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  • SD卡中FAT32文件格式高速入门(图文具体介绍)

    说明:

    MBR :Master Boot Record ( 主引导记录

    DBR :DOS Boot Record ( 引导扇区

    FAT :File Allocation Table ( 文件分配表

    硬件:本文SD卡为Kingston 4GBFAT32格式,簇大小4KB,每扇区512字节。

    第一章 硬盘结构与SD卡结构

    1.1 硬盘介绍

    1.1硬盘结构

    假设你熟悉硬盘结构跳过本节。下图是硬盘的结构,假设你仅仅是为了学习SDFAT32文件系统的话,这里你仅仅须要注意硬盘排序结构:主引导记录(MBR)—引导扇区—数据—引导扇区—数据。

     

    图1

    1.2 MBR分析

    MBRMain Boot Record 主引导记录区)放置在硬盘物理地址0的地方。总共512字节的主引导扇区中,MBR仅仅占用了当中的446个字节,另外64个字节交给了 DPTDisk Partition Table硬盘分区表),最后两个字节“55AA”是分区的结束标志。DPT4个分区表组成,每一个16字节。下图中以以硬盘的MBR图,粉红色为硬盘分区表。


    图2

    对于我们来说,更关注硬盘分区表表中红色区域:下图为硬盘分区表具体说明 。假设要对SD卡、U盘等分多个区,DPT的内容就表示各个区的偏移地址和大小。

    起始地址

    字节数

    描写叙述

    0x1BE

    1

    可引导标志,0x00不可引导,0x80可引导

    0x1BF~0x1C1

    3

    分区起始CHS地址(CHS=磁头、柱面、扇区),起始地址

    0x1C2

    1

    分区类型

    0x1C3~0x1C5

    3

    分区结束CHS地址

    0x1C6

    4

    从磁盘開始到该分区開始的偏移量(分区起始LBA地址Little-endian顺序)

    0x1CA

    4

    总扇区数(Little-endian顺序)


    图3

    SD结构

    SD卡没有分区,默认就是一个分区。首先用WinHex文件打开SD所在的盘符,显演示样例如以下图:


    ① 非分区空间(红线所看到的): 起始扇区0,我觉得这个分区就是硬盘上的MBR所在区域,

    打开后例如以下图所看到的,也能够称为SD卡的MBR区域。

    图5

    依据表1知道:

    红线区域(00002000为下个分区的扇区地址,即第8192扇区,见图3分区1的起始扇区。

    蓝线区域(00760C00SD卡总的扇区个数,我们能够计算一下:

         0x760C00 *512(每扇区字节)3960995840 (字节),与实际大小基本一样。

    ② 分区1(蓝线所看到的):起始扇区8192.

    ③ 剩余扇区    : 才疏学浅,我不知道干嘛的,呵呵

    1.3 SD卡存储结构

    由此可知SD卡文件系统并非处在整个SD卡最開始的地方,它处在MBR所处的保留区之后,于是我们能够对使用FAT32文件系统的SD卡总体布局给出例如以下图示

    图6

    第二章 FAT32文件系统介绍

    2.1 FAT文件系统简单介绍

    FATFile 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FAT12FAT16FAT32三个阶段。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。全部簇从2開始进行编号,每一个簇都有一个自己的地址编号。用户文件和文件夹都存储在簇中。 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:文件分配表和文件夹项:

    文件分配表:文件和目录内容储存在簇中,假设一个文件或目录须要多余一个簇的空间,则用FAT表来描写叙述,怎样找到另外的簇。FAT结构用于指出文件的下一个簇,同一时候也说明了簇的分配状态。FAT12FAT16FAT32这三种文件系统之间的主要差别在与FAT项的大小不同。 

    文件夹项:FAT文件系统的每个文件和文件夹都被分配到一个文件夹项,文件夹项中记录着文件名称、大小、文件内容起始地址以及其它一些元数据。 

    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DBRDOS 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,同一时候使用“扇区地址”和“簇地址”两种地址管理方式。这是由于仅仅有存储用户

    数据的数据区使用簇进行管理(FAT12FAT16的根文件夹除外),全部簇都位于数据区。其它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。 

    2.2 FAT32文件系统结构

    FAT文件系统总体分布如上图 存储器文件结构图 所看到的,有:

    【1深绿色】保留区含有一个重要的数据结构——系统引导扇区(DBR)。FAT12FAT16的保留区通常仅仅有一个扇区,而FAT32的保留扇区要多一些,除0号扇区外,还有其它一些扇区,当中包含了DBR的备份扇区。 

