Windows文件系統

　　微軟在Dos/Windows系列操做系統中共使用了6種不一樣的文件系統（包括即將在windows的下一個版本中使用的Winfs）。

       它們分別是：FAt十二、FAT1六、FAT3二、NTFS、NTFS5.0和WINFS。

       其中FAT十二、FAT1六、FAT32均是FAT文件系統。是File Allocation Table的簡稱。

 

1. FAT12

　　這是伴隨着Dos誕生的「老」文件系統了。它採用12位文件分配表，並所以而得名。而之後的FAT系統都按照這樣的方式在命名。在DOS3.0之前使用。可是在如今，咱們都還能找獲得這個文件系統：用於軟盤驅動器。固然，其餘地方的確基本上不使用這個文件系統了。FAT12能夠管理的磁盤容量是8M。這在當時，沒有硬盤的狀況下，這個磁盤管理能力是很是大的。

　　以3.5英寸的1.44M標準格式化的FAT12文件系統的軟盤爲例，當軟盤被標準格式化後，每磁頭80個柱面(磁道)，每一個柱面有18個扇區，每一個扇區有512字節空間。因此標準軟盤的總空間(容量)爲：2*80*18*512=1474560B=1440K=1.44M

可是1.44M的軟盤格式化能夠不是1.44M，能夠大於也能夠小於；格式化的文件系統也能夠不是FAT12。爲何會出現正常的1.44M軟盤格式化後可大可小的狀況呢？從軟盤及軟盤驅動器原理出發，軟盤的尋址方式（能夠認爲是讀取數據的方式）是：CHS，C = Cylinder（柱面）,H = Header（磁頭）,S = Sector（扇區）。標準地格式化後，磁盤將被格式化爲 每面80磁道（80個同心圓，柱面），每一個磁道有18個扇區，每一個扇區是 512字節，那麼高密3.5英寸軟盤的容量爲：2×80×18×512 ＝ 1474560 Byte = 1440 KB = 1.44 MB。然而，軟盤能夠不格式爲80磁道，每一個磁道也能夠不是18扇區。

 

FAT12文件系統將按照下表所示的方式劃分所有的容量，即文件系統數據結構：

FAT12 2880扇區 (1474560B)	邏輯扇區	佔用扇區	內容	磁盤CHS參數(磁頭/柱面/扇區)
	0	1(512B)	引導程序	起：0/0/1
	1	9(4608B)	FAT文件分配表1	起：0/0/2 止：0/0/10
	10	9(4608B)	FAT文件分配表2	起：0/0/11 止：1/0/1
	19	14(9728B)	根目錄
	33	14(9728B)	文件數據區

 

    操做系統之因此認識FAT12格式的磁盤，其祕密就在於邏輯0扇區這512B上。若是這512字節的最後兩個字節的內容分別是55和AA（0xAA55低字節在前，高字節在後)的話，BIOS在啓動時會將這個扇區讀取到0:7C00h-0:7DFFh處，而後跳轉到0:7C00h處繼續執行指令，操做系統即用此來達到引導系統的目的，而這個磁盤就稱爲可引導磁盤。操做系統標識FAT12文件系統是由於在邏輯0扇區(即引導扇區)處還存儲着一個特定的數據結構，此結構有固定的格式，在操做系統將此磁盤格式化時自動生成，具體數據結構以下表所示：

標識	偏移量	類型	大小	說明	默認值
	0	db	3	跳轉指令
BS_OEMName	3	db	8	OEM字符串，必須爲8個字符，不足以空格填空	MSWIN4.1
BPB_BytsPerSec	11	dw	2	每扇區字節數	200h
BPB_SecPerClus	13	db	1	每簇佔用的扇區數	1
BPB_RsvdSecCnt	14	dw	2	保留扇區數	1
BPB_NumFATs	16	db	1	FAT表的記錄數	2
BPB_RootEntCnt	17	dw	2	最大根目錄文件數	0e0h
BPB_TotSec16	19	dw	2	邏輯扇區總數	0b40h
BPB_Media	21	db	1	媒體描述符	0f0h
BPB_FATSz16	22	dw	2	每一個FAT佔用扇區數	9
BPB_SecPerTrk	24	dw	2	每一個磁道扇區數	12h
BPB_NumHeads	26	dw	2	磁頭數	2
BPB_HiddSec	28	dd	4	隱藏扇區數	0
BPB_TotSec32	32	dd	4	若是BPB_TotSec16是0，則在這裏記錄扇區總數	0
BS_DrvNum	36	db	1	中斷13的驅動器號	0
BS_Reserved1	37	db	1	未使用	0
BS_BootSig	38	db	1	擴展引導標誌	29h
BS_VolID	39	dd	4	卷序列號	0
BS_VolLab	43	db	11	卷標，必須是11個字符，不足以空格填充
BS_FileSysType	54	db	8	文件系統類型，必須是8個字符，不足填充空格	FAT12
	62			引導代碼，由偏移0字節處的短跳轉而來
	510	dw	2	系統引導標識	0aa55h

