FAT32文件系统详解

news2024/10/7 14:26:16

FAT32文件系统详细分析 （续FAT文件系统详解）

文章目录

  • FAT32文件系统详细分析 （续FAT文件系统详解）
    • 1. 前言
    • 2. 格式化SD nand/SD卡
    • 3. FAT32文件系统分析
      • 3.1 保留区分析
        • 3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS区分析
        • 3.1.2 FSInfo 结构扇区分析
        • 3.1.3 引导扇区剩余扇区
        • 3.1.4 备份引导扇区
        • 3.1.5 保留区剩余区域
      • 3.2 分区偏移及大小计算
      • 3.3 FAT区分析：
        • 3.3.1 FAT1
        • 3.3.2 FAT2
      • 3.4 数据区分析：
    • 4. 总结

1. 前言

续上一篇文章 FAT文件系统详解（点击跳转！）

在上一篇文章，我们已经对FAT文件系统有了一个详细的介绍，但由于FAT文件系统由历史发展，存在FAT12/16/32三种系统，在上一篇文章中采用的是FAT16系统作为实例进行的分析，而FAT32系统存在些许差异，且FAT32文件系统在当前应用广泛，因此特补充此篇博文，完善FAT32的示例分析。

2. 格式化SD nand/SD卡

  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。
    在这里插入图片描述
  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：
在这里插入图片描述

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：
在这里插入图片描述

  • 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：BPB_FATSz32，1909，一个FAT占用的扇区数，FAT区总大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 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：

字段名偏移大小描述
FSI_LeadSig04固定值为0x41615252，头部签名
FSI_Reserved14480保留区域，采用0x00覆盖
FSI_StrucSig4844固定值为0x61417272，也是一个签名
FSI_Free_Count4884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_Free4924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_Reserved249612保留区域，采用0x00覆盖
FSI_TrailSig5084固定值0xAA550000，尾部签名

内容如下：
在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述

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BPB_BkBootSec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 * BPB_BytsPerSec = 6 * 512Byte = 3072Byte = 0xC00

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述
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！
在这里插入图片描述

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：

分区名起始扇区起始地址分区大小备注
保留区0x000x00扇区数： BPB_RsvdSecCnt = 4374
字节数： BPB_BytsPerSec ✖ BPB_RsvdSecCnt = 4374 ✖ 512 = 2239488 = 0x22 2C00
FAT区FatStartSector = BPB_RsvdSecCnt = 43730x22 2C00扇区数：FatSectors = BPB_FATSz?? ✖ BPB_NumFATs = 1909 ✖ 2 = 3818
字节数：3818 ✖ 512 = 1954816= 0x1D D400
根目录区无---
数据区DataStartSector = FatStartSector + FatSectors = 4374 + 3818 = 81920x222C00 + 0x1DD400= 0x40 0000扇区数：DataSectors = BPB_TotSec32 - DataStartSector = 985088 - 8192 = 976896

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
FAT143730x22 2C00扇区数：1909
字节数：1909 ✖ 512 = 977408
FAT24373 + 1909 = 62820x22 2C00 + 1909 ✖ 512 = 0x31 1600扇区数：1909
字节数：1909 ✖ 512 = 977408

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：
在这里插入图片描述

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：
在这里插入图片描述

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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
之后切换到4号簇和5号簇，可以查看到对应数据：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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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