SD卡FAT32文件系统格式

一、声明

　　1、本文来源和主旨

　　2、本文测试环境

二、SD卡FAT文件系统

　　1、SD卡FAT32文件系统的整体布局

　　2、FAT文件系统简介

　　　　① 文件分配表

　　　　② 目录项

三、DBR（DOS BOOT RECORD，DOS引导记录）

　　1、DBR与BPB

　　　　① DBR

　　　　② BPB

　　2、DBR实例测试

　　3、DBR参数计算

四、FSINFO分区

五、文件分区FAT表

　　1、FAT表

　　2、FAT表例

六、数据区

　　1、目录项定义

　　　　<1> 短文件目录项的具体定义

　　　　<2> 长文件目录项的具体定义

　　2、目录项举例

　　　　<1> 短目录项举例

　　　　<2>  长目录项举例

一、声明

1、本文来源和主旨

　　本文几乎全部内容来自于SD卡中FAT32文件格式快速入门（图文详细介绍），这篇文章的理论阐释很到位，实验编排也不错。本文所做的工作就是将这篇文章中讲解的实验从头到尾做一遍。另外本文对于原文的编排有所调整，希望达到更加合理的布局。

2、本文测试环境

测试硬件：2G金士顿SD卡（格式化）

操作系统："Windows XP"

测试软件：WinHex

二、SD卡FAT文件系统

1、SD卡FAT32文件系统的整体布局

　　本SD卡的FAT32文件系统无MBR分区，只有一个基本分区，而基本分区的分布图如下图所示：

从WinHex中查看

2、FAT文件系统简介

　　FAT（File Allocation Table，文件分配表）文件系统是windows操作系统所使用的一种文件系统，它的发展过程经历了FAT12、FAT16、FAT32三个阶段。FAT文件系统用“簇”作为数据单元。一个“簇”由一组连续的扇区组成，簇所含的扇区数必须是2的整数次幂。簇的最大值为64个扇区，即32KB。所有簇从2开始进行编号，每个簇都有一个自己的地址编号。用户文件和目录都存储在簇中。 本文每簇4KB大小。

　　FAT文件系统的数据结构中有两个重要的结构：文件分配表和目录项：

① 文件分配表

　　文件和文件夹内容储存在簇中，如果一个文件或文件夹需要多余一个簇的空间，则用FAT表来描述，如何找到另外的簇。FAT结构用于指出文件的下一个簇，同时也说明了簇的分配状态。FAT12、FAT16、FAT32这三种文件系统之间的主要区别在与FAT项的大小不同。

② 目录项

　　FAT文件系统的每一个文件和文件夹都被分配到一个目录项，目录项中记录着文件名、大小、文件内容起始地址以及其他一些元数据。

　　在FAT文件系统中，文件系统的数据记录在“引导扇区中（DBR）”中。引导扇区位于整个文件系统的0号扇区，是文件系统隐藏区域（也称为保留区）的一部分，我们称其为DBR（DOS Boot Recorder——DOS引导记录）扇区，DBR中记录着文件系统的起始位置、大小、FAT表个数及大小等相关信息。

　　在FAT文件系统中，同时使用“扇区地址”和“簇地址”两种地址管理方式。这是因为只有存储用户数据的数据区使用簇进行管理（FAT12和FAT16的根目录除外），所有簇都位于数据区。其他文件系统管理数据区域是不以簇进行管理的，这部分区域使用扇区地址进行管理。文件系统的起始扇区为0号扇区。

三、DBR（DOS BOOT RECORD，DOS引导记录）

1、DBR与BPB

① DBR

　　DBR（DOS Boot Recorder——DOS引导记录）扇区，DBR中记录着文件系统的起始位置、大小、FAT表个数及大小等相关信息。

② BPB

　　BPB（BIOS Parameter Block）表，描述逻辑盘结构组成，包含隐藏扇区数目（从0-1-1开始计算）、FAT扇区数、FAT拷贝数、硬盘磁头总数、根目录表项最大值等。