 

    首先是跳轉指令，偏移0處的跳轉指令必須是合法的可執行的基於x86的CPU指令，如：jmp start，這樣能夠生成3字節長的指令，（加關鍵字short的短跳轉指令的長度是2字節），指向操做系統引導代碼部分。Windows和MS-DOS生成的FAT12啓動扇區中的跳轉指令是短跳轉，如：jmp short start，而後加一個nop的空指令來保持3字節的長度。

 

    接着是位於偏移3處的OEM字符串，它必須是一個8字節長的字符串，標識了格式化此磁盤的操做系統的名稱和版本號，爲了保留與MS-DOS的兼容性，一般Windows 2000系統格式化的磁盤上在此記錄中的字符串是「MSDOS5.0」，在Windows 95系統格式化的磁盤上在此記錄中的字符串是「MSWIN4.0」，在Windows 95 OSR2和Windows 98系統上格式化的磁盤上在此記錄中的字符串是「MSWIN4.1」。

 　　

　　接下來是每扇區的字節數，類型是雙字節長，標準分區上的每扇區字節數通常是512B，但也能夠是其它的數字，如1024,2048和4096，FAT12的格式下設置爲512(200h)。

　　偏移13處的是每簇所佔用的扇區，類型是字節，簇是數據存儲的最小單位，此字段的值取決於分區的大小，在FAT12格式下通常爲1，即每簇只有1個扇區(512字節)，簇越大，那麼分區的容量也就越大，經過增長簇的扇區數，能夠支持更大的磁盤分區，標準的簇大小爲一、二、四、八、1六、3二、64和128，FAT12格式下只能管理2^12個簇(4096)，因此在FAT12格式下能管理和分配的最大空間爲：4096*1*512=2097152B=2M，因此FAT12通常只適合3.5寸高密度軟盤(1.44M)。

 

    保留扇區指的是在第一個FAT文件分配表以前的引導扇區，通常狀況下只保留1個扇區(512B)。

 

    接下來是類型爲1字節長的FAT表的總數，默認狀況下此字段的值爲2，也就是有兩個FAT表，FAT1和FAT2的內容相同，當FAT1表出錯的時候可使用FAT2來恢復文件分配表。

 

    位於偏移17處的字段是類型爲雙字節長的可以儲存在根目錄下的最大文件(包含子目錄)數量，默認爲224，每一個目錄或文件名佔用32B的空間，所以根目錄的大小爲：224*32=7168B=7KB，若是使用長文件名的話，根目錄文件數還可能沒法達到224的數量。

 

    接下來是位於偏移19處的邏輯扇區總數，類型是雙字節，若是此磁盤的邏輯扇區總數大於2^16位(65536)的話，就設置此字段爲0，而後使用偏移32處的雙字來表示邏輯總扇區數。

 

    位於偏移21處的是單字節長的磁盤類型標識符，使用0f0h表示3.5寸高密碼軟盤，用0f8h來表示硬盤。此字段主要用於FAT12或FAT16的分區格式中，在Windows 2000中未使用。

 

    偏移22處雙字節長的是每一個FAT文件分配表所佔用的扇區數，操做系統用這個字段和FAT表數量以及隱藏扇區數量來計算根目錄所在的扇區。還能夠根據最大根目錄數來計算用戶數據區從哪裏開始。

    根目錄扇區位置=FAT表數量*FAT表所佔用的扇區數量+隱藏扇區數量

    用戶數據開始位置=根目錄扇區位置+根目錄所佔用扇區(FAT12格式下爲224*32/512)

    此處所說的扇區指的是邏輯(線性)扇區，須要經過轉換才能獲得CHS磁盤參數，而後經過CHS參數來讀寫磁盤扇區。

 

    接下來是位於偏移24處的每磁道扇區總數，類型是雙字節長，軟盤的默認值爲18，即每一個磁道有18個扇區。

 

    而後是雙字節長的磁頭數，磁頭數指的是磁盤面數，每面都有一個磁頭，軟盤都是2面的，因此在FAT12格式下此字段固定爲2。

 

