FATFS文件系統(tǒng)詳解（二）

4.4 訪問FAT條目

FAT區(qū)由一條條FAT條目構(gòu)成，關(guān)于 FAT[N] 對應(yīng)的條目具體位置計算如下：

格外需要注意的是，不同格式，對應(yīng)的FAT條目的長度和格式不一樣：

此外對于FAT32格式，高4位是保留位，只有低28位有效！

具體如下圖所示：

4.5 文件與簇之間的關(guān)系

那么文件和簇之間的相互關(guān)系又是怎樣的呢？我們又是如何準確的找到存放在flash上的文件的呢？接下來讓我們看下文件與簇之間的關(guān)系映射。

在FAT卷上文件通過目錄管理，==目錄是一個32字節(jié)數(shù)組組成的目錄條目結(jié)構(gòu)==，此目錄結(jié)構(gòu)包含：文件名、文件大小、時間戳以及文件所在的第一個簇號。

簇號為0和1的簇被保留，由參數(shù)BPB_RootClus可知，有效簇從第2號簇開始。==FAT2對應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的第一個簇==。

因此第N個簇的位置計算公式如下：

FirstSectorofCluster = DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus

==每個條目所在的位置，對應(yīng)一個簇。當文件長度大于一個簇長度時，條目內(nèi)的值為下一個條目的索引，直到文件所在的最后一個簇，由此構(gòu)成簇鏈！文件所在的最有一個簇所對應(yīng)的FAT條目內(nèi)的值由一個特殊的值（EOC）組成，它永遠不會匹配任何有效的簇號==，如下：

FAT12: 0xFF8 - 0xFFF (typically 0xFFF)

FAT16: 0xFFF8 - 0xFFFF (typically 0xFFFF)

FAT32: 0x0FFFFFF8 - 0x0FFFFFFF (typically 0x0FFFFFFF)

存在一些特殊的值被用來做損壞簇的標記，如下：

FAT12： 0xFF7

FAT16：0xFFF7

FAT32：0xFFFFFFF7

不過此處需要注意，在FAT12/16系統(tǒng)上，上述特殊值絕不會和任何有效簇匹配，但是在FAT32上有可能，因此為了防止混淆，你在創(chuàng)建FAT32系統(tǒng)的時候應(yīng)該避免這種情況發(fā)生！因此FAT32系統(tǒng)上簇的上限為268435445（大于256M個簇）

FAT條目初始化的時候，F(xiàn)AT[2] 及以后的數(shù)據(jù)應(yīng)被初始化為0，指示未被使用處于空閑狀態(tài)，如果值不為0，則意味著簇被損壞或被使用狀態(tài)。在FAT12/16系統(tǒng)上，空閑簇的數(shù)量未被記錄，而在FAT32系統(tǒng)上，F(xiàn)AT32支持FSInfo結(jié)構(gòu)體，里面記錄了空閑簇的數(shù)量。

==關(guān)于FAT[0]和FAT[1]：==

此兩個保留的條目，沒有與任何簇有聯(lián)系；不過具有其他意義，如下：

FAT12: FAT[0] = 0xF??; FAT[1] = 0xFFF;

FAT16: FAT[0] = 0xFF??; FAT[1] = 0xFFFF;

FAT32: FAT[0] = 0xFFFFFF??; FAT[1] = 0xFFFFFFFF;

FAT[0]中的?? 與 BPB_Media 相同；

FAT[1] 記錄了錯誤歷史記錄：卷臟標志（FAT16：bit15、FAT32：bit31），系統(tǒng)在啟動的時候清除此位，正常關(guān)閉的時候恢復(fù)。

如果此位已經(jīng)清除，表明上次未被正常關(guān)閉，可能存在邏輯卷錯誤；硬件錯誤標志（FAT16：bit14、FAT32：bit30）當出現(xiàn)無法恢復(fù)的讀寫錯誤時清除，表明需要進行全面檢查。

==關(guān)于FAT區(qū)域，有兩個重點注意事項：==

第一個是FAT的最后一個扇區(qū)可能沒有被完全使用。在大多數(shù)情況下，F(xiàn)AT在扇區(qū)的中間結(jié)束。FAT驅(qū)動程序不應(yīng)該對未使用的區(qū)域做出任何假設(shè)。在格式化卷時，應(yīng)該用零填充它，并且在此之后不應(yīng)更改它。

