FAT32文件系統學習(1) —— BPB的理解

FAT 32 文件系統學習

 

一、本文的目標

       本文將經過實際讀取一個FAT32格式的U盤來簡單瞭解和學習FAT32文件系統的格式。雖然目前windwos操做系統的主流文件系統格式是NTFS，可是FAT32因爲其兼容性緣由，仍是有必定的學習價值。爲了能作出一個窗體程序提供直觀的感受，本文的代碼採用c#編寫，對應的c++代碼也會附上。

二、本文目錄

一、本文的目標

二、什麼是FAT32

2.1 FAT32的構成

三、引導區

3.1 讀取引導扇區

3.2 BPB參數

3.3 程序實現

二、什麼是FAT32

      FAT32是Windwos系統硬盤格式分區的一種。這種格式採用32位的文件分配表，使其對磁盤的管理能力大大加強，突破了FAT16對配一個分區的容量只有2GB的限制。雖然目前已被更優異的NTFS分區格式所取代^[1]。其實說白了就是FAT表的每一項長度都是32位，因此叫作FAT32。至於每一項存放的內容是什麼，下面的內容會慢慢進行分析。

• FAT32的構成

       FAT32 文件系統將邏輯盤的空間劃分爲三部分，依次是引導區 （BOOT區）、文件分配表區（FAT區）、數據區（DATA區）^[2]。引導區和文件分配表區又合稱爲系統區。本文將簡單學習引導區的內容，文件分配表區和數據區將在下一篇文章中學習。

 三、引導區

• 讀取引導扇區

       引導區從第一扇區開始，保存了每一個扇區的字節數，一個簇的扇區數，FAT表的起始位置，FAT表的個數以及FAT表的扇區數等信息。以後還留有若干保留扇區。首先咱們先看一下如何從一個U盤當中讀取引導區（這裏只讀取第一個扇區，接下來的讀取方法相同）。爲了直接讀取磁盤的邏輯扇區，咱們須要用到windows api當中的幾個函數，分別是CreateFile（這裏用來建立磁盤的句柄），ReadFile(這裏用於讀取磁盤扇區)。首先來看一下這兩個函數的定義：

1 HANDLE WINAPI CreateFile(
2   _In_      LPCTSTR lpFileName,                          // 要打開的文件的名或設備名。
3   _In_      DWORD dwDesiredAccess,                       // 指定類型的訪問對象。
4   _In_      DWORD dwShareMode,                           // 文件共享模式
5   _In_opt_  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,  // 定義了文件的安全特性
6   _In_      DWORD dwCreationDisposition, 
7   _In_      DWORD dwFlagsAndAttributes, 
8   _In_opt_  HANDLE hTemplateFile                         // 返回句柄
9 );

       這個函數在msdn上能夠查到，這裏須要說明一下的是，dwShareMode須要指定爲FILE_SHARE_WRITE才能讀取扇區的數據（這裏是爲何我也不太清楚爲何，但願高人指教）。dwCreationDisposition須要制定爲OPEN_EXISTING ，表示文件必須已經存在，由設備提出要求。函數如執行成功，則返回文件句柄。不然返回的句柄 = INVALID_HANDLE_VALUE表示出錯，會設置GetLastError。具體失敗緣由能夠查詢ErrorCode。

       第二個函數是ReadFile，其定義以下：

1 BOOL ReadFile(
2     HANDLE hFile,               //文件的句柄
3     LPVOIDl pBuffer,            //用於保存讀入數據的一個緩衝區
4     DWORD nNumberOfBytesToRead, //要讀入的字節數
5     LPDWORD lpNumberOfBytesRead,//指向實際讀取字節數的指針
6     LPOVERLAPPED lpOverlapped
7     //如文件打開時指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED，那麼必須，用這個參  數引用一個特殊的結構。
8     //該結構定義了一次異步讀取操做。不然，應將這個參數設爲NULL
9 );

       該函數用於讀取文件，這裏指的是讀取U盤扇區。其中lpOverlapped設爲NULL便可。須要特別注意的是，因爲磁盤是以扇區爲單位進行讀寫的，因此這裏讀取的字節數必須是512的倍數！其餘參數註釋寫的很明白，這裏就再也不解釋了。配合SetFilePointer函數能夠讀取指定起始位置上指定字節的數據。

