FAT32 文件系统详细分析 (格式化 SD nand/SD 卡)

1. 前言

文件存储到存储芯片中，有 2 种形式。

1， 直接按照地址的方式进行存储。

2， 以文件系统的形式进行存储。

直接按照地址的方式进行存储，可以通过建立一张索引表，知道哪些地址存储哪些数据，或者按照固定的方式，进行顺序的存储。这种写入的方式好处是不需要复杂的文件系统管理，但是不方便数据的交互。因为这张索引表都是自己定义的，不是通用的标准。

文件系统形式进行存储，就会有一套标准，大家都按照这个标准来，不同的设备都可以对于这个数据进行读写操作。通过文件系统的方式来存储数据，好处是方便了数据的交互，但是也会提高复杂程度。并且如果数据是完整的保存到存储单元中，但是描述这个文件的相关文件参数损坏了，这个文件也就无法正确读取到了。每一个数据，都有描述文件起始地址，文件大小，格式等等很多参数，也也就提高了文件出错的概率。 文件系统的种类也有很多，比如 FAT，exfat，NTFS，ext4 等等。
今天我们就先了解下 fat32 的文件系统。

2.格式化 SD nand/SD 卡

申请到雷龙发展代理的 CS 创世 贴片 SD Card (SD NAND) 样品，做出测试，分享一下,该公司 SD NAND 二代产品介绍可以参考如下地址http://longsto.com/product/list-39.html,有1Gb,4Gb,32Gb,64Gb的容量可选,我这里申请到的是两片32Gb的芯片和测试板.

2.1 格式化 SD nand / SD 卡，强制采用 FAT32 格式，分配每个簇大小为 2048Byte，同时为了避免其他原有数据干扰，我们此处取消快速格式化。

2.2 使用 WinHex 打开分析

3.FAT32 文件系统分析

FAT 文件系统布局图如下，和 FAT16 上有些许差别：

3.1 保留区分析

保留区分为引导扇区、备份引导扇区及其他字段，具体数据段分析如下。

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及 BS 区分析

BPB 及 BS 参数内容数据如下：

EB 58 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)

16 11：BPB*RsvdSecCnt，保留区的扇区数，0x1116=4374 (通过此可计算，FAT 区起始地址为 4374 * 512 = 0x22 2C00)

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 00：BPB_RootEntCnt，0，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

00 00：BPB_FATSz16，00，一个 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。

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 08 0F 00：BPB_TotSec32，0x0F0800 = 985088（整个卷空间大小），32 位大小区域描述 FAT 卷扇区总数。 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。（481M = 512 * 985088）

以上是 FAT12/16/32 公共字段，接下来是 FAT32 独有字段

75 07 00 00：BPBFATSz32，1909，一个 FAT 占用的扇区数，FAT 区总大小等于 BPB_FATSz?? * BPBNumFATs 扇区。（由此可计算 FAT 区总大小：1909 * 2 = 3818 扇区 = 3818 _ 512Byte = 0x1D D400 Byte）

00 00: 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。

00 00：BPB_FSVer：FAT32 版本，高字节是主版本号，低字节是次版本号。

02 00 00 00：BPB_RootClus，2， 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。

01 00：BPB_FSInfo，1，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。

06 00：BPB_BkBootSec，6， 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。

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00：BPB_Reserved，0，保留

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

30 D1 B5 78：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 33 32 20 20 20：BS_FilSysType，始终为"FAT32 "，对 FAT 类型的确定没有任何影响。

33 C9 … B9 01 00 00：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。

3.1.2 FSInfo 结构扇区分析

FSInfo 数据结构为 FAT32 系统所特有，其目的是记录 FAT32 系统上剩余的簇数量以及下一个空闲簇数据；以避免扫描整个磁盘搜索导致的时间浪费。

FSInfo 数据偏移可从引导扇区内的 BPB_FSInfo 参数获取，此处为 1，因此 FSInfo 数据偏移为 1 个扇区，对应 512Byte，0x200 地址处。FSInfo 数据结构如下：

