FATFS文件系统详解（一）

1.简介

在早期计算机刚发展的时候，那时候硬盘大小、flash设备容量都比较小，随着技术的不断迭代更新，硬盘容量越来越大。在早期，面对小容量的硬盘/flash，往往采用对应地址存放对应数据的方案，由于数据量不大，操作起来尚还可以。但是发展到今天，随着硬盘/flash容量不断增大，存储的数据也越来越多，早期单一的对应地址存放对应数据的方案已经无法满足我们的需求，操作硬盘/flash会变得异常的困难复杂。

因此针对上述问题，一群大佬们便开始设计文件系统这样一个东西，用来管理硬盘/flash上的数据信息，像我们电脑上打开文件夹，访问里面的文件，这其实就是基于文件系统访问电脑硬盘上数据的一个操作。

发展至今，文件系统已有众多版本，本文主要分享 关于FAT文件系统的详细设计， FAT文件系统适用于嵌入式设备，如SD卡、SD nand、spi nor flash等众多存储设备，同时基于此文件系统的文件亦能被电脑正常读取。

2.基础概念

在研究文件系统之前，我们需要首先弄清楚关于内存这块的几个基本概念：

区分 ==扇区、块、簇== 的概念

扇区（sector）：flash可操作的最小单元，通常指我们擦除的最小单元大小，以sd nand举例，通常最小为512Byte

块（block） 以及 簇（cluster）：其实这是两个相同的概念，只是由于历史原因，在不同系统上的不同称呼，在windows中称簇，而在linux中称块。一个簇/块由多个扇区组成，由于一个扇区的空间较小，因此文件系统通过会将多个扇区组合在一起形成一个簇，并以簇为单位进行读写操作！ 一个簇通常可以由 2、4、8、… 、2的n次方个扇区组成。

FAT文件系统总共由FAT12、FAT16以及FAT32三个版本，这是由于随着存储技术不断发展，FAT文件系统迭代导致，数字越大，版本越新，新版本对老版本完全兼容！

3.FAT文件系统组成介绍

FAT文件系统在flash上的布局如下图所示，总共由四个区域组成：

保留区

FAT区

根目录区 （FAT32类型不包含此区域）

数据区

接下来，我们对一张格式化为FAT格式的SD卡进行分析，理解FAT文件系统的实现细节：

4.FAT文件系统分析

4.1 采用FAT格式格式化SD nand/sd卡

使用win10格式化一张118.5M的SD nand / sd卡，我这里用的是手上的一颗 创世CS 家的sd nand加一块转接板，和SD卡完全没有区别，且SD nand在稳定性上比SD卡具有优势。

==此处由于SD nand（SD卡）大小原因，默认采用FAT16进行了格式化！因此在下文中我们先以FAT16进行分析，之后再重新格式化为FAT32进行分析，就很容易懂了！==

4.2 引导扇区分析

使用 winhex 工具打开对应磁盘，注意需使用管理员权限运行

打开后我们可以以二进制的格式查看SD卡上所有数据，首先看到第一个扇区，也就是对应的引导扇区 boot sector，注意引导扇区位于保留区！

接下来我们根据官方文档 对引导扇区进行分析

注意，FAT文件系统数据均采用小端格式！

a) 首先是FAT12/16/32公共部分，（偏移值 0 - 35）：

EB 3C 90：BS_JmpBoot，跳转指令

4D 53 44 4F 53 35 2E 30：BS_OEMName，MSDOS 5.0，一个名字，指示创建此卷的操作系统，无其他作用

00 02：BPB_BytsPerSec，扇区大小 512 字节

04：BPB_SecPerClus，每次操作的最小扇区数，簇 Cluster，4 (与格式化时选择的大小匹配 2048 = 512 * 4)

06 00：BPB_RsvdSecCnt，保留区的扇区数，6 (通过此可计算，FAT区起始地址为 6 * 512 = 0xC00)

02：BPB_NumFATs，FATs的个数，2（一般此值为2，多一个用来做冗余备份，解决系统异常导致第一个损坏时，增大恢复的可能性，表示FAT区有两个FATs备份）

00 02：BPB_RootEntCnt，512，在FAT12/16系统中，此字段表示根目录中32字节目录条目数量，设置此值时需注意对齐，为了最大的兼容性，FAT16系统上此值应设置为512，FAT32系统上此值应设置为0

00 00：BPB_TotSec16，16位大小区域描述FAT卷扇区总数，0。当FAT12/16系统扇区数 ≥0x10000(65536)时，此字段应设置为0，真实值存放在 BPB_TotSec32 字段；对于FAT32系统，此值必须为0。(此处由于我们的总扇区数=118.510241024/512 = 242688 > 65536，所以此字段为0)

F8：BPB_Media 媒体类型

ED 00：BPB_FATSz16，237，一个FAT占用的扇区数，此字段仅在FAT12/16系统使用；FAT32系统，此字段必须为0，使用BPB_FATSz32字段替代。FAT区总大小等于 BPB_FATSz?? BPB_NumFATs 扇区（2372*512=242688=0x3B400，由此可推算根目录区起始地址：0x3B400+0xC00=0x3C000）。

