SD卡中FAT32文件格式快速入門（圖文詳細介紹）【轉】

本文轉自：http://blog.csdn.net/mjx91282041/article/details/8904705

 

說明：

MBR ：Master Boot Record ( 主引導記錄) 

DBR ：DOS Boot Record ( 引導扇區) 

FAT ：File Allocation Table ( 文件分配表) 

硬件：本文SD卡爲Kingston 4GB，FAT32格式，簇大小4KB，每扇區512字節。

 

第一章 硬盤結構與SD卡結構

1.1 硬盤介紹

1.1硬盤結構

 

若是你熟悉硬盤結構跳過本節。下圖是硬盤的結構，若是你只是爲了學習SD卡FAT32文件系統的話，這裏你只須要注意硬盤排序結構：主引導記錄（MBR）—引導扇區—數據—引導扇區—數據。

 

圖1

 

1.2 MBR分析

 

MBR（Main Boot Record 主引導記錄區）放置在硬盤物理地址0的地方。總共512字節的主引導扇區中，MBR只佔用了其中的446個字節，另外64個字節交給了 DPT（Disk Partition Table硬盤分區表），最後兩個字節「55，AA」是分區的結束標誌。DPT由4個分區表組成，每一個16字節。下圖中以以硬盤的MBR圖，粉紅色爲硬盤分區表。

圖2

 

對於咱們來講，更關注硬盤分區表表中紅色區域：下圖爲硬盤分區表詳細說明 。若是要對SD卡、U盤等分多個區，DPT的內容就表示各個區的偏移地址和大小。

起始地址	字節數	描述
0x1BE	1	可引導標誌，0x00不可引導，0x80可引導
0x1BF~0x1C1	3	分區起始CHS地址(CHS＝磁頭、柱面、扇區)，起始地址
0x1C2	1	分區類型
0x1C3~0x1C5	3	分區結束CHS地址
0x1C6	4	從磁盤開始到該分區開始的偏移量（分區起始LBA地址Little-endian順序）
0x1CA	4	總扇區數（Little-endian順序）

圖3

 

SD結構

SD卡沒有分區，默認就是一個分區。首先用WinHex文件打開SD所在的盤符，顯示以下圖：

圖4 

①　非分區空間（紅線所示）: 起始扇區0，我認爲這個分區就是硬盤上的MBR所在區域，

打開後以下圖所示,也能夠稱爲SD卡的MBR區域。

圖5

 

根據表1知道：

紅線區域（00002000）爲下個分區的扇區地址，即第8192扇區，見圖3分區1的起始扇區。

藍線區域（00760C00）爲SD卡總的扇區個數，咱們能夠計算一下：

     0x760C00 *512（每扇區字節）= 3960995840 （字節），與實際大小基本同樣。

 

②　分區1（藍線所示）：起始扇區8192.

 

③　剩餘扇區    : 才疏學淺，我不知道幹嗎的，呵呵

1.3 SD卡存儲結構

由此可知SD卡文件系統並非處在整個SD卡最開始的地方，它處在MBR所處的保留區以後，因而咱們能夠對使用FAT32文件系統的SD卡總體佈局給出以下圖示。

圖6

 

 

 

第二章 FAT32文件系統介紹

2.1 FAT文件系統簡介

FAT（File Allocation Table，文件分配表）文件系統是windows操做系統所使用的一種文件系統，它的發展過程經歷了FAT十二、FAT1六、FAT32三個階段。FAT文件系統用「簇」做爲數據單元。一個「簇」由一組連續的扇區組成，簇所含的扇區數必須是2的整數次冪。簇的最大值爲64個扇區，即32KB。全部簇從2開始進行編號，每一個簇都有一個本身的地址編號。用戶文件和目錄都存儲在簇中。 本文每簇4KB大小。

FAT文件系統的數據結構中有兩個重要的結構：文件分配表和目錄項：

文件分配表：文件和文件夾內容儲存在簇中，若是一個文件或文件夾須要多餘一個簇的空間，則用FAT表來描述，如何找到另外的簇。FAT結構用於指出文件的下一個簇，同時也說明了簇的分配狀態。FAT十二、FAT1六、FAT32這三種文件系統之間的主要區別在與FAT項的大小不一樣。 

