FATFS文件系统详解

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1. 简介

在早期计算机刚发展的时候，那时候硬盘大小、flash设备容量都比较小，随着技术的不断迭代更新，硬盘容量越来越大。在早期，面对小容量的硬盘/flash，往往采用对应地址存放对应数据的方案，由于数据量不大，操作起来尚还可以。但是发展到今天，随着硬盘/flash容量不断增大，存储的数据也越来越多，早期单一的对应地址存放对应数据的方案已经无法满足我们的需求，操作硬盘/flash会变得异常的困难复杂。

因此针对上述问题，一群大佬们便开始设计文件系统这样一个东西，用来管理硬盘/flash上的数据信息，像我们电脑上打开文件夹，访问里面的文件，这其实就是基于文件系统访问电脑硬盘上数据的一个操作。

发展至今，文件系统已有众多版本，本文主要分享 关于FAT文件系统的详细设计， FAT文件系统适用于嵌入式设备，如SD卡、SD nand、spi nor flash等众多存储设备，同时基于此文件系统的文件亦能被电脑正常读取。

2. 基础概念

在研究文件系统之前，我们需要首先弄清楚关于内存这块的几个基本概念：

  1. 区分 扇区、块、簇 的概念

  • 扇区（sector）：flash可操作的最小单元，通常指我们擦除的最小单元大小，以sd nand举例，通常最小为512Byte

  • 块（block） 以及 簇（cluster）：其实这是两个相同的概念，只是由于历史原因，在不同系统上的不同称呼，在windows中称簇，而在linux中称块。一个簇/块由多个扇区组成，由于一个扇区的空间较小，因此文件系统通过会将多个扇区组合在一起形成一个簇，并以簇为单位进行读写操作！ 一个簇通常可以由 2、4、8、… 、2的n次方个扇区组成。

  1. FAT文件系统总共由FAT12、FAT16以及FAT32三个版本，这是由于随着存储技术不断发展，FAT文件系统迭代导致，数字越大，版本越新，新版本对老版本完全兼容！

3. FAT文件系统组成介绍

Fat文件系统官方文档：http://elm-chan.org/docs/fat_e.html

FAT文件系统在flash上的布局如下图所示，总共由四个区域组成：

  • 保留区
  • FAT区
  • 根目录区 （FAT32类型不包含此区域）
  • 数据区
       

接下来，我们对一张格式化为FAT格式的SD卡进行分析，理解FAT文件系统的实现细节：

4. FAT文件系统分析

4.1 采用FAT格式格式化SD nand/sd卡

  1. 使用win10格式化一张118.5M的SD nand / sd卡，我这里用的是手上的一颗 创世CS 家的sd nand加一块转接板，和SD卡完全没有区别，且SD nand在稳定性上比SD卡具有优势。

此处由于SD nand（SD卡）大小原因，默认采用FAT16进行了格式化！因此在下文中我们先以FAT16进行分析，之后再重新格式化为FAT32进行分析，就很容易懂了！

4.2 引导扇区分析

  1. 使用 winhex  工具打开对应磁盘，注意需使用管理员权限运行
  2. 打开后我们可以以二进制的格式查看SD卡上所有数据，首先看到第一个扇区，也就是对应的引导扇区 boot sector，注意引导扇区位于保留区！
  3. 接下来我们根据官方文档 对引导扇区进行分析