另一個是BPB_FATSz16/32可以指示比卷需要的值大的值。換句話說，未使用的扇區(qū)可以跟隨每個FAT。這可能是數(shù)據(jù)區(qū)域?qū)R或其他原因?qū)е碌?。同時，在格式化時這些扇區(qū)也會被用零填充。

下表展示了不同F(xiàn)AT類型中FAT值所對應(yīng)的含義解釋：

4.6 FSInfo扇區(qū)結(jié)構(gòu)及備份引導(dǎo)扇區(qū)

此部分內(nèi)容只在FAT32系統(tǒng)上存在，對于FAT12系統(tǒng)FAT區(qū)域大小最大6KB，對于FAT16系統(tǒng)FAT區(qū)域最大128KB，但是在FAT32系統(tǒng)上FAT區(qū)域通常上達數(shù)MB，這是因為FAT32系統(tǒng)支持FSInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在FAT32系統(tǒng)上新增FSInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的原因是：在FAT12/16系統(tǒng)上，想要知道flash上剩余的簇數(shù)需要掃描整個FAT區(qū)才能計算出來，但隨著flash容量的不斷擴大，掃描花費的時長越來越長，為了避免掃描浪費過多的時間，因此在FAT32系統(tǒng)上增加了FSInfo結(jié)構(gòu)，用于記錄flash上剩余的簇數(shù)。

FSInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

| 字段名 | 偏移 | 大小 | 描述 |

| — | — | — | — |

| FSI_LeadSig | 0 | 4 | 固定值為0x41615252，頭部簽名 |

| FSI_Reserved1 | 4 | 480 | 保留區(qū)域，采用0x00覆蓋 |

| FSI_StrucSig | 484 | 4 | 固定值為0x61417272，也是一個簽名 |

| FSI_Free_Count | 488 | 4 | 記錄了空閑的簇數(shù)，如果這個值為0xFFFF FFFF，則表示不知道具體的空閑簇數(shù) |

| FSI_Nxt_Free | 492 | 4 | 提示驅(qū)動程序應(yīng)該從此參數(shù)提示的簇開始尋找空閑的簇，通過此參數(shù)便可以不用從FAT區(qū)頭開始尋找下一個空閑簇了，節(jié)省了大量時間；如果此參數(shù)為0xFFFF FFFF，則驅(qū)動程序應(yīng)該從頭部（2號簇）開始尋找空閑簇|

| FSI_Reserved2 |496 | 12 | 保留區(qū)域，采用0x00覆蓋 |

| FSI_TrailSig | 508 | 4 | 固定值0xAA550000，尾部簽名 |

注意：當扇區(qū)大小大于512字節(jié)時， 剩余空間采用0x00填充

4.7 FAT目錄

FAT目錄分為長文件名目錄（LFN）以及短文件名目錄（SFN），長文件目錄是在短文件名目錄上的一個擴展，具體采用長文件名還是短文件名由讀取FAT文件系統(tǒng)的操作系統(tǒng)決定，如windows；設(shè)置長文件名時短文件名也被設(shè)置，具有兼容性。

此外，有一個很重要的概念：在FAT文件系統(tǒng)上目錄也是一個文件，只是此文件的屬性不一樣而已。

在所有目錄中，有一個比較特殊的是根目錄，且根目錄作為頂層目錄必須存在。

在FAT12/16系統(tǒng)中，根目錄不是一個文件，且放在根目錄區(qū)，根目錄的最大條目數(shù)由 BPB_RootEntCnt 參數(shù)指示；