　　FAT32文件系统的扩展BPB区位于DBR内，从地址0x00B~0x052都是BPB的范围。

2、DBR实例测试

　　格式化SD卡，用WinHex打开SD卡，内容如下：

【1】0x00~0x02：3字节，"EB5890"，跳转指令。

【2】0x03~0x0A：8字节，文件系统标志和版本号，这里为MSDOS5.0。

【3】0x0B~0x0C：2字节，每扇区字节数，512（0X02 00）。

【4】0x0D~0x0D：1字节，每簇扇区数，8（0x08），这个值不能为0，而且必须是2的整数次方，比如1、2、4、8、16、32、64、128。

【5】0x0E~0x0F：2字节，保留扇区数，38（0x00 26），那么就知道FAT1起始位置在38扇区。

【6】0x10~0x10：1字节，FAT表个数为2，另外一个是备份的。

【7】0x11~0x12：2字节，FAT32必须等于0，FAT12/FAT16为根目录中目录的个数；

【8】0x13~0x14：2字节，FAT32必须等于0，FAT12/FAT16为扇区总数。

【9】0x15~0x15：1字节，哪种存储介质，0xF8标准值，可移动存储介质。

【10】0x16~0x17:2字节，FAT32必须为0，FAT12/FAT16为一个FAT表所占的扇区数。

【11】0x18~0x19：2字节，每磁道扇区数，只对于有“特殊形状”（由磁头和柱面每 分割为若干磁道）的存储介质有效，63（0x003F）。

【12】0x1A~0x1B：2字节，磁头数，只对特殊的介质才有效，255（0x00 FF）。

【13】0x1C~0x1F：4字节，EBR分区之前所隐藏的扇区数，0（0x00 00 00 00）。

【14】0x20~0x23：4字节，此文件系统分区的总扇区数，3887104（0x 00 3B 50 00），3887104 * 512 = 1990197248  ≈ 1.9GB。

【15】0x24~0x27：4字节，每个FAT表占用扇区数，3789（0x 00 00 0E CD）。

【16】0x28~0x29：2字节，标记，此域FAT32 特有。

【17】0x2A~0x2B：2字节，FAT32版本号0.0，FAT32特有。

【18】0x2C~0x2F：4字节，根目录所在第一个簇的簇号，2。（虽然在FAT32文件系统 下，根目录可以存放在数据区的任何位置，但是通常情况下还是起始于2号簇)。

【19】0x30~0x31：2字节，FSINFO（文件系统信息扇区）扇区号是1，该扇区为操作系统提供关于空簇总数及下一可用簇的信息。

【20】0x32~0x33：2字节，备份引导扇区的位置。备份引导扇区总是位于文件系统的6号扇区。

【21】0x34~0x3F：12字节，用于以后FAT 扩展使用。

【22】0x40~0x40：1字节，与FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已。

【23】0x41~0x41：1字节，与FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已 。

【24】0x42~0x42：1字节，扩展引导标志，0x29。与FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已

【25】0x43~0x46：4字节，卷序列号。通常为一个随机值。

【26】0x47~0x51：11字节，卷标（ASCII码），如果建立文件系统的时候指定了卷标，会保存在此。

【27】0x52~0x59：8字节，文件系统格式的ASCII码，FAT32。

★【28】0x5A~0x1FD：90~509共410字节，引导代码。

【29】0x1FE~0x1FF：签名标志“55 AA”。

★说明：引导代码

FAT文件系统将引导代码与文件形同数据结构融合在一起，FAT32文件系统引导扇区的512字节中，90~509字节为引导代码，而FAT12/16则是62~509字节为引导代码。同时，FAT32还可以利用引导扇区后的扇区空间存放附加的引导代码。一个FAT卷即使不是可引导文件文件系统，也会存在引导代码。

3、DBR参数计算

由以上信息我们知道：

扇区大小：512 Bytes

簇大小：8 Sector = 2048 Bytes

保留扇区数：38 Sector

FAT表占用扇区数：3789 Sector

所以可以得知：

(1)FAT1地址

　　= 38 * 512 = 19456 = 0x4C00

(2) FAT2地址

　　= （38 + 3789）*512 = 1959424 = 0x1DE600

(3) 根目录地址

　　= （38 + 3789 * 2）* 512 = 3899392 = 0x3B8000

(4) FAT表占据扇区数

　　= 簇总数 * 4 Bytes/ 扇区占据字节数

　　= （数据区扇区数/每簇占据扇区数）* 4 / 512

　　= ( 3879488 / 8 ) * 4 / 512

　　= 3788.5625

　　FAT表占据扇区数取整数为3789Sector。

四、FSINFO分区

　　FAT32在保留区中增加了一个FSINFO扇区，用以记录文件系统中空闲簇的数量以及下一可用簇的簇号等信息，以供操作系统作为参考。FSINFO信息扇区一般位于文件系统的1号扇区，结构非常简单。

【1】0x200~0x203: 4个字节，扩展引导标志“0x52526141”。

【2】0x204~0x3E3：480个字节，未使用，全部置0。

【3】0x3E4~0x3E7： 4个字节，FSINFO签名“0x72724161”。

【4】0x3E8~0x3EB： 4个字节，文件系统的空簇数，484934（0x00 07 66 46）。

【5】0x3EC~0x3EF： 4个字节，下一可用簇号（0x 00 00 00 04）。

【6】0x3F0~0x3FD： 14个字节，未使用。

【7】0x3FE~0x3FF： 2个字节，“55 AA”标志。

温馨提示：通常情况下，文件系统的2号扇区结尾也会被设置“55 AA”标志。6号扇区会有一个引导扇区的备份，7号扇区是一个FSINFO信息备份扇区，8号扇区可以看做是2号扇区的备份。