注意，FAT文件系统数据均采用小端格式！

a) 首先是FAT12/16/32公共部分，（偏移值 0 - 35）：

  • EB 3C 90 ：BS_JmpBoot，跳转指令
  • 4D 53 44 4F 53 35 2E 30 ：BS_OEMName，MSDOS 5.0，一个名字，指示创建此卷的操作系统，无其他作用
  • 00 02 ：BPB_BytsPerSec，扇区大小 512 字节
  • 04 ：BPB_SecPerClus，每次操作的最小扇区数，簇 Cluster，4 (与格式化时选择的大小匹配 2048 = 512 * 4)
  • 06 00 ：BPB_RsvdSecCnt，保留区的扇区数，6 (通过此可计算，FAT区起始地址为 6 * 512 = 0xC00)
  • 02 ：BPB_NumFATs，FATs的个数，2（一般此值为2，多一个用来做冗余备份，解决系统异常导致第一个损坏时，增大恢复的可能性，表示FAT区有两个FATs备份）
  • 00 02 ：BPB_RootEntCnt，512，在FAT12/16系统中，此字段表示根目录中32字节目录条目数量，设置此值时需注意对齐，为了最大的兼容性，FAT16系统上此值应设置为512，FAT32系统上此值应设置为0
  • 00 00 ：BPB_TotSec16，16位大小区域描述FAT卷扇区总数，0。当FAT12/16系统扇区数 ≥0x10000(65536)时，此字段应设置为0，真实值存放在 BPB_TotSec32 字段；对于FAT32系统，此值必须为0。(此处由于我们的总扇区数=118.510241024/512 = 242688 > 65536，所以此字段为0)
  • F8 ：BPB_Media 媒体类型
  • ED 00 ：BPB_FATSz16，237，一个FAT占用的扇区数，此字段仅在FAT12/16系统使用；FAT32系统，此字段必须为0，使用BPB_FATSz32字段替代。FAT区总大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇区（2372512=242688=0x3B400，由此可推算根目录区起始地址：0x3B400+0xC00=0x3C000）。
  • 3F 00 ：BPB_SecPerTrk，每个磁道的扇区数，此字段仅与具有几何形状且仅用于 IBM PC 的磁盘 BIOS 的介质相关，不用管。
  • FF 00 ：BPB_NumHeads，头数量，此字段仅与具有几何形状且仅用于 IBM PC 的磁盘 BIOS 的介质相关，不用管。
  • 00 00 00 00 ：BPB_HiddSec，0，FAT 卷之前的隐藏物理扇区数（当磁盘被分区之后，当前分区并不一定是从扇区头开始的）
  • 00 B4 03 00 ：BPB_TotSec32，242688，32位大小区域描述FAT卷扇区总数（整个卷空间大小）。 FAT12/16系统，扇区总数小于0x10000时，此字段必须为0，真实值存放在BPB_FATSz16；FAT32系统，此字段一直有效。（118.5M = 512 * 242688）

b) 接下来是FAT12/16特有字段（偏移值36）

  • 80 ：BS_DrvNum，IBM PC 的磁盘 BIOS 使用的驱动器号，00h代表软盘，80h代表固定磁盘
  • 00 ：BS_Reserved，保留字段，0
  • 29 ：BS_BootSig，扩展引导签名，表示以下存在三个字段
  • 83 3E 07 E4 ：BS_VolID，与 BS_VolLab 一起构成卷序列号，一般在格式化的时候结合时间生成
  • 4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20 ：(解析为:"NO NAME “)，BS_VolLab，11byte卷标，当卷标不存在时，此值应设置为"NO NAME”
  • 46 41 54 31 36 20 20 20 ：(解析为:"FAT16 ")，BS_FilSysType文件系统类型，支持字段有："FAT12 ", "FAT16 " or "FAT "，注意很多人认为是通过此字段区分FAT12/16/32系统类型，实际是错误的，文件系统类型实际上是根据磁盘大小确定的，官方文档 “Determination of FAT sub-type” 章节或本博文后文有描述，不过为了最大的兼容性考虑，此字段应设置为对应文件系统的名字。
  • 33 C9 ~ CB D8 ：BS_BootCode，引导启动程序，与平台有关，不使用时填充为0
  • 55 AA ：BS_BootSign，0xAA55，引导签名，指示这是一个有效的引导扇区
    当扇区大小大于512字节时，剩余的字段应全部使用0x0填充。