在FAT32系統(tǒng)中，根目錄與子目錄沒有什么區(qū)別，且根目錄的起始簇由 BPB_RootClus 參數(shù)指示。

根目錄與子目錄的另外一個區(qū)別是，根目錄不包含 . .. 此兩個點目錄，且它可以包含卷標（具有ATTR_VOLUME_ID屬性的條目）

4.7.1 SFN 短文件名目錄

目錄條目結(jié)構(gòu)如下：

關(guān)于目錄結(jié)構(gòu)的第一個字段 DIR_Name 的第一個元素 DIR_Name[0] 在目錄表中有著特殊作用，如下：

當此值為 0xE5 時，代表此目錄條目未被使用（或已廢棄）

當此值為 0x00 時，也代表此目錄條目未被使用；此外還提示后續(xù)目錄條目也未被使用，因為后續(xù)的目錄條目 DIR_Name[0] 都會是 0x00

如果文件名的第一個字符為 0xE5 這個特殊值，則使用 0x05 替代。

這么設(shè)計的意義是什么呢？將 DIR_Name[0] 用作特殊字符，其目錄在于方便文件刪除！當我們刪除一個文件的時候，文件系統(tǒng)并不會將此文件所對應(yīng)的數(shù)據(jù)全部刪除，因為那樣太費時間了，也沒有必要，而是直接將對應(yīng)文件的目錄項中的 DIR_Name[0] 修改為 0xE5 即可！

關(guān)于文件名字段 DIR_Name，在FAT文件系統(tǒng)中還有如下規(guī)定：

DIR_Name 字段的11字節(jié)的文件名分為兩個部分：8 字節(jié)的主文件名 + 3字節(jié)的擴展名；

文件名中主文件名與擴展名中間的 . 被省略，不在此記錄

如果主文件名長度不夠，小于8字節(jié)，則使用 0x20 空格填充

用于設(shè)置文件名的字符也有限制，支持的字符有 ==0～9 A～Z ! # $ % & ‘ ( ) - @ ^ _ ` { } ~==

主文件名和擴展名中的(a~z)ASCII字符都會被轉(zhuǎn)化成大寫字符保存

以下為文件名存儲示例：

4.7.2 LFN長文件名

長文件名是文件名的另外一種存儲方式，由于SFN短文件名具有長度、字符等限制，在一些場景下不能很好的滿足需求，因此就需要使用到長文件名，關(guān)于長文件名的具體內(nèi)容如下：

長文件名是一個具有特殊屬性的目錄條目。長文件名目錄屬性 DIR_Attr 字段的值 ATTR_LONG_NAME = (ATTR_READ_ONLY | ATTR_HIDDEN | ATTR_SYSTEM | ATTR_VOLUME_ID) = 0x0F；

關(guān)于長文件名的目錄屬性如下：

| 字段名 | 偏移 | 大小 | 描述 |

| — | — | — | — |

| LDIR_Ord | 0 | 1 | 序號(1-20)，用來表示此條目屬于長文件名序列條目中的第幾條。且長文件名序列首條條目的值應(yīng)& 0x40以進行標識！ |

| LDIR_Name1 | 1 | 10 | 長文件名 第1 ~ 第5 字符（注意此處一個字符占兩個字節(jié)） |

| LDIR_Attr | 11 | 1 | 長文件名屬性，此值永遠為 ATTR_LONG_NAME 0x0F

| LDIR_Type | 12 | 1 | 類型，必須為0 |

| LDIR_Chksum | 13 | 1 | 和校驗 |

| LDIR_Name2 | 14 | 12 | 長文件名 第6 ~ 第11 字符（注意此處一個字符占兩個字節(jié)） |

| LDIR_FstClusLO | 26 | 2 | 必須為0 |

| LDIR_Name3 | 28 | 4 | 長文件名 第12 ~ 第13 字符（注意此處一個字符占兩個字節(jié)） |

關(guān)于長文件名，有以下幾點重要概念：

一個文件一定有短文名SFN，但不一定有長文件名LFN

長文件名LFN字段中==僅包含文件名信息==，不包含其他內(nèi)容，其他內(nèi)容需要通過短文件名SFN查看

如果一個文件既有長文件名也有短文件名，則長文件名是其主要名字，而短文件名則為附加名字

==長文件名LFN條目在對應(yīng)的短文件名SFN條目前面==

一個文件的長文件名最長255字符，對應(yīng)最多20個長文件名LFN條目

長文件名簡單理解起始就是存儲一個字符串，因此沒有類似SFN的限制，允許有空格、支持大小寫、允許多個.符號等

LFN條目文件名長度不夠，仍然采用0x20填充

下圖是官方關(guān)于一個名為 “MultiMediaCard System Summary.pdf” 的長文件名在flash上的長文件名條目，如下所示，一眼沒看明白也沒關(guān)系，后文有實例說明，對長文件名有概念了就行！