 五、文件分区FAT表

　　文件系统分配磁盘空间按簇来分配。因此，文件占有磁盘空间时，基本单位不是字节而是簇，即使某个文件只有一个字节，操作系统也会给它分配一个最小单元：即一个簇。对于大文件，需要分配多个簇。同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘中一个连续地区域内，而往往会分若干段，像链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。为了实现文件的链式存储，文件系统必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继的下一个簇的簇号，对于文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的，FAT 表对应表项中记录着它所代表的簇的有关信息：诸如是空，是不是坏簇，是否是已经是某个文件的尾簇等。

1、FAT表 

　　FAT表中的表项也是以4字节为单位进行划分，对FAT表由0进行逻辑编号。0号地址与1号地址被系统保留并存储特殊标志内容。从2号地址开始，每个地址对应于数据区的簇号，FAT表中的地址编号与数据区中的簇号一一对应。我们称FAT表中的这些单元为FAT表项，FAT表项中记录的值称为FAT表项值。

　　FAT32中把簇是以32bit（4个字节）进行编码，而这种编码是逻辑编码，与物理地址也有一定的对应关系。FAT表紧接着的是有效数据区，从此区开始从2进行簇标号。也就是说从物理地址0x3B8000（7616扇区）位置处，从2开始，以4KB (8*512)为跨度进行簇编号。

当文件系统被创建，也就是进行格式化操作时，分配给FAT区域的空间将会被清空，在FAT1与FAT2的0号表项与1号表项写入特定值。由于创建文件系统的同时也会创建根目录，也就是为根目录分配了一个簇空间，通常为2号簇，与之对应的2号FAT表项被写入一个结束标记。

说明：

① 由于簇号起始于2号，所以FAT表项的0号表项与1号表项不与任何簇对应。FAT32的0号表项值总是“F8FFFF0F”。

②  1号表项可能被用于记录脏标志，以说明文件系统没有被正常卸载或者磁盘表面存在错误。不过这个值并不重要。正常情况下1号表项的值为“FFFFFFFF”或“FFFFFF0F”。

②  如果某个簇未被分配使用，它对应的FAT表项内容为0；

③ 当某个簇已被分配使用，则它对应的FAT表项内的FAT表项值也就是该文件的下一个存储位置的簇号。如果该文件结束于该簇，则在它的FAT表项中记录的是一个文件结束标记，对于FAT32而言，代表文件结束的FAT表项值为0x0FFFFFFF。

③ 如果某个簇存在坏扇区，则整个簇会用0xFFFFFF7标记为坏簇，这个坏簇标记就记录在它所对应的FAT表项中。

④  在文件系统中新建文件时，如果新建的文件只占用一个簇，为其分配的簇对应的FAT表项将会写入结束标记。如果新建的文件不只占用一个簇，则在其所占用的每个簇对应的FAT表项中写入为其分配的下一簇的簇号，在最后一个簇对应的FAT表象中写入结束标记。

⑤ 新建目录时，只为其分配一个簇的空间，对应的FAT表项中写入结束标记。当目录增大超出一个簇的大小时，将会在空闲空间中继续为其分配一个簇，并在FAT表中为其建立FAT表链以描述它所占用的簇情况。

2、FAT表例

　　笔者先对2G金士顿SD卡进行格式化，然后新建一个readme.txt文件，大小8.9KB。

　　用WinHex打开FAT1区，内容如下

【0号表项】：0x0FFFFFF8;FAT表起始固定标识

【1号表项】：0xFFFFFFFF;不用，默认值

【2号表项】：0x0FFFFFFF;根目录所在簇，由于此时只占用1簇，所以是结束标志

【3号表项】：3号表项为0x00 00 00 04，readme.txt文件的下一簇号在4号表项，查看4号表项。

【4号表项】：4号表项为0x00 00 00 05，readme.txt文件下一簇号在5号表项，查看5号表项。

【5号表项】：5号表项为0x0F FF FF FF，结束符号。说明文件在5号簇时就存储完毕。

分析：readme.txt大小为8.9KB，而每簇大小为4KB，需要占用3个簇，这与存储结果一致。

 六、数据区

　　数据区时真正用于存放用户数据的区域。数据区紧跟在FAT2之后，被划分成一个个的簇。所有的簇从2开始进行编号，也就是说，2号簇的起始位置就是数据区的起始位置。

1、目录项定义

　　目录所在的扇区，都是以32 Bytes划分为一个单位，每个单位称为一个目录项（Directory Entry），即每个目录项的长度都是32 Bytes 。根目录由若干个目录项组成，一个目录项占用32个字节，可以是长文件名目录项、文件目录项、子目录项等。