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

虽然此处我们的是FAT16格式，不过此处也将FAT的字段进行描述，方便理解。

  • BPB_FATSz32 ：一个FAT占用的扇区数，此字段仅在FAT32系统有效。FAT区总大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇区。
  • BPB_ExtFlags ：扩展标识字段，bit7=0，表示所有FAT都是镜像的和活跃的；bit7=1，表示只有bit3-0表示的FAT是有效的。
  • BPB_FSVer ：FAT32版本，高字节是主版本号，低字节是次版本号。
  • BPB_RootClus ：根目录的第一个簇号，此值通常为2，因为前两个簇一般用于保留。
  • BPB_FSInfo ：FSInfo结构扇区与FAT32卷顶部的偏移扇区值。此值通常为1，因为其通常位于引导扇区旁边。
  • BPB_BkBootSec ：备份引导扇区与FAT32卷顶部的偏移扇区值。此值通常为6，考虑最大的兼容性，此值不建议为其他值。
  • BPB_Reserved ：保留
  • BS_DrvNum ：含义与FAT12/16字段一样
  • BS_Reserved ：含义与FAT12/16字段一样
  • BS_BootSig ：含义与FAT12/16字段一样
  • BS_VolID ：含义与FAT12/16字段一样
  • BS_VolLab ：含义与FAT12/16字段一样
  • BS_FilSysType ：始终为"FAT32 "，对FAT类型的确定没有任何影响。
  • BS_BootCode32 ：引导启动程序，与平台有关，不使用时填充为0
  • BS_BootSign ：0xAA55，引导签名，指示这是一个有效的引导扇区
    当扇区大小大于512字节时，剩余的字段应全部使用0x0填充。

以上就是引导扇区内容的详细分析了，通过引导扇区的内容，我们即可知道FAT文件系统依赖的硬件存储空间大小、簇大小、扇区大小以及以及FAT系统版本等重要信息。

同时通过引导扇区的内容，我们便可计算出对应的FAT的四个区域的大小及起始偏移位置等重要信息，接下来计算FAT四个分区的起始位置及大小。

4.3 分区偏移及大小计算

FAT卷总共分为以下四个区域：

  • 保留区
    • 第一个扇区为引导扇区，存放BPB(BIOS Parameter Block)数据，存放的是FAT卷的配置参数。
    • 上述参数中以 BPB_ 命名的字段都是 BPB 的一部分，而以 BS_ 标题命名的字段都不是 BPB 的一部分，而只是引导扇区的一部分
  • FAT区（分区表装载区）
  • 根目录区
  • 数据区

各分区偏移地址及大小如下：

分区名 起始扇区 起始地址 分区大小 备注
保留区 0x00 0x00 扇区数： BPB_RsvdSecCnt  = 6
字节数： BPB_BytsPerSec  ✖ BPB_RsvdSecCnt  = 6 ✖ 512 = 3072 = 0xC00
FAT区 FatStartSector = BPB_RsvdSecCnt  = 6 0xC00 扇区数：FatSectors = BPB_FATSz??  ✖ BPB_NumFATs  = 237 ✖ 2 = 474
字节数：474 ✖ 512 = 242688 = 0x3B400
根目录区 RootDirStartSector = FatStartSector + FatSectors = 6 + 474 = 480 0x3B400 + 0xC00 = 0x3C000 扇区数：RootDirSectors = (32 ✖ BPB_RootEntCnt + BPB_BytsPerSec  - 1) / BPB_BytsPerSec  = (32 * 512 + 512 - 1) / 512 = 32
字节数：32 ✖ BPB_RootEntCnt  = 32 ✖ 512 = 16384 = 0x4000		 根目录区每个目录项占32Byte
数据区 DataStartSector = RootDirStartSector + RootDirSectors = 480 + 32 = 512 0x3C000 + 0x4000 = 0x40000 扇区数：DataSectors = BPB_TotSec  - DataStartSector  = 242688 - 500 = 242176

此外，关于FAT区，通常存在一个以上的FAT，如此处所格式化的sd卡便存在两个FAT，对应的偏移地址和大小如下：

FAT 起始扇区 起始地址 分区大小 备注
FAT1 6 0xC00 扇区数：237
字节数：237 ✖ 512 = 121344
FAT2 6 + 237 = 243 0xC00 + 237 ✖ 512 = 0x1E600 扇区数：237
字节数：237 ✖ 512 = 121344