    2黄色】  FAT区由来年各个大小相等的FAT表组成——FAT1FAT2FAT2紧跟在FAT1之后。 

    3灰色】  FAT12FAT16的根文件夹尽管也属于数据区,可是他们并不由簇进行管理。也就是说FAT12FAT16的根文件夹是没有簇号的,他们的2号簇从根文件夹之后開始。FAT32的根文件夹通常位于2号簇。

    2.2.1 保留区(深绿色区域)

    FAT32文件系统的開始部分有一个由若干个扇区组成的保留区,保留区的大小会记录在DBR扇区中,比較常见的为323438个扇区。如上图:由DBR中)0x0e0x0f两个地址的数值决定,记得是小端模式,N的值。 

    2.2.1.1 引导扇区(DBR)

    【大小】:512字节;

    对读写FAT文件系统来说经常使用的就图中红色划线部分,48个字节。其它的均为一些标注信息。想了解详细的定义请看附录表。

    图7

    10x00~0x023字节,跳转指令。 

    20x03~0x0A8字节,文件系统标志和版本,这里为MSDOC5.0。 

    30x0B~0x0C2字节,每扇区字节数,5120X02 00)。 

    40x0D~0x0D1字节,每簇扇区数,80x08)。 

    50x0E~0x0F2字节,保留扇区数,380x00 26,符合FAT1起始地址为38扇区。 

    60x10~0x101字节,FAT表个数,2。 

    70x11~0x122字节,FAT32必须等于0FAT12/FAT16根文件夹中文件夹的个数; 

    80x13~0x142字节,FAT32必须等于0FAT12/FAT16扇区总数。 

    90x15~0x151字节,哪种存储介质,0xF8标准值,可移动存储介质,经常使用的 0xF0。 

    100x16~0x17:2字节,FAT32必须为0FAT12/FAT16一个FAT 表所占的扇区数

    110x18~0x192字节,每磁道扇区数,仅仅对于有“特殊形状”(由磁头和柱面每 切割为若干磁道)的存储介质有效,630x00 3F)。 

    120x1A~0x1B2字节,磁头数,仅仅对特殊的介质才有效,2550x00 FF)。 

    130x1C~0x1F4字节,EBR分区之前所隐藏的扇区数,81920x00 00 20 00,与MBR中地址0x1C6開始的4个字节数值相等

    140x20~0x234字节,文件系统总扇区数,7736320(0x 00 76 0C 00),7736320 *  512 = 3960995840   3.67GB

    150x24~0x274字节,每一个FAT占用扇区数,7541(0x 00 00 1D 75)。 

    160x28~0x292字节,标记,此域FAT32 特有。 

    170x2A~0x2B2字节FAT32版本0.0,FAT32特有。 

    180x2C~0x2F4字节,根文件夹所在第一个簇的簇号,2。(尽管在FAT32文件系统 下,根文件夹能够存放在数据区的不论什么位置,可是通常情况下还是起始于2号簇) 

    190x30~0x312字节,FSINFO(文件系统信息扇区)扇区号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。 

    200x32~0x332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。 

    210x34~0x3F12字节,用于以后FAT 扩展使用。 

    220x40~0x401字节,与FAT12/16 的定义同样,仅仅只是两者位于启动扇区不

    同的位置而已。

      【230x41~0x411字节,与FAT12/16 的定义同样,仅仅只是两者位于启动扇区不

    同的位置而已 。 

    240x42~0x421字节,扩展引导标志,0x29。与FAT12/16 的定义同样,仅仅只是 两者位于启动扇区不同的位置而已

    250x43~0x464字节,卷序列号。通常为一个随机值。 

    260x47~0x5111字节,卷标(ASCII码),假设建立文件系统的时候指定了卷 标,会保存在此。 

    270x52~0x598字节,文件系统格式的ASCII码,FAT32。 

    ★【280x5A~0x1FD90~509共410字节,未使用。该部分没有明白的用途。 

    290x1FE~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。同一时候,FAT32还能够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。

    2.2.1.2 FSInfo信息分区

    FAT32在保留区中添加了一个FSINFO扇区,用以记录文件系统中空暇簇的数量以及下一可用簇的簇号等信息,以供操作系统作为參考。FSINFO信息扇区一般位于文件系统的1号扇区,结构很easy。FSINFO信息扇区结构