       首先先來看一下用c++是如何讀取引導扇區的數據的。

 1     // 筆者的U盤盤符爲G
 2     WCHAR szDiscFile[] = _T("\\\\.\\G:"); 
 3     // 打開設備句柄
 4     HANDLE hDisc = CreateFile(szDiscFile, GENERIC_READ,  FILE_SHARE_WRITE, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);
 5     if (hDisc == INVALID_HANDLE_VALUE)
 6     {
 7         // 打開設備失敗
 8         return 0;
 9     }
10     // 從第一個扇區起始位置開始讀取
11     SetFilePointer(hDisc, 0, 0, FILE_BEGIN);
12     // 須要讀取字節數
13     DWORD dwNumber2Read = 512;
14     // 實際讀取的字節數
15     DWORD dwRealNumber;
16     // 分配緩衝區
17     char* buffer = new char[512];
18     bool bRet = ReadFile(hDisc, buffer, dwNumber2Read, &dwRealNumber, NULL);
19 
20     // 掃尾工做，釋放緩衝區，關閉句柄
21     delete[] buffer;
22     CloseHandle(hDisc);

        若是咱們在21行處下各斷點的話能夠看到buffer在內存中的數據，這裏爲了方便，筆者直接把這512個字節的數據保存到了文件中，用二進制文件讀取軟件打開來看了下，部分數據以下圖所示：

• BPB參數

       好了，接下來重點來了。首先，最開始的3各字節的數據分別是跳轉指令與空指令，由於在彙編當中0xEB是跳轉指令，0x58是跳轉的地址，而0x90則是空指令。至於爲何要在這裏放上一句跳轉指令呢，這個還得從啓動區開始講起，爲了節約篇幅，我就簡單介紹一下：通常第一個扇區叫作啓動區，cpu把扇區當中的數據看成指令來執行，當讀取到EB 58 這個指令時，遍跳轉到0x58這個地址並繼續讀取指令來執行，而0x58地址以後的內容一般都是載入操做系統的指令。若是但願知道詳細內容的讀者不妨去看一下《30天自制操做系統》這本書，第一天結尾部分有很詳細的說明。總之這邊的話FAT32規定這個3各字節的內容必須是EB 58 90，只要記住就好了（笑）。(如1L所說，EB 58 90 對應彙編代碼即爲JUMP 0x58; NOP;)。

       而從0x03~0x0A這8個字節的數據表示OEM，這裏即爲「MSDOS5.0」。

       咱們把從0x000B開始的79個字節的數據叫作BPB（BIOS Paramter Block），關於BPB的詳細說明請參見下表^[5]：

BPB參數信息

偏移量	字節數	含義	值
0x00B	2	每扇區字數	0x0200
0x00D	1	每簇扇區數	0x08
0x00E	2	保留扇區數	0x03F8
0x010	1	FAT個數	0x02
0x011	2	根目錄項數，FAT32以突破該限制，無效	0x0000
0x013	2	扇區總數，小於32M使用	0x0000
0x015	1	存儲介質描述負	0x0F8
0x016	2	每FAT表佔用扇區數 ，小於32M使用	0x0000
0x018	2	邏輯每磁道扇區數	0x003F
0x01A	2	邏輯磁頭數	0x00FF
0x01C	4	系統隱含扇區數	0x00000080
0x020	4	扇區總數，大於32M使用	0x00784F80
0x024	4	每FAT表扇區數，大於32M使用	0x00001E04
0x028	2	標記	0x0000
0x02A	2	版本 (一般爲零)	0x0000
0x02C	4	根目錄起始簇	0x00000002
0x030	2	Boot佔用扇區數	0x0001
0x032	2	備份引導扇區位置	0x0006
0x034	14	保留	14個字節的0x00
0x042	1	擴展引導標記	0x29
0x043	4	序列號	0x6A9C4125
0x047	10	卷標	轉成字符即「NO NAME」
0x052	8	文件系統	轉成字符即「FAT32」

 

