1.前言

本文主要以一个示例来分析FAT32文件系统的格式，对FAT32文件系统的各个区域详细分析。

2.FAT32文件系统典型分区

3.FAT32文件系统示例

按如下步骤在ubuntu下创建FAT32文件系统：

1.chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:~$ cd /tmp/

2.创建文件test.img

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/tmp$ sudo dd if=/dev/zero of=test.img bs=512 count=80000

3.创建FAT32文件系统

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/tmp$ sudo mkfs.vfat -F 32 test.img

4.将test.img挂载在/mnt

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/tmp$ sudo mount test.img /mnt
5.创建test1 test2 test3三个目录

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/mnt$ sudo mkdir test1 test2 test3

6.在test1下创建test1-1   test1-1-1目录

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/mnt$ cd test1

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/mnt/test1$ sudo mkdir test1-1

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/mnt/test1$ cd test1-1/

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/mnt/test1/test1-1$ sudo mkdir test1-1-1
7.创建hello.txt文件，写入内容,拷贝到test1/test1-1/test1-1-1下

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/tmp$ touch hello.txt

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/tmp$ echo you are my friend! > hello.txt

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/tmp$ sudo cp hello.txt /mnt/test1/test1-1/test1-1-1/

8.执行完如上步骤后，通过hexdump查看文件系统内容

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/tmp$ sudo umount /mnt

chenbo@chenbo-ThinkPad-R61:/tmp$ hexdump -C test.img

00000000  eb 58 90 6d 6b 66 73 2e  66 61 74 00 02 01 20 00  |.X.mkfs.fat... .|
00000010  02 00 00 00 00 f8 00 00  20 00 40 00 00 00 00 00  |........ .@.....|
00000020  80 38 01 00 68 02 00 00  00 00 00 00 02 00 00 00  |.8..h...........|
00000030  01 00 06 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000040  80 00 29 80 73 bc 92 4e  4f 20 4e 41 4d 45 20 20  |..).s..NO NAME  |
00000050  20 20 46 41 54 33 32 20  20 20 0e 1f be 77 7c ac  |  FAT32   ...w|.|
00000060  22 c0 74 0b 56 b4 0e bb  07 00 cd 10 5e eb f0 32  |".t.V.......^..2|
00000070  e4 cd 16 cd 19 eb fe 54  68 69 73 20 69 73 20 6e  |.......This is n|
00000080  6f 74 20 61 20 62 6f 6f  74 61 62 6c 65 20 64 69  |ot a bootable di|
00000090  73 6b 2e 20 20 50 6c 65  61 73 65 20 69 6e 73 65  |sk.  Please inse|
000000a0  72 74 20 61 20 62 6f 6f  74 61 62 6c 65 20 66 6c  |rt a bootable fl|
000000b0  6f 70 70 79 20 61 6e 64  0d 0a 70 72 65 73 73 20  |oppy and..press |
000000c0  61 6e 79 20 6b 65 79 20  74 6f 20 74 72 79 20 61  |any key to try a|
000000d0  67 61 69 6e 20 2e 2e 2e  20 0d 0a 00 00 00 00 00  |gain ... .......|
000000e0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
000001f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
00000200  52 52 61 41 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |RRaA............|
00000210  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
000003e0  00 00 00 00 72 72 41 61  89 33 01 00 08 00 00 00  |....rrAa.3......|
000003f0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
00000400  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000c00  eb 58 90 6d 6b 66 73 2e  66 61 74 00 02 01 20 00  |.X.mkfs.fat... .|
00000c10  02 00 00 00 00 f8 00 00  20 00 40 00 00 00 00 00  |........ .@.....|
00000c20  80 38 01 00 68 02 00 00  00 00 00 00 02 00 00 00  |.8..h...........|
00000c30  01 00 06 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000c40  80 00 29 80 73 bc 92 4e  4f 20 4e 41 4d 45 20 20  |..).s..NO NAME  |
00000c50  20 20 46 41 54 33 32 20  20 20 0e 1f be 77 7c ac  |  FAT32   ...w|.|
00000c60  22 c0 74 0b 56 b4 0e bb  07 00 cd 10 5e eb f0 32  |".t.V.......^..2|
00000c70  e4 cd 16 cd 19 eb fe 54  68 69 73 20 69 73 20 6e  |.......This is n|
00000c80  6f 74 20 61 20 62 6f 6f  74 61 62 6c 65 20 64 69  |ot a bootable di|
00000c90  73 6b 2e 20 20 50 6c 65  61 73 65 20 69 6e 73 65  |sk.  Please inse|
00000ca0  72 74 20 61 20 62 6f 6f  74 61 62 6c 65 20 66 6c  |rt a bootable fl|
00000cb0  6f 70 70 79 20 61 6e 64  0d 0a 70 72 65 73 73 20  |oppy and..press |
00000cc0  61 6e 79 20 6b 65 79 20  74 6f 20 74 72 79 20 61  |any key to try a|
00000cd0  67 61 69 6e 20 2e 2e 2e  20 0d 0a 00 00 00 00 00  |gain ... .......|
00000ce0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000df0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 55 aa  |..............U.|
00000e00  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00004000  f8 ff ff 0f ff ff ff 0f  f8 ff ff 0f ff ff ff 0f  |................|
00004010  ff ff ff 0f ff ff ff 0f  ff ff ff 0f ff ff ff 0f  |................|
00004020  ff ff ff 0f 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00004030  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00051000  f8 ff ff 0f ff ff ff 0f  f8 ff ff 0f ff ff ff 0f  |................|
00051010  ff ff ff 0f ff ff ff 0f  ff ff ff 0f ff ff ff 0f  |................|