    图8

    10x00~0x03: 4个字节,扩展引导标志“0x52526141”。 

    20x04~0x1E3480个字节,未使用,所有置0。 

    30x1E4~0x1E7: 4个字节,FSINFO签名“0x72724161”。 

    40x1E8~0x1EB: 4个字节,文件系统的空簇数,964466(0x00 0E B7 72)。 

    50x1EC~0x1EF: 4个字节,下一可用簇号(0x 00 00 00 15)。 

    60x1F0~0x1FD: 14个字节,未使用。 

    70x1FE~0x1FF: 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号扇区也会有一个引导扇区的备份,对应的,7号扇区应该是一个备份FSINFO信息扇区8号扇区能够看做是2号扇区的备份

    2.2.2 文件分区FAT表(黄色区域)

    紧跟在保留分区后面的是FAT区,其由两个全然同样的FATFile Allocation Table, 文件分配表)表单组成,FAT文件系统的名字也是因此而来。FAT 表(File Alloacation Table)是一组与数据簇号相应的列表。FAT2紧跟在FAT1之后,它的位置能够通过FAT1的位置加上FAT的大小扇区数计算出来。

    2.2.2.1 文件系统概述

    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,即使某个文件仅仅有一个字节,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,须要分配多个簇。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。这样的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,还必须为每一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 表相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。

    v 对于文件系统来说,FAT表有两个重要作用:描写叙述簇的分配状态以及标明文件或文件夹的下一簇的簇号。 

    v 通常情况下,一个FAT把文件系统会有两个FAT表,但有时也同意仅仅有一个FAT表,FAT表的详细个数记录在引导扇区的偏移0x10字节处。 

    v 因为FAT区紧跟在文件系统保留区后,所以FAT1在文件系统中的位置能够通过引导记录中偏移0x0E~0x0F字节处的“保留扇区数”得到,如存储器结构体图中M值。 

    2.2.2.2 FAT表分析说明

    FAT32中每一个簇的簇地址是有32bit4个字节),FAT表中的全部字节位置以4字节为单位进行划分,并对全部划分后的位置由0进行地址编号。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号地址開始,每一个地址相应于数据区的簇号,FAT表中的地址编号与数据区中的簇号同样。我们称FAT表中的这些地址为FAT表项,FAT表项中记录的值称为FAT表项值。 

    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FAT1FAT20号表项与1号表项写入特定值。因为创建文件系统的同一时候也会创建根文件夹,也就是为根文件夹分配了一个簇空间,通常为2号簇,与之相应的2FAT表项记录为2号簇,被写入一个结束标记。

    几点说明:

    Ø 因为簇号起始于2号,所以FAT表项的0号表项与1号表项不与不论什么簇相应。FAT320号表项值总是“F8FFFF0F”。

    Ø 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。只是这个值并不重要。正常情况下1号表项的值为“FFFFFFFF”或“FFFFFF0F”。

    Ø 假设某个簇未被分配使用,它相应的FAT表项内容为0;

    Ø 当某个簇已被分配使用,则它相应的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。假设该文件结束于该簇,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

    Ø 假设某个簇存在坏扇区,则整个簇会用0xFFFFFF7标记为坏簇,这个坏簇标记就记录在它所相应的FAT表项中。

    Ø 在文件系统中新建文件时,假设新建的文件仅仅占用一个簇,为其分配的簇相应的FAT表项将会写入结束标记。假设新建的文件不仅仅占用一个簇,则在其所占用的每一个簇相应的FAT表项中写入为其分配的下一簇的簇号,在最后一个簇相应的FAT表象中写入结束标记。

    Ø 新建文件夹时,仅仅为其分配一个簇的空间,相应的FAT表项中写入结束标记。当文件夹增大超出一个簇的大小时,将会在空暇空间中继续为其分配一个簇,并在FAT表中为其建立FAT表链以描写叙述它所占用的簇情况。

    2.2.2.3 FAT表演示样例

    0号表项】:0x0FFFFFF8;FAT表起始固定标识

    1号表项】:0xFFFFFFFF;不是用,默认值

    2号表项】:0x0FFFFFFF;根文件夹所在簇,

    紫色的为3号表项,绿色的为4号表项,以此类推。注意:01号表项均不与实际的物理地址相应,2号表项開始才与物理地址相应。2号表项物理地址为FAT2表后紧跟着的那个簇!3号在2号表项紧跟着的一个簇。

    计算:FAT所占扇区数 75410x1D75);FAT2起始扇区为38+7541=7579;根文件夹起始扇区在7579 + 7541 = 15120。记得本文8个扇区为一个簇,即4K0x1000),簇是系统分配内存的最小单元。

    如图表中的起始地址对照,发现根文件夹起始地址刚好在15120,所以FAT表中01号表项没有相应物理地址!