4.4 FAT子类型确认

关于FAT的类型是FAT12/16/32确认：FAT类型由数据区内簇的数量决定，除此之外无其他办法！

  • 当一个卷，簇的数量 ≤4085 时，为FAT12
  • 当一个卷，簇的数量 ≥4086 且 ≤65525 时，为FAT16
  • 当一个卷，簇的数量 ≥65526 时，为FAT32

簇的数量计算公式：CountofClusters

 = DataSectors

 / BPB_SecPerClus

;
如我们这里：CountofClusters

 = 242176 / 4 = 60544，所以为 FAT16！

当簇的大小从 512 ~ 32768字节的各种条件下，不同类型FAT对应卷的大小范围如下：

4.4 访问FAT条目

FAT区由一条条FAT条目构成，关于 FAT[N]

 对应的条目具体位置计算如下：

  • FAT16
  • FAT32:

格外需要注意的是，不同格式，对应的FAT条目的长度和格式不一样：

此外对于FAT32格式，高4位是保留位，只有低28位有效！

具体如下图所示：

4.5 文件与簇之间的关系

那么文件和簇之间的相互关系又是怎样的呢？我们又是如何准确的找到存放在flash上的文件的呢？接下来让我们看下文件与簇之间的关系映射。

在FAT卷上文件通过目录管理，目录是一个32字节数组组成的目录条目结构，此目录结构包含：文件名、文件大小、时间戳以及文件所在的第一个簇号。

簇号为0和1的簇被保留，由参数BPB_RootClus

可知，有效簇从第2号簇开始。FAT[2](2号簇)对应数据区的第一个簇。

因此第N个簇的位置计算公式如下：
FirstSectorofCluster

 = DataStartSector

 + (N - 2) * BPB_SecPerClus

每个条目所在的位置，对应一个簇。当文件长度大于一个簇长度时，条目内的值为下一个条目的索引，直到文件所在的最后一个簇，由此构成簇链！文件所在的最有一个簇所对应的FAT条目内的值由一个特殊的值（EOC）组成，它永远不会匹配任何有效的簇号，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来做损坏簇的标记，如下：

  • FAT12： 0xFF7
  • FAT16：0xFFF7
  • FAT32：0xFFFFFFF7

不过此处需要注意，在FAT12/16系统上，上述特殊值绝不会和任何有效簇匹配，但是在FAT32上有可能，因此为了防止混淆，你在创建FAT32系统的时候应该避免这种情况发生！因此FAT32系统上簇的上限为268435445（大于256M个簇）

FAT条目初始化的时候，FAT[2] 及以后的数据应被初始化为0，指示未被使用处于空闲状态，如果值不为0，则意味着簇被损坏或被使用状态。在FAT12/16系统上，空闲簇的数量未被记录，而在FAT32系统上，FAT32支持FSInfo结构体，里面记录了空闲簇的数量。

关于FAT[0]和FAT[1]：

此两个保留的条目，没有与任何簇有联系；不过具有其他意义，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?? 与 BPB_Media

 相同；

FAT[1] 记录了错误历史记录：卷脏标志（FAT16：bit15、FAT32：bit31），系统在启动的时候清除此位，正常关闭的时候恢复。
如果此位已经清除，表明上次未被正常关闭，可能存在逻辑卷错误；硬件错误标志（FAT16：bit14、FAT32：bit30）当出现无法恢复的读写错误时清除，表明需要进行全面检查。

关于FAT区域，有两个重点注意事项：

  1. 第一个是FAT的最后一个扇区可能没有被完全使用。在大多数情况下，FAT在扇区的中间结束。FAT驱动程序不应该对未使用的区域做出任何假设。在格式化卷时，应该用零填充它，并且在此之后不应更改它。
  2. 另一个是BPB_FATSz16/32可以指示比卷需要的值大的值。换句话说，未使用的扇区可以跟随每个FAT。这可能是数据区域对齐或其他原因导致的。同时，在格式化时这些扇区也会被用零填充。