00051020  ff ff ff 0f 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00051030  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
0009e000  41 74 00 65 00 73 00 74  00 31 00 0f 00 2e 00 00  |At.e.s.t.1......|
0009e010  ff ff ff ff ff ff ff ff  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |................|
0009e020  54 45 53 54 31 20 20 20  20 20 20 10 00 00 ba 23  |TEST1      ....#|
0009e030  4d 4c 4d 4c 00 00 ba 23  4d 4c 03 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e040  41 74 00 65 00 73 00 74  00 32 00 0f 00 9a 00 00  |At.e.s.t.2......|
0009e050  ff ff ff ff ff ff ff ff  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |................|
0009e060  54 45 53 54 32 20 20 20  20 20 20 10 00 00 a1 23  |TEST2      ....#|
0009e070  4d 4c 4d 4c 00 00 a1 23  4d 4c 04 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e080  41 74 00 65 00 73 00 74  00 33 00 0f 00 76 00 00  |At.e.s.t.3...v..|
0009e090  ff ff ff ff ff ff ff ff  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |................|
0009e0a0  54 45 53 54 33 20 20 20  20 20 20 10 00 00 a1 23  |TEST3      ....#|
0009e0b0  4d 4c 4d 4c 00 00 a1 23  4d 4c 05 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e0c0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
0009e200  2e 20 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 00 a1 23  |.          ....#|
0009e210  4d 4c 4d 4c 00 00 a1 23  4d 4c 03 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e220  2e 2e 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 00 a1 23  |..         ....#|
0009e230  4d 4c 4d 4c 00 00 a1 23  4d 4c 00 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e240  41 74 00 65 00 73 00 74  00 31 00 0f 00 a7 2d 00  |At.e.s.t.1....-.|
0009e250  31 00 00 00 ff ff ff ff  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |1...............|
0009e260  54 45 53 54 31 2d 31 20  20 20 20 10 00 64 c3 23  |TEST1-1    ..d.#|
0009e270  4d 4c 4d 4c 00 00 c3 23  4d 4c 06 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e280  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
0009e400  2e 20 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 00 a1 23  |.          ....#|
0009e410  4d 4c 4d 4c 00 00 a1 23  4d 4c 04 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e420  2e 2e 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 00 a1 23  |..         ....#|
0009e430  4d 4c 4d 4c 00 00 a1 23  4d 4c 00 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e440  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
0009e600  2e 20 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 00 a1 23  |.          ....#|
0009e610  4d 4c 4d 4c 00 00 a1 23  4d 4c 05 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e620  2e 2e 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 00 a1 23  |..         ....#|
0009e630  4d 4c 4d 4c 00 00 a1 23  4d 4c 00 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e640  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
0009e800  2e 20 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 00 ba 23  |.          ....#|
0009e810  4d 4c 4d 4c 00 00 ba 23  4d 4c 06 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009e820  2e 2e 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 00 ba 23  |..         ....#|
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0009e840  41 74 00 65 00 73 00 74  00 31 00 0f 00 0e 2d 00  |At.e.s.t.1....-.|
0009e850  31 00 2d 00 31 00 00 00  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |1.-.1...........|
0009e860  54 45 53 54 31 2d 7e 31  20 20 20 10 00 64 45 24  |TEST1-~1   ..dE$|
0009e870  4d 4c 4d 4c 00 00 45 24  4d 4c 07 00 00 00 00 00  |MLML..E$ML......|
0009e880  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
0009ea00  2e 20 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 64 c3 23  |.          ..d.#|
0009ea10  4d 4c 4d 4c 00 00 c3 23  4d 4c 07 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009ea20  2e 2e 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 64 c3 23  |..         ..d.#|
0009ea30  4d 4c 4d 4c 00 00 c3 23  4d 4c 06 00 00 00 00 00  |MLML...#ML......|
0009ea40  41 68 00 65 00 6c 00 6c  00 6f 00 0f 00 f1 2e 00  |Ah.e.l.l.o......|
0009ea50  74 00 78 00 74 00 00 00  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |t.x.t...........|
0009ea60  48 45 4c 4c 4f 20 20 20  54 58 54 20 00 64 45 24  |HELLO   TXT .dE$|
0009ea70  4d 4c 4d 4c 00 00 45 24  4d 4c 08 00 13 00 00 00  |MLML..E$ML......|
0009ea80  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
0009ec00  79 6f 75 20 61 72 65 20  6d 79 20 66 72 69 65 6e  |you are my frien|
0009ec10  64 21 0a 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |d!..............|
0009ec20  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
027100004