關(guān)于長文件名的checksum字段和計算，算法如下：

uint8_t create_sum (const DIR* entry)

{

int i;

uint8_t sum;

for (i = sum = 0; i < 11; i++) { /* Calculate sum of DIR_Name[] field */

sum = (sum >> 1) + (sum << 7) + entry->DIR_Name[i];

}

return sum;

}

4.7.3 LFN系統(tǒng)對于SFN的兼容

在使用LFN長文件名的系統(tǒng)中，會自動生成SFN短文件名已確保此文件在短文件名的文件系統(tǒng)中可使用。同時為了防止生成的短文件名沖突，SFN的生成采用 名稱+數(shù)字后綴+擴展 的格式，同時采用以下規(guī)則生成SFN：

小寫自動轉(zhuǎn)大寫

如果存在空格，則刪去空格，設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標識

已.開頭的文件刪除頭部的.，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標識

存在多個.的文件名，僅保留最后一個作為文件名與擴展的分隔，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標識

其他不支持的字符，采用_代替，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標識

文件名如果是Unicode編碼，則轉(zhuǎn)化為ANSI/OEM編碼；不能轉(zhuǎn)換的字符采用_代替，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標識

長度超過8字節(jié)的部分，截斷，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標識

擴展名字段超過3字節(jié)的，截斷，并設(shè)置有損轉(zhuǎn)換標識

有損轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換標識為：~，ASCII值為0x7E，十進制126

示例如下：

至此，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)的理論部分已經(jīng)描述完了，接下來我們繼續(xù)使用winhex對數(shù)據(jù)進行分析。

5.分區(qū)分析

繼續(xù)回顧我們一開始的這張布局圖

5.1 保留分區(qū)分析

保留分區(qū)為第一個分區(qū)，其中引導(dǎo)扇區(qū)位于保留分區(qū)的第一個扇區(qū)。

根據(jù) 4.3 章節(jié)計算結(jié)果可知，保留分區(qū)起始地址為 0x00，大小 0xC00

保留分區(qū)數(shù)據(jù)如下，保留分區(qū)內(nèi)最重要的內(nèi)容即為引導(dǎo)扇區(qū)，除引導(dǎo)扇區(qū)外，其他剩余空間全部保留，采用0x00覆蓋。關(guān)于引導(dǎo)扇區(qū)已在 4.2 章節(jié)詳細分析，此處不再做介紹。

5.2 FAT區(qū)分析

根據(jù) 4.3 章節(jié)描述，F(xiàn)AT區(qū)的起始地址為 ==0xC00==，大小為 ==0x3B400==，此外存在兩個FAT區(qū)，F(xiàn)AT1和FAT2，起始地址分別為：==0xC00==、==0x1E600==，對應(yīng)地址數(shù)據(jù)如下：

FAT1 數(shù)據(jù)：

FAT2 數(shù)據(jù)如下：

==由于此處采用FAT16格式，所以每個FAT條目占據(jù)兩個字節(jié)！==

根據(jù)上述數(shù)據(jù)進行分析：

確認 FAT2 為 FAT1 的備份；

存在5個FAT條目其中 FAT[0] 和 FAT[1] 為保留條目，F(xiàn)AT[0] 的內(nèi)容與 BPB_Media 媒體類型字段一致，F(xiàn)AT[1] 用來記錄錯誤歷史記錄 （詳見 4.5 章節(jié)描述）

==根據(jù)4.5章節(jié)描述，F(xiàn)AT2對應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的第一個簇==，又FAT[2]、FAT[3]、FAT[4] 數(shù)據(jù)均為 0xFF，表明存在三個文件，且每個文件的大小小于等于一個簇的空間；且分別存放在數(shù)據(jù)區(qū)第1到第3個簇上！

此處可能大家會由疑問，剛剛格式化的sd卡為什么會存在文件內(nèi)，其實這個是系統(tǒng)文件，格式化后自帶的，默認是隱藏的，只有使用winhex才能看到，也就是對應(yīng)的System Volume Information文件夾。