内容如下：

3.1.3 引导扇区剩余扇区

FAT32 引导扇区总共有三个 512Byte 的扇区构成。BPB、BS、FSInfo 字段已使用了 2 个扇区，还剩有一个扇区未使用，字段为 0，如下图所示，需要注意的是，此扇区在偏移值 510 处依旧存在尾部签名 0xAA55。

引导扇区剩余字段，为非有效字段，采用 0x00 填充。

3.1.4 备份引导扇区

相比 FAT12/16，FAT32 系统上存在引导扇区的备份，此块区域偏移参考引导扇区内 BPBBkBootSec 字段，当前引导扇区内此参数值为 6， 因此在当前文件系统内，备份引导扇区的偏移为 6 号扇区，对应偏移地址为 BPB_BkBootSec * BPBBytsPerSec = 6 * 512Byte = 3072Byte = 0xC00

3.1.5 保留区剩余区域

在 FAT32 系统中，保留区除了 BPB 区域、FSInfo 区域以及这两个区域的备份区域外，还有一部分区域，目前我没找到此区域的作用，我理解为此块区域是作为某种引导程序，数据内容如下：

关于此块区域，欢迎大家在评论区讨论！
此外，还有一处区域的存在也欢迎大家讨论，即 FSInfo 扇区后面的一个扇区，只有看到尾部签名，其他数据为空，目前也未找到此处有关说明，后续清楚后会在此补充，亦欢迎大家在评论区讨论！

3.2 分区偏移及大小计算

知道 BPB 参数内容之后，便可以进行分区偏移及大小计算了！
各分区偏移地址及大小如下：

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：

注意：在 FAT32 系统中，根目录区不存在，但依旧存在根目录，不过是根目录作为数据区的一部分！

3.3 FAT 区分析：

FAT32 系统与 FAT12/16 系统在 FAT 区数据一个显著差别是：FAT32 每条 FAT 条目占 32bit，FAT16 占 16 个 bit，FAT12 占 12bit。关于此部分更详细描述，可参考上一篇：FAT 文件系统详解（点击跳转！） 的 4.3 章节！

3.3.1 FAT1
FAT1 偏移地址：0x22 2C00
数据内容如下：

3.3.2 FAT2
FAT2 是 FAT1 的备份，偏移地址：0x31 1600
数据内容与 FAT1 一致，如下：

3.4 数据区分析：

偏移地址：0x40 0000
由参数 BPB_RootClus 可知，数据区第一个簇是 2 号簇。
打开数据区的第一个簇，里面存放的内容便是根目录的内容！这也就是为什么 FAT32 没有根目录区，但依旧存在根目录的实现方式。数据内容如下：

之后我们看到 3 号簇的内容：
数据字段如下图所示，由于在上一篇博文中已对长短文件名每个字段进行过细致分析，此处不再做过度分析，仅抽取关键字段进行分析，如下图所示：

之后切换到 4 号簇和 5 号簇，可以查看到对应数据：

从 6 号簇开始便没有在使用，均为空闲簇，对应上 FSInfo 结构内 FSI_Nxt_Free 字段的内容。

4.总结

相比 FAT16 系统，FAT32 文件系统在保留区有了更多的设计：
1）增加了引导扇区的备份，异常掉电等情况下可恢复性更强；
2）增加了 FSInfo 结构，对于大容量 flash 访问将更加高效；

此外 FAT32 系统取消了根目录区，将根目录移至数据区，根目录与普通目录本来就没有什么区别，确实也不用单独分一个区存放，提高了一致性。

关于数据的存储思想，依旧保持不变：FAT 区内的 FAT 条目通过簇链记录扇区使用情况及文件占用的扇区情况；数据区内目录和文件都作为文件，通过目录这一类特殊文件，描述文件属性以及实际文件内容存放的簇的方式，将整个文件管理起来。

综上，便是 FAT32 格式文件系统的详细解析，欢迎大家评论区进行积极讨论与反馈！！！

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