下表展示了不同FAT类型中FAT值所对应的含义解释：

4.6 FSInfo扇区结构及备份引导扇区

此部分内容只在FAT32系统上存在，对于FAT12系统FAT区域大小最大6KB，对于FAT16系统FAT区域最大128KB，但是在FAT32系统上FAT区域通常上达数MB，这是因为FAT32系统支持FSInfo数据结构。

在FAT32系统上新增FSInfo数据结构的原因是：在FAT12/16系统上，想要知道flash上剩余的簇数需要扫描整个FAT区才能计算出来，但随着flash容量的不断扩大，扫描花费的时长越来越长，为了避免扫描浪费过多的时间，因此在FAT32系统上增加了FSInfo结构，用于记录flash上剩余的簇数。

FSInfo数据结构如下：

字段名 偏移 大小 描述
FSI_LeadSig 0 4 固定值为0x41615252，头部签名
FSI_Reserved1 4 480 保留区域，采用0x00覆盖
FSI_StrucSig 484 4 固定值为0x61417272，也是一个签名
FSI_Free_Count 488 4 记录了空闲的簇数，如果这个值为0xFFFF FFFF，则表示不知道具体的空闲簇数
FSI_Nxt_Free 492 4 提示驱动程序应该从此参数提示的簇开始寻找空闲的簇，通过此参数便可以不用从FAT区头开始寻找下一个空闲簇了，节省了大量时间；如果此参数为0xFFFF FFFF，则驱动程序应该从头部（2号簇）开始寻找空闲簇
FSI_Reserved2 496 12 保留区域，采用0x00覆盖
FSI_TrailSig 508 4 固定值0xAA550000，尾部签名

注意：当扇区大小大于512字节时， 剩余空间采用0x00填充

4.7 FAT目录

FAT目录分为长文件名目录（LFN）以及短文件名目录（SFN），长文件目录是在短文件名目录上的一个扩展，具体采用长文件名还是短文件名由读取FAT文件系统的操作系统决定，如windows；设置长文件名时短文件名也被设置，具有兼容性。

此外，有一个很重要的概念：在FAT文件系统上目录也是一个文件，只是此文件的属性不一样而已。

在所有目录中，有一个比较特殊的是根目录，且根目录作为顶层目录必须存在。

  • 在FAT12/16系统中，根目录不是一个文件，且放在根目录区，根目录的最大条目数由 BPB_RootEntCnt

     参数指示；

  • 在FAT32系统中，根目录与子目录没有什么区别，且根目录的起始簇由 BPB_RootClus

     参数指示。

  • 根目录与子目录的另外一个区别是，根目录不包含 .

     ..

     此两个点目录，且它可以包含卷标（具有ATTR_VOLUME_ID

    属性的条目）

4.7.1 SFN 短文件名目录

目录条目结构如下：

字段名 偏移 大小 说明
DIR_Name 0 11 短文件名
DIR_Attr 11 1 文件属性标志，由以下标志组合构成（高2位保留且为0）
0x01: ATTR_READ_ONLY  (Read-only)
0x02: ATTR_HIDDEN  (Hidden)
0x04: ATTR_SYSTEM  (System)
0x08: ATTR_VOLUME_ID  (Volume label)   根目录项中有且仅有一个目录具有此属性，且具有此属性的目录 DIR_FstClusHI, DIR_FstClusLO, DIR_FileSize 字段需要为0
0x10: ATTR_DIRECTORY  (Directory)
0x20: ATTR_ARCHIVE  (Archive)  备份使用
0x0F: ATTR_LONG_FILE_NAME  (LFN entry)
DIR_NTRes 12 1 指示 SFN 大小写信息的可选标志
0x08: 文件名内的每个字符都是小写
0x10: 扩展名内每个字符都是小写
DIR_CrtTimeTenth 13 1 可选的次秒级信息对应于 DIR_CrtTime 。DIR_CrtTime  的时间分辨率为2秒，因此该字段给出的计数为亚秒，其有效值范围为0到199，单位为10毫秒。如果不受支持，则设置为零，以后不要更改。
DIR_CrtTime 14 2 可选的创建文件的时间，如果不支持，应设置为0且之后不能被改变
DIR_CrtDate 16 2 可选的创建文件的日期，如果不支持，应设置为0且之后不能被改变
DIR_LstAccDate 18 2 可选的最后访问日期，如果不支持，应设置为0且之后不能被改变
DIR_FstClusHI 20 2 指示文件所在簇号的上半部分，在FAT12/16系统上始终为0
DIR_WrtTime 22 2 文件被修改的最后时间
DIR_WrtDate 24 2 文件被修改的最后日期
DIR_FstClusLO 26 2 指示文件所在簇号的下半部分，注意当文件大小为0时，不会有簇分配，此时此值为0；当此文件为一个目录时，此值始终为有效值
DIR_FileSize 28 4 文件大小，单位：字节；当此文件为目录时，此参数未被使用，且应该设为0