<1> 短文件目录项的具体定义

☆ 目录项的第一个字节为“0xE5”，表示该项已被删除。

☆ 目录项的第一个字节为0x2E(“.”)，表示当前目录的信息（目录的数据空间也会保存当前目录的目录项信息）

☆ 目录项的前两个字节为“0x2E 0x2E(“. .”)，表示上一级目录。

☆ 目录项的第一个字节为"0x00"，代表从此位置开始以后的数据空间都没有使用。

注意：

　　对于目录对应的短目录项，没有文件长度参数，也就是说0x1C-0x1F等于0。那么对于目录，又如何知道它占用空间的大小呢，又如何遍历目录呢？

　　目录中的目录项是按照从前到后紧密排放，即使文件或者目录删除，也不会删除它们对应的目录项（删除目录项意味着目录项清零），只是将目录项标记为删除（0xE5）。这样目录的数据空间直到遇到第一个空目录项之前，所有的目录项都是非空的。我们可以根据目录项是否非空判断是否到达了目录的目录项尾部。

　　至于目录的大小，其实已经没有意义了。我们获取目录的大小就是想判断目录的结束位置，而现在第一个空目录项就是目录的结束位置，所以已经没有必要知道目录的大小。当然， 通过遍历目录可以确定目录占用空间的大小，不过没有意义。

<2> 长文件目录项的具体定义

再详细的列出上表中地址0x0处各位段的含义

☆ 长文件名文件目录项的unicode编码：无论是英文字符，还是中文字符都占用2个字节。

☆ 目录项的第一个字节为“0xE5”，表示该项已被删除。

☆  一个长文件它在目录中的记录可能有几个目录项组成，包含若干个长目录项和一个短目录项

☆ 0xB位段的取值如果是0FH代表是长目录项，反之就是短目录项。

☆ 1个长文件目录项：能记录13个字符，对应26个字节

☆ 顺序是从1开始编号直到13，倘若到了结尾的地方，除了要按照规则的编号还需要将0x0地址的第6位置1。

2、目录项举例

<1> 短目录项举例

　　格式化SD卡，然后在其中创建一个文件readme.txt和Test子目录，WinHex打开根目录内容如下：

首先看子目录Test的对应目录项：

【1】0x3B8020 - 0x3B8027 目录项名为Test

【2】0x3B802B 10H(0001 0000B)，表明为子目录

【3】[0x3B8034 - 0x3B8035,0x3B803A - 0x3B803B]  00 03H，表明Test子目录位于3号簇的位置，在FAT表中为3号表项

【4】0x3B803C - 0x3B803F 0000H，大小为0

readme.txt的对应目录项：

【1】0x3B8040 - 0x3B8047 目录项名为readme

【2】0x3B8048 - 0x3B804A 目录项扩展名为TXT

【3】0x3B804B 20H(0010 0000B)，表明为归档文件

【3】[0x3B8054 - 0x3B8055,0x3B805A - 0x3B805B]  00 04H，表明readme.txt位于4号簇的位置，在FAT表中为4号表项

【4】0x3B805C - 0x3B805F 23A7H，大小为9127 Bytes

<2>  长目录项举例

　　格式化SD卡，然后在其中创建一个文件abcdefghigklmnopqrstuvwxyz.txt，WinHex打开根目录内容如下：

先看看卷标 

【1】0x3B8000 - 0x3B8007 目录项名为Huang

【2】0x3B800B 08H(0000 1000B)，表明为"卷标"

再看看长文件目录项

【1】003B8020 　　0x43 表明此长文件包含了3个长目录项，并且当前目录项是它的最后一个长目录项

【2】003B8040 　　0x02 表明这是长文件的第2个目录项

【3】003B8041 - 003B804A 长文件目录项的unicode的第一部分, 006EH 006FH 0070H 0071H 0072H 代表了nopqr五个字符

【4】003B804B　　0x0F 表明是一个长目录项

【5】003B804D     0x27 校验和

【6】003B804E -003B8059 长文件目录项的unicode的第二部分, 0073H 0074H 0075H 0076H 0077H 0078H 代表了stuvwx六个字符

【7】003B805A - 003B805B 起始簇号，目前常置0

【8】003B805C - 003B805F 长文件目录项的unicode的第三部分, 0079H 007AH 代表了yz两个字符

　为了记录abcdefghigklmnopqrstuvwxyz.txt，使用了3个长目录项和1个短目录项。至于位于003B8080处的短目录项，就不在说明了。

参考资料：SD卡中FAT32文件格式快速入门（图文详细介绍）

　　　　　FAT文件系统原理(一)

FAT(维基百科)