        我來解釋一下其中的幾個參數。首先是保留扇區數，它能夠理解爲是FAT表的起始位置。咱們能夠先來看一下下面這張圖，有助於更好的理解保留扇區數的意思。

       能夠看到引導扇區後面緊跟這若干保留扇區，至於保留扇區的做用會在下一篇中分析，這裏先跳過。而保留扇區的後面緊跟着的是FAT1和FAT2。因此FAT1表的起始地址是（引導扇區+保留扇區）*扇區字節數？不對。這裏有個須要注意的地方是，保留扇區數這個參數其實已經包含了引導扇區了，因此在計算FAT1表位置的時候直接經過保留扇區數這個參數來計算偏移就好了。這一點須要特別注意。（這裏筆者看了幾篇文獻的說法不一，有說須要加上保留扇區的，有說不用加的，多是版本不同的關係。可是筆者親自實踐以後發現是不須要加上的。）

       至於FAT表留到下一篇再講，這裏說明一下爲何FAT會有兩張。文件分配表區共保存了兩個相同的文件分配表，由於文件所佔用的存儲空間（簇鏈）及空閒空間的管理都是經過FAT實現的，FAT如此重要，保存兩個以便第一個損壞時，還有第二個可用^[4]。這樣FAT表個數這個參數也解釋了。

• 程序實現

        爲了用窗體程序直觀的顯示各個參數，接下來把上面的程序改寫爲c#。衆所周知，c#調用系統函數大多都須要靠間接調用c的動態庫來實現，這裏的CreateFile和ReadFile也不例外。下面咱們先編寫一個FileReader類來提供這些系統api調用。部分代碼以下，完整的FileReader點我下載

class FileReader
{
　　[System.Runtime.InteropServices.DllImport("kernel32", SetLastError = true, ThrowOnUnmappableChar = true, CharSet = System.Runtime.InteropServices.CharSet.Unicode)]
    static extern unsafe System.IntPtr CreateFile
    (
        string FileName,          // file name
        uint DesiredAccess,       // access mode
        uint ShareMode,           // share mode
        uint SecurityAttributes,  // Security Attributes
        uint CreationDisposition, // how to create
        uint FlagsAndAttributes,  // file attributes
        int hTemplateFile         // handle to template file
    );

　　public bool Open(string FileName)
    {
        // open the existing file for reading       
        handle = CreateFile
        (
            FileName,
            GENERIC_READ,
            FILE_SHARE_WRITE,
            0,
            OPEN_EXISTING,
            0,
            0
        );

        if (handle != System.IntPtr.Zero)
        {
            return true;
        }
        else
        {
            return false;
        }
    ｝
｝

        因爲本文的重點不是學習c#窗體編程，因此略過這部分，直接經過調用FileReader提供的系統API並編寫窗體程序，效果以下圖所示(本程序參考[3])，須要完整工程的讀者能夠點我下載，請我VS2012及以上打開。

       好了，今天這篇文章就先寫到這邊。因爲筆者才疏學淺，對於FAT32也是剛開始學習，若是有錯誤的地方歡迎批評指正。同時這也是我第一次發隨筆，若是排版等方面有不妥的地方也歡迎提出。接下來會繼續學習接下去的FAT表區和數據區並繼續更新接下來的學習心得。

 

參考文獻：

一、http://baike.baidu.com/view/45233.htm?fr=aladdin

二、FAT32文件格式 http://blog.csdn.net/shrekmu/article/details/5950414

三、讀寫U盤(FAT32)引導扇區 http://blog.csdn.net/zhanglei8893/article/details/5912903

四、F​A​T​3​2​文​件​系​統​格​式​詳​解 http://wenku.baidu.com/link?url=zrGv8nld-bc-7KT_TKbo2vWplaiIHhmJ9_ydRZBZdZ4zy8odQFwS6komz2gz1AHX36T_EN1CKZ_16d19upW9pDauno6zEmpw10wlTSTwcoi

五、基​於​U​盤​F​A​T​3​2​文​件​系​統​的​分​析 http://wenku.baidu.com/link?url=cIKgrwV66y4CoyuOEB1-OhjRY9tnXtIAoZuYEwDCjxbyRomSIiJgBAXGxq6LudfwuopUpYhiVd8TjxrBFoVyPs0NX3OqbnoWjyn4ZAx60Wi