关于目录结构的第一个字段 DIR_Name

 的第一个元素 DIR_Name[0]

 在目录表中有着特殊作用，如下：

  • 当此值为 0xE5  时，代表此目录条目未被使用（或已废弃）
  • 当此值为 0x00  时，也代表此目录条目未被使用；此外还提示后续目录条目也未被使用，因为后续的目录条目 DIR_Name[0]  都会是 0x00
  • 如果文件名的第一个字符为 0xE5  这个特殊值，则使用 0x05  替代。

这么设计的意义是什么呢？将 DIR_Name[0]

 用作特殊字符，其目录在于方便文件删除！当我们删除一个文件的时候，文件系统并不会将此文件所对应的数据全部删除，因为那样太费时间了，也没有必要，而是直接将对应文件的目录项中的 DIR_Name[0]

 修改为 0xE5

 即可！

关于文件名字段 DIR_Name

，在FAT文件系统中还有如下规定：

  • DIR_Name  字段的11字节的文件名分为两个部分：8 字节的主文件名 + 3字节的扩展名；
  • 文件名中主文件名与扩展名中间的 .  被省略，不在此记录
  • 如果主文件名长度不够，小于8字节，则使用 0x20  空格填充
  • 用于设置文件名的字符也有限制，支持的字符有 0～9 A～Z ! # $ % & ’ ( ) - @ ^ _ ` { } ~
  • 主文件名和扩展名中的(a~z)ASCII字符都会被转化成大写字符保存

以下为文件名存储示例：

4.7.2 LFN长文件名

长文件名是文件名的另外一种存储方式，由于SFN短文件名具有长度、字符等限制，在一些场景下不能很好的满足需求，因此就需要使用到长文件名，关于长文件名的具体内容如下：

长文件名是一个具有特殊属性的目录条目。长文件名目录属性 DIR_Attr

 字段的值 ATTR_LONG_NAME 

= (ATTR_READ_ONLY | ATTR_HIDDEN | ATTR_SYSTEM | ATTR_VOLUME_ID)

 = 0x0F

；

关于长文件名的目录属性如下：

字段名 偏移 大小 描述
LDIR_Ord 0 1 序号(1-20)，用来表示此条目属于长文件名序列条目中的第几条。且长文件名序列首条条目的值应& 0x40 以进行标识！
LDIR_Name1 1 10 长文件名 第1 ~ 第5 字符（注意此处一个字符占两个字节）
LDIR_Attr 11 1 长文件名属性，此值永远为 ATTR_LONG_NAME 0x0F
LDIR_Type 12 1 类型，必须为0
LDIR_Chksum 13 1 和校验
LDIR_Name2 14 12 长文件名 第6 ~ 第11 字符（注意此处一个字符占两个字节）
LDIR_FstClusLO 26 2 必须为0
LDIR_Name3 28 4 长文件名 第12 ~ 第13 字符（注意此处一个字符占两个字节）

