(niǎo)IOS參數(shù)信息，通過(guò)此參數(shù)可以知道FAT文件系統(tǒng)的flash布局，以及flash大小，fat塊大小、簇大小等關(guān)鍵信息；

FAT區(qū)，記錄了文件所占用簇的情況，以及對(duì)于文件大小大于一個(gè)簇的文件，在FAT區(qū)內(nèi)形成簇鏈，記錄文件由哪幾個(gè)簇組成

根目錄區(qū)，只有FAT12/16系統(tǒng)所有，記錄了根目錄下的文件/目錄條目信息

數(shù)據(jù)區(qū)，記錄數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分，第一部分為目錄信息，除根目錄外，每個(gè)文件夾需要占據(jù)一個(gè)及以上的簇描述對(duì)應(yīng)目錄下的文件情況；第二部分為具體文件數(shù)據(jù)。兩部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)短文件名SFN字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)！

以上就是FAT文件系統(tǒng)的簡(jiǎn)單概括，由于本文使用的是FAT16文件系統(tǒng)作為實(shí)例分析。

審核編輯：湯梓紅