    我将SD格式化,新建了一个test.txt的文本文件,大小为8.2kB。例如以下图:

    图10 

    我们来分析上图:

    在图中能够看出,test.txt文件起始簇为15128,这个地址是我们根文件夹(2号簇)后的一个簇,所以test.txt文件起始簇是3号簇,也就是3号表项(FAT表中表项值与簇号相应)。

    【1】:2号表项为根文件夹,即2号簇。

    2】:3号表项为-0x00 00 00 04test文件的下一簇号在4号表项,查看4号表项。

    3】:4号表项为-0x00 00 00 05test文件下一簇号在5号表项,查看5号表项。

    4】:5号表项为-0x0F FF FF FF,结束符号。说明文件在5号簇时就存储完成。

    2.2.3 数据区(灰色区域)

    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。全部的簇从2開始进行编号,也就是说,2号簇的起始位置就是数据区的起始位置。 

    2.2.3.1 根文件夹

    FAT表演示样例中,根文件夹截图:


    图11

    尽管原则上FAT32同意根文件夹位于数据区的不论什么位置,但通常情况下它都位于数据区起始扇区,2号簇,能够在DBR偏移地址0x2C~0x2F查看。在FAT文件系统中,先要寻找数据区的第一簇(即2号簇)的位置,它不是位于文件系统開始处,而是位于数据区。从前面的学习知道,在数据区前面是保留区域和FAT区域,在前面还有MBR区域,区域都不使用FAT表进行管理。因此,数据区曾经的区域仅仅能使用扇区地址,而无法使用簇地址。

    事实上在2.2.2.3节,FAT表演示样例中我们就已经计算过事实上地址(15128),注意这个地址不是物理地址哦,仅仅是在FAT文件区域中一个相对地址!由于在之前还有MBR保留区域!

    【保留区域大小(绿色部分)】:DBR偏移地址0x0E~0x0F380x26),

    FAT表个数】:DBR偏移地址0x10開始2字节2个,

    每一个FAT区数】:DBR偏移地址0x24~0x2775410x 00 00 1D 75

    说明:以上值均參见2.2.1.1

    【计算公式】:

         数据区起始扇区号 = 保留扇区数 + 每一个FAT表大小扇区数 × FAT表个数

    演示样例】: 数据区起始扇区号 = 38 + 7541*2 = 15120 

    为了避免根文件夹被更改,也能够用以下的计算公式计算出根文件夹扇区:

        根文件夹起始扇区=保留扇区数+FAT×2+(根文件夹起始簇-2)x每簇的扇区数

    说明:1、假设要得到物理地址,须要加上MBR保留区域大小。

    2.2.3.2 根文件夹的短文件文件夹项定义

    文件夹所在的扇区,都是以32 Bytes划分为一个单位,每一个单位称为一个文件夹项(Directory 

    Entry ),即每一个文件夹项的长度都是32 Bytes 根文件夹由若干个文件夹项组成,一个文件夹项占用32个字节,能够是长文件名称文件夹项、文件文件夹项、子文件夹项等。32字节的详细定义例如以下图:

    图12

    演示样例:

    图13

    特别关注的參数说明:

    【1】:文件或者目录存储的起始簇号,上图中紫色区域,偏移地址:0x14-0x15(高16为)和0x1A-0x1B(低16位)0x 00 00 00 03 ,表示这个文件存储在3号簇的位置,在FAT表中为3号表项。

    【2】:文件大小:偏移地址0x1C-0x1F0x 00 00 20 EE(8430字节);

    【3】文件属性:偏移地址0x0B-0x0B,0x20 ,归档。

    其它说明:

    【0】子文件夹存储在数据区

    【1】文件名称的第一个字节,为0xE5,表示该项已被删除。

    【2】名字为0x2E(.),表示当前文件夹。

    图14

    【3】名字为0x2E 0x2E(. .),表示上一级文件夹。

    2.2.3.3 长文件文件夹定义

    图15

    点击链接下载本文的pdf版:http://download.csdn.net/detail/mjx91282041/5348397

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