4.示例解析

对如上创建的文件系统进行解析如下。

4.1 保留区

4.1.1 BPB和启动扇区

启动跳转：本身占2字节它将程序执行流程跳转到引导程序处。

OEMNAME：这部分占8字节，其内容由创建该文件系统的OEM厂商具体安排。

详细参数请参见：FAT文件系统规范v1.03学习笔记---1.保留区之启动扇区与BPB

4.1.2 引导程序

引导程序代码：FAT32的DBR引导程序占用420字节，对于没有安装操作系统的分区来说这段程序是没有用处的。

结束标志：为“55 AA”

4.1.3 FSInfo区

FAT32文件系统在保留区中安排了一个文件系统信息扇区，用以记录数据区中空闲簇的数量及下一个空闲簇的簇号，该扇区一般在分区的1号扇区，也就是紧跟着BPB和启动扇区后的一个扇区

详细请参见：FAT文件系统规范v1.03学习笔记---1.保留区之 Fat32 FSInfo扇区结构和备份启动扇区

4.1.4 BPB与启动扇区备份

4.1.5 保留区之剩余部分空间

4.2 FAT区

FAT区一般为两个，用于备份。对于FAT32每4个字节表示一簇，用来表示簇的状态。由BPB分区中FATsz32可知FAT区大小为0x0268个也就是616个扇区。