关于长文件名，有以下几点重要概念：

  • 一个文件一定有短文名SFN，但不一定有长文件名LFN
  • 长文件名LFN字段中仅包含文件名信息，不包含其他内容，其他内容需要通过短文件名SFN查看
  • 如果一个文件既有长文件名也有短文件名，则长文件名是其主要名字，而短文件名则为附加名字
  • 长文件名LFN条目在对应的短文件名SFN条目前面
  • 一个文件的长文件名最长255字符，对应最多20个长文件名LFN条目
  • 长文件名简单理解起始就是存储一个字符串，因此没有类似SFN的限制，允许有空格、支持大小写、允许多个. 符号等
  • LFN条目文件名长度不够，仍然采用0x20 填充

下图是官方关于一个名为 “MultiMediaCard System Summary.pdf” 的长文件名在flash上的长文件名条目，如下所示，一眼没看明白也没关系，后文有实例说明，对长文件名有概念了就行！

关于长文件名的checksum字段和计算，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系统对于SFN的兼容

在使用LFN长文件名的系统中，会自动生成SFN短文件名已确保此文件在短文件名的文件系统中可使用。同时为了防止生成的短文件名冲突，SFN的生成采用 名称+数字后缀+扩展 的格式，同时采用以下规则生成SFN：

  1. 小写自动转大写
  2. 如果存在空格，则删去空格，设置有损转换标识
  3. 已. 开头的文件删除头部的. ，并设置有损转换标识
  4. 存在多个. 的文件名，仅保留最后一个作为文件名与扩展的分隔，并设置有损转换标识
  5. 其他不支持的字符，采用_ 代替，并设置有损转换标识
  6. 文件名如果是Unicode编码，则转化为ANSI/OEM编码；不能转换的字符采用_ 代替，并设置有损转换标识
  7. 长度超过8字节的部分，截断，并设置有损转换标识
  8. 扩展名字段超过3字节的，截断，并设置有损转换标识

有损转转换标识为：~

，ASCII值为0x7E

，十进制126

示例如下：

至此，FAT文件系统的理论部分已经描述完了，接下来我们继续使用winhex对数据进行分析。

5. 分区分析

继续回顾我们一开始的这张布局图

5.1 保留分区分析

保留分区为第一个分区，其中引导扇区位于保留分区的第一个扇区。

根据 4.3 章节计算结果可知，保留分区起始地址为 0x00，大小 0xC00

保留分区数据如下，保留分区内最重要的内容即为引导扇区，除引导扇区外，其他剩余空间全部保留，采用0x00覆盖。关于引导扇区已在 4.2 章节详细分析，此处不再做介绍。

5.2 FAT区分析

根据 4.3 章节描述，FAT区的起始地址为 0xC00，大小为 0x3B400，此外存在两个FAT区，FAT1和FAT2，起始地址分别为：0xC00、0x1E600，对应地址数据如下：

FAT1 数据：

FAT2 数据如下：

由于此处采用FAT16格式，所以每个FAT条目占据两个字节！

根据上述数据进行分析：

  1. 确认 FAT2 为 FAT1 的备份；
  2. 存在5个FAT条目其中 FAT[0] 和 FAT[1] 为保留条目，FAT[0] 的内容与 BPB_Media  媒体类型字段一致，FAT[1] 用来记录错误历史记录 （详见 4.5 章节描述）
  3. 根据4.5章节描述，FAT[2](2号簇)对应数据区的第一个簇，又FAT[2]、FAT[3]、FAT[4] 数据均为 0xFF，表明存在三个文件，且每个文件的大小小于等于一个簇的空间；且分别存放在数据区第1到第3个簇上！

此处可能大家会由疑问，刚刚格式化的sd卡为什么会存在文件内，其实这个是系统文件，格式化后自带的，默认是隐藏的，只有使用winhex才能看到，也就是对应的System Volume Information

文件夹。

5.3 根目录区分析

注意，根目录区只有 FAT12 / FAT16 系统上存在，在FAT32系统上不存在此区域。

根目录区用来记录根目录下的文件内容，根据 4.3 章节计算可知，根目录区起始地址为：0x3C000，大小为0x4000，数据内容如下：

以下是对数据字段进行分析后的内容，如下图所示：

格式化之后，默认会生成一个System Volume Infomation

的系统文件夹，同时此文件夹是根目录下唯一的一个文件，因此在根目录的数据如上图所示。

  1. 此文件夹为目录属性，是隐藏的系统目录
  2. 长文件名为System Volume Information ，短文件名为SYSTEM~1
  3. 此目录指向存放的数据在2号簇（对应数据区第一个簇），文件大小字段，由于此文件为目录属性，此字段无意义，因此强制为0