    接下來是的位於偏移28處類型爲雙字(4B)長的隱藏扇區數，指的在引導扇區以前的隱藏扇區，在FAT12格式上此字段默認爲0，即不隱藏任何扇區，此字段參與計算根目錄區和用戶數據區位置。

 

    偏移32處的是類型爲雙字(4B)長的邏輯扇區總數，若是此分區或磁盤的邏輯扇區總數大於65536則用這個字段來表示邏輯扇區總數，不然設置此字段爲0後用位於偏移19處的雙字節字段來表示。

 

    偏移36處的是物理驅動器號，類型是字節長，它與BIOS物理驅動器相關，在磁盤中斷Int13h相關的操做中使用，第一個軟盤驅動器設置爲0，第一個硬盤驅動器設置爲80h，第二個硬盤驅動器設置爲81h，以此類推。此字段的值能夠在系統引導時用dl寄存器獲得。

 

    位於偏移37處的字節沒有使用，保留並設置爲0。

 

    位於偏移38處的是擴展引導標識，類型是字節，操做系統用它來識別引導信息，值能夠是28h或29h。

 

    接下來的是位於偏移39處的卷標號，類型是雙字(4B)長，在格式化磁盤時所產生的一個隨機序號，有助於區分磁盤，能夠爲0。

 

    而後是位於偏移43處的卷標，長度必須是11字節長(不足以空格20h填充)，此字段只能使用一次，用來保存磁盤卷的標識符，再次設置的時候被保存到根目錄中做爲一個特殊的文件來儲存。

 

    最後是位於偏移54處的是長度爲8字節的文件系統類型標識符，不足8字節則以空格20h來填充。FAT12格式下此字段爲「FAT12   」，相應的還有「FAT16   」和「FAT32   」。但要注意的是，操做系統並不使用這個字段來識別此磁盤所用的文件系統。

 

咱們先來看看文件分配表的數據格式，文件分配表所在的扇區應該是(隱藏扇區+保留扇區)=0+1=第1扇區處，從第1扇區開起到第9扇區結束，第一個文件分配表共佔用9個扇區，第二個文件分配表從第10個扇區開始到第18扇區結束，在引導扇區的數據結構中明明確的指出了這些位置。

 

    文件分配表數據結構以下圖所示：

   

 

    在FAT表開始扇區的第1字節是存儲介質，0f0h表明軟盤，0f8表明硬盤；第二、3這兩個字節都是0ffh，表明了FAT文件分配表標識符，從第四個字節開始與用戶數據區全部的簇一一對應，應該注意的是，用戶數據區的第一個簇的序號是002，而不是000，由於儲存介質和標識符佔用了這兩個序號。

 

    在FAT12格式中用12比特位來表明一個簇的序號，咱們知道，每一個字節有8位比特，因此每一個簇要佔用1.5個字節，也就是說，佔用了第1字節和第2字節的一半才能表示一個簇的序號，半字節的拆分辦法按照下圖的方式進行：

   

 

    例如：在FAT表中開始位置儲存的字節內容依次是F0 FF FF FF 4F 00 05 F0 FF，前面三個字節是儲存介質和標識符，咱們無論它，前面三個字節佔用了0和1這兩個簇序號，那麼就應該從2簇開始了。通過轉換獲得的簇序號是：0fffh 004h 005h 0fffh，簇號是12位比特，第4字節(1111 1111)的做爲第2簇號的低8位(0-7)，第5字節(4F)的低4位(1111)做爲第2簇號的高4位(8-11)，這樣就獲得了第2簇號的內容爲0fffh；而後第5字節的高4位(0100)做爲第3簇號的低4位(0-3)，第6字節(0000 0000)做爲第3簇號的高8位(4-11)，這樣便獲得了第3簇號的內容爲004h；第7字節(0000 0101)做爲第4簇號的低8位(0-7)，第8字節的低4位(0000)做爲第4簇號的高4位(8-11)，這樣能夠獲得第4簇號的內容爲005h；第8字節的高4位(1111)做爲第5簇號的低4位(0-3)，第9字節(1111 1111)做爲第5簇號的高8位(4-11)，這樣獲得第5簇號的內容爲0fffh。

　　Fat12文件系統的限制：
　　1)文件名：只能是8.3格式的文件名。 　　

　　2)磁盤容量：最多8M。（4096clusters×4sectors/clusters×512bytes、sectors） 　　

　　3)文件碎片嚴重。（只在磁盤上不存儲在不連續的簇內。）