目錄項：FAT文件系統的每個文件和文件夾都被分配到一個目錄項，目錄項中記錄着文件名、大小、文件內容起始地址以及其餘一些元數據。 

在FAT文件系統中，文件系統的數據記錄在「引導扇區中（DBR）」中。引導扇區位於整個文件系統的0號扇區，是文件系統隱藏區域（也稱爲保留區）的一部分，咱們稱其爲DBR（DOS Boot Recorder——DOS引導記錄）扇區，DBR中記錄着文件系統的起始位置、大小、FAT表個數及大小等相關信息。在FAT文件系統中，同時使用「扇區地址」和「簇地址」兩種地址管理方式。這是由於只有存儲用戶

數據的數據區使用簇進行管理（FAT12和FAT16的根目錄除外），全部簇都位於數據區。其餘文件系統管理數據區域是不以簇進行管理的，這部分區域使用扇區地址進行管理。文件系統的起始扇區爲0號扇區。 

2.2 FAT32文件系統結構

FAT文件系統總體分佈如上圖 存儲器文件結構圖 所示，有：

【1深綠色】保留區含有一個重要的數據結構——系統引導扇區（DBR）。FAT十二、FAT16的保留區一般只有一個扇區，而FAT32的保留扇區要多一些，除0號扇區外，還有其餘一些扇區，其中包括了DBR的備份扇區。 

【2黃色】  FAT區由來年各個大小相等的FAT表組成——FAT一、FAT2，FAT2緊跟在FAT1以後。 

【3灰色】  FAT十二、FAT16的根目錄雖然也屬於數據區，可是他們並不禁簇進行管理。也就是說FAT十二、FAT16的根目錄是沒有簇號的，他們的2號簇從根目錄以後開始。而FAT32的根目錄一般位於2號簇。

2.2.1 保留區（深綠色區域）

FAT32文件系統的開始部分有一個由若干個扇區組成的保留區，保留區的大小會記錄在DBR扇區中，比較常見的爲3二、34或38個扇區。如上圖：由DBR中）0x0e和0x0f兩個地址的數值決定，記得是小端模式，即N的值。 

2.2.1.1 引導扇區（DBR）

【大小】：512字節；

對讀寫FAT文件系統來講經常使用的就圖中紅色劃線部分，48個字節。其餘的均爲一些標註信息。想了解具體的定義請看附錄表。

圖7

【1】0x00~0x02：3字節，跳轉指令。 

【2】0x03~0x0A：8字節，文件系統標誌和版本號，這裏爲MSDOC5.0。 

【3】0x0B~0x0C：2字節，每扇區字節數，512（0X02 00）。 

【4】0x0D~0x0D：1字節，每簇扇區數，8（0x08）。 

【5】0x0E~0x0F：2字節，保留扇區數，38（0x00 26），符合FAT1起始地址爲38扇區。 

 

【6】0x10~0x10：1字節，FAT表個數，2。 

【7】0x11~0x12：2字節，FAT32必須等於0，FAT12/FAT16爲根目錄中目錄的個數； 

【8】0x13~0x14：2字節，FAT32必須等於0，FAT12/FAT16爲扇區總數。 

【9】0x15~0x15：1字節，哪一種存儲介質，0xF8標準值，可移動存儲介質，經常使用的 0xF0。 

【10】0x16~0x17:2字節，FAT32必須爲0，FAT12/FAT16爲一個FAT 表所佔的扇區數。

【11】0x18~0x19：2字節，每磁道扇區數，只對於有「特殊形狀」（由磁頭和柱面每 分割爲若干磁道）的存儲介質有效，63（0x00 3F）。 

【12】0x1A~0x1B：2字節，磁頭數，只對特殊的介質纔有效，255（0x00 FF）。 

【13】0x1C~0x1F：4字節，EBR分區以前所隱藏的扇區數，8192（0x00 00 20 00），與MBR中地址0x1C6開始的4個字節數值相等。

 

【14】0x20~0x23：4字節，文件系統總扇區數，7736320（0x 00 76 0C 00），7736320 *  512 = 3960995840  ≈ 3.67GB。