至此，根目录区分析完了，同时根目录区的 System Volume Information

文件指向数据区第一个簇（2号簇），接下来我们便进入数据区进行分析。

5.4 数据区分析

根据 4.3 章节计算可知，数据区起始地址为：0x40000，大小为242176 * 512 = 0x764 0000

，数据内容如下：


对应数据字段分析如下：

System Volume Information

 目录下存在两个文件，分别是IndexerVolumeGuid

 和 WPSettings.dat

。根据上述分析可知：

  • IndexerVolumeGuid 文件的数据存放在 FAT[3]，3号簇上，即数据区的第3个簇（数据区的第1个簇为2号簇）；
  • WPSettings.dat  文件的数据存放在 FAT[4]，4号簇上，即数据区的第2个簇（数据区的第1个簇为2号簇）；

首先，我们跳转到4号簇上查看IndexerVolumeGuid

的数据，对应地址计算方式为：
FirstSectorofCluster

 = DataStartSector

 + (N - 2) * BPB_SecPerClus

 = 512 + (4 - 2) * 4
= 520;

对应地址为： FirstSectorofCluster

 * BPB_BytsPerSec

 = 520 * 512 = 0x0004 1000

接着跳转到3号簇上查看WPSettings.dat

的数据，对应地址计算方式为：
FirstSectorofCluster

 = DataStartSector

 + (N - 2) * BPB_SecPerClus

 = 512 + (3 - 2) * 4
= 516;

对应地址为： FirstSectorofCluster

 * BPB_BytsPerSec

 = 520 * 512 = 0x0004 0800

5.5 新增文件测试

  1. 在根目录下新增 test  目录，使用winhex更新磁盘数据，观察各数据区变化

  • 保留区无变化

  • FAT区变化如下：

  • 根目录区变化如下：

  • 数据区变化：

  1. 新增long file test 文件夹，里面存入一个 长度为 2050 Byte（占据两个簇的空间） 的test.txt 文件，使用winhex重新打开磁盘进行分析。
  • 保留区无变化
  • FAT区变化如下：

  • 根目录区变化如下：

  • 数据区变化如下：
    long file test  目录数据指向6号簇，跳转至6号簇，地址 DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus = 0x40000 + (6-2) * 4 * 512 = 0x420000
    test.txt  文件指向 7号簇，跳转至7号簇，地址 DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus = 0x40000 + (7-2) * 4 * 512 = 0x428000 ，均为test.txt 的实际有效数据，如下：    

6. 总结

以上便是关于FAT文件系统的全部分析了，通过上述分析，外加新增文件辅助理解，对于文件在FAT文件系统下如何管理、存储，相信已经有了非常深入的了解。

FAT文件系统分为四个区：

  1. 保留区最重要的是里面包含引导扇区，引导扇区内存放着BIOS参数信息，通过此参数可以知道FAT文件系统的flash布局，以及flash大小，fat块大小、簇大小等关键信息；
  2. FAT区，记录了文件所占用簇的情况，以及对于文件大小大于一个簇的文件，在FAT区内形成簇链，记录文件由哪几个簇组成
  3. 根目录区，只有FAT12/16系统所有，记录了根目录下的文件/目录条目信息
  4. 数据区，记录数据分为两个部分，第一部分为目录信息，除根目录外，每个文件夹需要占据一个及以上的簇描述对应目录下的文件情况；第二部分为具体文件数据。两部分数据通过短文件名SFN字段进行关联！

以上就是FAT文件系统的简单概括，由于本文使用的是FAT16文件系统作为实例分析，关于FAT32文件系统，在下一篇博文中进行补充，链接如下：FAT32文件系统详解（点击跳转！！！）

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