  • FAT表结构及作用

（1）FAT32文件一般有两份FAT，他们由格式化程序在对分区进行格式化时创建，FAT1是主，FAT2是备份。

（2）FAT1跟在保留分区之后，其具体地址由BPB参数中指定，FAT2跟在FAT1的后面。

（3）FAT表由FAT表项构成，我们把FAT表项简称FAT项，每个FAT项占用4字节。

（4）每个FAT项都有一个固定的编号，这个编号从0开始。

（5）FAT表项的前两个FAT项为文件系统保留使用，0号FAT为介质类型，1号FAT为文件系统错误标志。

（6）分区的数据区中每个簇都会映射到FAT表中的唯一一个FAT项，因为0号FAT和1号FAT被系统占用，用户的数据从2号FAT开始记录。

（7）如果某个文件占用很多个簇，则第一个FAT项记录下一个FAT项的编号（既簇号），如果这个文件结束了，则用“0F FF FF FF”表示。

（8）分区格式化后，用户文件以簇为单位存放在数据区中，一个文件至少占用一个簇。

（9）FAT的主要作用是标明分区存储的介质以及簇的使用情况

  • 定位FAT绝对位置的方法

（1）首先从MBR的分区表中得知分区的起始扇区，偏移到此扇区（我的是单分区，没有分区表？）。

（2）从DBR的BPB中得知DBR的保留扇区数，FAT表的个数，FAT表的大小。

（3）因此FAT1=分区起始扇区+保留扇区数，FAT2=分区起始扇区+保留扇区数+FAT1大小。

4.3 文件与目录数据区

由于0号簇和1号簇用于特殊用途，实际目录和文件是从2号簇开始存放

由hello.txt目录项可知它的内容存储在0x00000008的簇（8号簇）里面，如下图：

再去回看前面FAT区中8号簇的状态为0ffffffff，表示这是最后一个簇

  • 数据区的定位方式

数据区的位置在FAT2的后面，具体定位方式如下；

（1）通过MBR中的分区表信息得知分区的起始位置。

（2）通过分区中BPB保留扇区数以及FAT表的大小，FAT表的个数。

（3）通过上面的信息就可以找到数据区的起始位置，根目录=数据区的起始扇区+（簇大小*2）。

  • 数据区分类

数据区的内容主要由三部分组成：根目录，子目录和文件内容。在数据区中是以“簇”为单位进行存储的，2号簇被分配给根目录使用。

  • 根目录的定位方式

根目录=分区起始扇区+DBR保留扇区+（FAT表*2）+（簇大小*2）

FAT32文件系统中，分区根目录下的文件和目录都放在根目录区中，子目录中的文件和目录都放在子目录区中，并且没每32个字节为一个目录项，

每个目录项纪录着一个目录或文件（也可能是多个目录项记录一个文件或目录）

  • 目录项分类

在FAT32文件系统中，目录项可以分为四类：卷标目录项、“.”和“..”目录项、短文件名目录项、长文件名目录项

（1）卷标目录项：卷标就是分区的名字，可以在格式化分区时创建，也可以随意修改，长度为11字节。

（2）“.”和“..”目录项：“.”表示当前目录，“..”表示上一层目录。这两个目录项多存在子目录中。

（3）短文件名目录项：所谓短文件名既文件名的“8.3”格式，此格式支持主文件名不能超过8字节，扩展名不能超过3字节。短文件名目录始终存放在一个目录项中。

（4）长文件名目录项：由于短文件名“8.3”的格式远远不能满足现实中的需求，所以就出现了长文件名，长文件名其实就是将文件名进行分段，分成若干个短文件名进行存储。

  • 长文件名处理原则

（1）系统取长文件名的前6个字符加上“~1”形成短文件名，其扩展名不变；

（2）如果已存在这个名字的文件，则符号“~”后的数字自动增加；

（3）如果文件名内存在windows非法的字符，则以下划线“_”代替；

（4）长文件名目录项采用倒叙的方式进行记录。

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