【15】0x24~0x27：4字節，每一個FAT表佔用扇區數，7541（0x 00 00 1D 75）。 

【16】0x28~0x29：2字節，標記，此域FAT32 特有。 

【17】0x2A~0x2B：2字節，FAT32版本號0.0，FAT32特有。 

【18】0x2C~0x2F：4字節，根目錄所在第一個簇的簇號，2。（雖然在FAT32文件系統 下，根目錄能夠存放在數據區的任何位置，可是一般狀況下仍是起始於2號簇） 

 

【19】0x30~0x31：2字節，FSINFO（文件系統信息扇區）扇區號1，該扇區爲操做 系統提供關於空簇總數及下一可用簇的信息。 

【20】0x32~0x33：2字節，備份引導扇區的位置。備份引導扇區老是位於文件系統 的6號扇區。 

【21】0x34~0x3F：12字節，用於之後FAT 擴展使用。 

 

【22】0x40~0x40：1字節，與FAT12/16 的定義相同，只不過二者位於啓動扇區不

同的位置而已。

  【23】0x41~0x41：1字節，與FAT12/16 的定義相同，只不過二者位於啓動扇區不

同的位置而已 。 

【24】0x42~0x42：1字節，擴展引導標誌，0x29。與FAT12/16 的定義相同，只不過 二者位於啓動扇區不一樣的位置而已

【25】0x43~0x46：4字節，卷序列號。一般爲一個隨機值。 

【26】0x47~0x51：11字節，卷標（ASCII碼），若是創建文件系統的時候指定了卷 標，會保存在此。 

【27】0x52~0x59：8字節，文件系統格式的ASCII碼，FAT32。 

★【28】0x5A~0x1FD：90~509共410字節，未使用。該部分沒有明確的用途。 

【29】0x1FE~0x1FF：簽名標誌「55 AA」。 

★說明：引導代碼

FAT文件系統將引導代碼與文件形同數據結構融合在一塊兒，FAT32文件系統引導扇區的512字節中，90~509字節爲引導代碼，而FAT12/16則是62~509字節爲引導代碼。同時，FAT32還能夠利用引導扇區後的扇區空間存放附加的引導代碼。一個FAT卷即便不是可引導文件文件系統，也會存在引導代碼。

2.2.1.2 FSInfo信息分區

FAT32在保留區中增長了一個FSINFO扇區，用以記錄文件系統中空閒簇的數量以及下一可用簇的簇號等信息，以供操做系統做爲參考。FSINFO信息扇區通常位於文件系統的1號扇區，結構很是簡單。FSINFO信息扇區結構。

圖8

 

【1】0x00~0x03: 4個字節，擴展引導標誌「0x52526141」。 

【2】0x04~0x1E3：480個字節，未使用，所有置0。 

【3】0x1E4~0x1E7： 4個字節，FSINFO簽名「0x72724161」。 

【4】0x1E8~0x1EB： 4個字節，文件系統的空簇數，964466（0x00 0E B7 72）。 

【5】0x1EC~0x1EF： 4個字節，下一可用簇號（0x 00 00 00 15）。 

【6】0x1F0~0x1FD： 14個字節，未使用。 

【7】0x1FE~0x1FF： 2個字節，「55 AA」標誌。 

 

舒適提示：一般狀況下，文件系統的2號扇區結尾也會被設置「55 AA」標誌。6號扇區也會有一個引導扇區的備份，相應的，7號扇區應該是一個備份FSINFO信息扇區，8號扇區能夠看作是2號扇區的備份。

2.2.2 文件分區FAT表（黃色區域）

緊跟在保留分區後面的是FAT區，其由兩個徹底相同的FAT（File Allocation Table， 文件分配表）表單組成，FAT文件系統的名字也是所以而來。FAT 表（File Alloacation Table）是一組與數據簇號對應的列表。FAT2緊跟在FAT1以後，它的位置能夠經過FAT1的位置加上FAT表的大小扇區數計算出來。

2.2.2.1 文件系統概述

文件系統分配磁盤空間按簇來分配。所以，文件佔有磁盤空間時，基本單位不是字節而是簇，即便某個文件只有一個字節，操做系統也會給它分配一個最小單元：即一個簇。對於大文件，須要分配多個簇。同一個文件的數據並不必定完整地存放在磁盤中一個連續地區域內，而每每會分若干段，像鏈子同樣存放。這種存儲方式稱爲文件的鏈式存儲。爲了實現文件的鏈式存儲，文件系統必須準確地記錄哪些簇已經被文件佔用，還必須爲每一個已經佔用的簇指明存儲後繼的下一個簇的簇號，對於文件的最後一簇，則要指明本簇無後繼簇。這些都是由FAT表來保存的，FAT 表對應表項中記錄着它所表明的簇的有關信息：諸如是空，是否是壞簇，是不是已是某個文件的尾簇等。