3F 00：BPB_SecPerTrk，每个磁道的扇区数，此字段仅与具有几何形状且仅用于 IBM PC 的磁盘 BIOS 的介质相关，不用管。

FF 00：BPB_NumHeads，头数量，此字段仅与具有几何形状且仅用于 IBM PC 的磁盘 BIOS 的介质相关，不用管。

00 00 00 00：BPB_HiddSec，0，FAT 卷之前的隐藏物理扇区数（当磁盘被分区之后，当前分区并不一定是从扇区头开始的）

00 B4 03 00：BPB_TotSec32，242688，32位大小区域描述FAT卷扇区总数（整个卷空间大小）。 FAT12/16系统，扇区总数小于0x10000时，此字段必须为0，真实值存放在BPB_FATSz16；FAT32系统，此字段一直有效。（118.5M = 512 * 242688）

b) 接下来是FAT12/16特有字段（偏移值36）

80：BS_DrvNum，IBM PC 的磁盘 BIOS 使用的驱动器号，00h代表软盘，80h代表固定磁盘

00：BS_Reserved，保留字段，0

29：BS_BootSig，扩展引导签名，表示以下存在三个字段

83 3E 07 E4：BS_VolID，与 BS_VolLab 一起构成卷序列号，一般在格式化的时候结合时间生成

4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20：(解析为:”NO NAME “)，BS_VolLab，11byte卷标，当卷标不存在时，此值应设置为”NO NAME”

46 41 54 31 36 20 20 20：(解析为:”FAT16 “)，BS_FilSysType文件系统类型，支持字段有：”FAT12 “, “FAT16 “ or “FAT “，注意很多人认为是通过此字段区分FAT12/16/32系统类型，实际是错误的，文件系统类型实际上是根据磁盘大小确定的，官方文档 “Determination of FAT sub-type” 章节或本博文后文有描述，不过为了最大的兼容性考虑，此字段应设置为对应文件系统的名字。

33 C9 ~ CB D8：BS_BootCode，引导启动程序，与平台有关，不使用时填充为0

55 AA：BS_BootSign，0xAA55，引导签名，指示这是一个有效的引导扇区

当扇区大小大于512字节时，剩余的字段应全部使用0x0填充。

c) 如果是FAT32，则采用FAT32特有字段解析（偏移值和FAT12/16特有字段一致为36）

虽然此处我们的是FAT16格式，不过此处也将FAT的字段进行描述，方便理解。

BPB_FATSz32：一个FAT占用的扇区数，此字段仅在FAT32系统有效。FAT区总大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇区。

BPB_ExtFlags：扩展标识字段，bit7=0，表示所有FAT都是镜像的和活跃的；bit7=1，表示只有bit3-0表示的FAT是有效的。

BPB_FSVer：FAT32版本，高字节是主版本号，低字节是次版本号。

BPB_RootClus：根目录的第一个簇号，此值通常为2，因为前两个簇一般用于保留。

BPB_FSInfo：FSInfo结构扇区与FAT32卷顶部的偏移扇区值。此值通常为1，因为其通常位于引导扇区旁边。

BPB_BkBootSec：备份引导扇区与FAT32卷顶部的偏移扇区值。此值通常为6，考虑最大的兼容性，此值不建议为其他值。

BPB_Reserved：保留

BS_DrvNum：含义与FAT12/16字段一样

BS_Reserved：含义与FAT12/16字段一样

BS_BootSig：含义与FAT12/16字段一样

BS_VolID：含义与FAT12/16字段一样

BS_VolLab：含义与FAT12/16字段一样

BS_FilSysType：始终为”FAT32 “，对FAT类型的确定没有任何影响。

BS_BootCode32：引导启动程序，与平台有关，不使用时填充为0

BS_BootSign：0xAA55，引导签名，指示这是一个有效的引导扇区

当扇区大小大于512字节时，剩余的字段应全部使用0x0填充。

以上就是引导扇区内容的详细分析了，通过引导扇区的内容，我们即可知道FAT文件系统依赖的硬件存储空间大小、簇大小、扇区大小以及以及FAT系统版本等重要信息。

同时通过引导扇区的内容，我们便可计算出对应的FAT的四个区域的大小及起始偏移位置等重要信息，接下来计算FAT四个分区的起始位置及大小。

4.3 分区偏移及大小计算

FAT卷总共分为以下四个区域：

保留区

第一个扇区为引导扇区，存放BPB(BIOS Parameter Block)数据，存放的是FAT卷的配置参数。

上述参数中以 BPB 命名的字段都是 BPB 的一部分，而以 BS 标题命名的字段都不是 BPB 的一部分，而只是引导扇区的一部分

FAT区（分区表装载区）

根目录区

数据区

各分区偏移地址及大小如下：

此外，关于FAT区，通常存在一个以上的FAT，如此处所格式化的sd卡便存在两个FAT，对应的偏移地址和大小如下：

4.4 FAT子类型确认

关于FAT的类型是FAT12/16/32确认：FAT类型由数据区内簇的数量决定，除此之外无其他办法！

当一个卷，簇的数量 ≤4085 时，为FAT12

当一个卷，簇的数量 ≥4086 且 ≤65525 时，为FAT16

当一个卷，簇的数量 ≥65526 时，为FAT32

簇的数量计算公式：CountofClusters = DataSectors / BPB_SecPerClus;

如我们这里：CountofClusters = ==242176== / 4 = 60544，==所以为 FAT16！==

当簇的大小从 512 ~ 32768字节的各种条件下，不同类型FAT对应卷的大小范围如下：