 

v 對於文件系統來講，FAT表有兩個重要做用：描述簇的分配狀態以及標明文件或目錄的下一簇的簇號。 

v 一般狀況下，一個FAT把文件系統會有兩個FAT表，但有時也容許只有一個FAT表，FAT表的具體個數記錄在引導扇區的偏移0x10字節處。 

v 因爲FAT區緊跟在文件系統保留區後，因此FAT1在文件系統中的位置能夠經過引導記錄中偏移0x0E~0x0F字節處的「保留扇區數」獲得，如存儲器結構體圖中M值。 

 

2.2.2.2 FAT表分析說明

 

FAT32中每一個簇的簇地址是有32bit（4個字節），FAT表中的全部字節位置以4字節爲單位進行劃分，並對全部劃分後的位置由0進行地址編號。0號地址與1號地址被系統保留並存儲特殊標誌內容。從2號地址開始，每一個地址對應於數據區的簇號，FAT表中的地址編號與數據區中的簇號相同。咱們稱FAT表中的這些地址爲FAT表項，FAT表項中記錄的值稱爲FAT表項值。 

當文件系統被建立，也就是進行格式化操做時，分配給FAT區域的空間將會被清空，在FAT1與FAT2的0號表項與1號表項寫入特定值。因爲建立文件系統的同時也會建立根目錄，也就是爲根目錄分配了一個簇空間，一般爲2號簇，與之對應的2號FAT表項記錄爲2號簇，被寫入一個結束標記。

幾點說明：

Ø 因爲簇號起始於2號，因此FAT表項的0號表項與1號表項不與任何簇對應。FAT32的0號表項值老是「F8FFFF0F」。

Ø 1號表項可能被用於記錄髒標誌，以說明文件系統沒有被正常卸載或者磁盤表面存在錯誤。不過這個值並不重要。正常狀況下1號表項的值爲「FFFFFFFF」或「FFFFFF0F」。

Ø 若是某個簇未被分配使用，它對應的FAT表項內容爲0；

Ø 當某個簇已被分配使用，則它對應的FAT表項內的FAT表項值也就是該文件的下一個存儲位置的簇號。若是該文件結束於該簇，則在它的FAT表項中記錄的是一個文件結束標記，對於FAT32而言，表明文件結束的FAT表項值爲0x0FFFFFFF。

Ø 若是某個簇存在壞扇區，則整個簇會用0xFFFFFF7標記爲壞簇，這個壞簇標記就記錄在它所對應的FAT表項中。

Ø 在文件系統中新建文件時，若是新建的文件只佔用一個簇，爲其分配的簇對應的FAT表項將會寫入結束標記。若是新建的文件不僅佔用一個簇，則在其所佔用的每一個簇對應的FAT表項中寫入爲其分配的下一簇的簇號，在最後一個簇對應的FAT表象中寫入結束標記。

Ø 新建目錄時，只爲其分配一個簇的空間，對應的FAT表項中寫入結束標記。當目錄增大超出一個簇的大小時，將會在空閒空間中繼續爲其分配一個簇，並在FAT表中爲其創建FAT錶鏈以描述它所佔用的簇狀況。

 

2.2.2.3 FAT表示例

 

【0號表項】：0x0FFFFFF8;FAT表起始固定標識

【1號表項】：0xFFFFFFFF;不是用，默認值

【2號表項】：0x0FFFFFFF;根目錄所在簇，

紫色的爲3號表項，綠色的爲4號表項，以此類推。注意：0和1號表項均不與實際的物理地址對應，2號表項開始才與物理地址對應。2號表項物理地址爲FAT2表後緊跟着的那個簇！3號在2號表項緊跟着的一個簇。

計算：FAT所佔扇區數 7541（0x1D75）；FAT2起始扇區爲38+7541=7579；根目錄起始扇區在7579 + 7541 = 15120。記得本文8個扇區爲一個簇，即4K（0x1000），簇是系統分配內存的最小單元。

如圖表中的起始地址對比，發現根目錄起始地址恰好在15120，因此FAT表中0和1號表項沒有對應物理地址！

圖9 

我將SD格式化，新建了一個test.txt的文本文件，大小爲8.2kB。以下圖：

圖10 

咱們來分析上圖：

在圖中能夠看出，test.txt文件起始簇爲15128，這個地址是咱們根目錄（2號簇）後的一個簇，因此test.txt文件起始簇是3號簇，也就是3號表項（FAT表中表項值與簇號對應）。

【1】：2號表項爲根目錄，即2號簇。

【2】：3號表項爲-0x00 00 00 04，test文件的下一簇號在4號表項，查看4號表項。

【3】：4號表項爲-0x00 00 00 05，test文件下一簇號在5號表項，查看5號表項。

【4】：5號表項爲-0x0F FF FF FF，結束符號。說明文件在5號簇時就存儲完畢。

 

2.2.3 數據區（灰色區域）

數據區時真正用於存放用戶數據的區域。數據區緊跟在FAT2以後，被劃分紅一個個的簇。全部的簇從2開始進行編號，也就是說，2號簇的起始位置就是數據區的起始位置。 

2.2.3.1 根目錄

FAT表示例中，根目錄截圖：

 

圖11

雖然原則上FAT32容許根目錄位於數據區的任何位置，但一般狀況下它都位於數據區起始扇區，2號簇，能夠在DBR偏移地址0x2C~0x2F查看。在FAT文件系統中，先要尋找數據區的第一簇（即2號簇）的位置，它不是位於文件系統開始處，而是位於數據區。從前面的學習知道，在數據區前面是保留區域和FAT區域，在前面還有MBR區域，這些區域都不使用FAT表進行管理。所以，數據區之前的區域只能使用扇區地址，而沒法使用簇地址。

其實在2.2.2.3節，FAT表示例中咱們就已經計算過其實地址（15128），注意這個地址不是物理地址哦，只是在FAT文件區域中一個相對地址！由於在以前還有MBR保留區域！

【保留區域大小（綠色部分）】：DBR偏移地址0x0E~0x0F，38（0x26），

【FAT表個數】：DBR偏移地址0x10開始2字節，2個，

【每一個FAT表扇區數】：DBR偏移地址0x24~0x27，7541（0x 00 00 1D 75），

說明：以上值均參見2.2.1.1節。

 

【計算公式】：

     數據區起始扇區號 = 保留扇區數 + 每一個FAT表大小扇區數 × FAT表個數

【示例】： 數據區起始扇區號 = 38 + 7541*2 = 15120 

爲了不根目錄被更改，也能夠用下面的計算公式計算出根目錄扇區：

    根目錄起始扇區=保留扇區數+FAT×2+(根目錄起始簇-2)x每簇的扇區數。

說明：一、若是要獲得物理地址，須要加上MBR保留區域大小。

2.2.3.2 根目錄的短文件目錄項定義

目錄所在的扇區，都是以32 Bytes劃分爲一個單位，每一個單位稱爲一個目錄項（Directory 

Entry ），即每一個目錄項的長度都是32 Bytes 。根目錄由若干個目錄項組成，一個目錄項佔用32個字節，能夠是長文件名目錄項、文件目錄項、子目錄項等。32字節的具體定義以下圖：

圖12

示例：

圖13

特別關注的參數說明：

【1】：文件或者文件夾存儲的起始簇號，上圖中紫色區域，偏移地址：0x14-0x15（高16爲）和0x1A-0x1B（低16位），0x 00 00 00 03 ，表示這個文件存儲在3號簇的位置，在FAT表中爲3號表項。

【2】：文件大小：偏移地址0x1C-0x1F，0x 00 00 20 EE（8430字節）；

【3】文件屬性：偏移地址0x0B-0x0B，0x20 ，歸檔。

其餘說明：

【0】子目錄存儲在數據區

【1】文件名的第一個字節，爲0xE5，表示該項已被刪除。

【2】名字爲0x2E(「.」)，表示當前目錄。

 

圖14

【3】名字爲0x2E 0x2E(「. .」)，表示上一級目錄。

 

2.2.3.3 長文件目錄定義

圖15