FAT32文件系統(tǒng)詳細(xì)分析 (格式化SD nand/SD卡)

文章目錄

FAT32文件系統(tǒng)詳細(xì)分析 （續(xù)FAT文件系統(tǒng)詳解）

1. 前言

2. 格式化SD nand/SD卡

3. FAT32文件系統(tǒng)分析

3.1 保留區(qū)分析

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS區(qū)分析

3.1.2 FSInfo 結(jié)構(gòu)扇區(qū)分析

3.1.3 引導(dǎo)扇區(qū)剩余扇區(qū)

3.1.4 備份引導(dǎo)扇區(qū)

3.1.5 保留區(qū)剩余區(qū)域

3.2 分區(qū)偏移及大小計(jì)算

3.3 FAT區(qū)分析：

3.3.1 FAT1

3.3.2 FAT2

3.4 數(shù)據(jù)區(qū)分析：

4. 總結(jié)

1. 前言

續(xù)上一篇文章 : FATFS文件系統(tǒng)詳解:關(guān)于如SD卡、SD nand、spi nor flash等眾多存儲(chǔ)設(shè)備

在上一篇文章，我們已經(jīng)對(duì)FAT文件系統(tǒng)有了一個(gè)詳細(xì)的介紹，但由于FAT文件系統(tǒng)由歷史發(fā)展，存在FAT12/16/32三種系統(tǒng)，在上一篇文章中采用的是FAT16系統(tǒng)作為實(shí)例進(jìn)行的分析，而FAT32系統(tǒng)存在些許差異，且FAT32文件系統(tǒng)在當(dāng)前應(yīng)用廣泛，因此特補(bǔ)充此篇博文，完善FAT32的示例分析。

2. 格式化SD nand/SD卡

申請(qǐng)到雷龍發(fā)展代理的CS創(chuàng)世 貼片 SD Card (SD NAND) 樣品，做出測(cè)試，有1Gb,4Gb,32Gb,64Gb的容量可選,我這里申請(qǐng)到的是兩片32Gb的芯片和測(cè)試板.

2.1 格式化SD nand / SD卡，強(qiáng)制采用FAT32格式，分配每個(gè)簇大小為2048Byte，同時(shí)為了避免其他原有數(shù)據(jù)干擾，我們此處取消快速格式化。

2.2 使用 WinHex 打開(kāi)分析

3. FAT32文件系統(tǒng)分析

FAT文件系統(tǒng)布局圖如下，和FAT16上有些許差別：

3.1 保留區(qū)分析

保留區(qū)分為引導(dǎo)扇區(qū)、備份引導(dǎo)扇區(qū)及其他字段，具體數(shù)據(jù)段分析如下。

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS區(qū)分析

BPB及BS參數(shù)內(nèi)容數(shù)據(jù)如下：

• EB 58 90 ：BS_JmpBoot，跳轉(zhuǎn)指令
• 4D 53 44 4F 53 35 2E 30：BS_OEMName，MSDOS 5.0，一個(gè)名字，指示創(chuàng)建此卷的操作系統(tǒng)，無(wú)其他作用`
• 00 02：BPB_BytsPerSec，扇區(qū)大小 512 字節(jié)
• 04：BPB_SecPerClus，每次操作的最小扇區(qū)數(shù)，簇 Cluster，4 (與格式化時(shí)選擇的大小匹配 2048 = 512 * 4)
• 16 11：BPB_RsvdSecCnt，保留區(qū)的扇區(qū)數(shù)，0x1116=4374 (通過(guò)此可計(jì)算，F(xiàn)AT區(qū)起始地址為 4374 * 512 = 0x22 2C00)
• 02：BPB_NumFATs，F(xiàn)ATs的個(gè)數(shù)，2（一般此值為2，多一個(gè)用來(lái)做冗余備份，解決系統(tǒng)異常導(dǎo)致第一個(gè)損壞時(shí)，增大恢復(fù)的可能性，表示FAT區(qū)有兩個(gè)FATs備份）
• 00 00：BPB_RootEntCnt，0，在FAT12/16系統(tǒng)中，此字段表示根目錄中32字節(jié)目錄條目數(shù)量，設(shè)置此值時(shí)需注意對(duì)齊，為了最大的兼容性，F(xiàn)AT16系統(tǒng)上此值應(yīng)設(shè)置為512，F(xiàn)AT32系統(tǒng)上此值應(yīng)設(shè)置為0
• 00 00：BPB_TotSec16，16位大小區(qū)域描述FAT卷扇區(qū)總數(shù)，0。當(dāng)FAT12/16系統(tǒng)扇區(qū)數(shù) ≥0x10000(65536)時(shí)，此字段應(yīng)設(shè)置為0，真實(shí)值存放在 BPB_TotSec32 字段；對(duì)于FAT32系統(tǒng)，此值必須為0。(此處由于我們的總扇區(qū)數(shù)=118.510241024/512 = 242688 > 65536，所以此字段為0)
• F8：BPB_Media 媒體類(lèi)型
• 00 00：BPB_FATSz16，00，一個(gè)FAT占用的扇區(qū)數(shù)，此字段僅在FAT12/16系統(tǒng)使用；FAT32系統(tǒng)，此字段必須為0，使用BPB_FATSz32字段替代。
• 3F 00：BPB_SecPerTrk，每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)，此字段僅與具有幾何形狀且僅用于 IBM PC 的磁盤(pán) BIOS 的介質(zhì)相關(guān)，不用管。
• FF 00：BPB_NumHeads，頭數(shù)量，此字段僅與具有幾何形狀且僅用于 IBM PC 的磁盤(pán) BIOS 的介質(zhì)相關(guān)，不用管。
• 00 00 00 00：BPB_HiddSec，0，F(xiàn)AT 卷之前的隱藏物理扇區(qū)數(shù)（當(dāng)磁盤(pán)被分區(qū)之后，當(dāng)前分區(qū)并不一定是從扇區(qū)頭開(kāi)始的）
• 00 08 0F 00：BPB_TotSec32，0x0F0800 = 985088（整個(gè)卷空間大?。?，32位大小區(qū)域描述FAT卷扇區(qū)總數(shù)。 FAT12/16系統(tǒng)，扇區(qū)總數(shù)小于0x10000時(shí)，此字段必須為0，真實(shí)值存放在BPB_FATSz16；FAT32系統(tǒng)，此字段一直有效。（481M = 512 * 985088）

以上是FAT12/16/32公共字段，接下來(lái)是FAT32獨(dú)有字段

• 75 07 00 00：BPB_FATSz32，1909，一個(gè)FAT占用的扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT區(qū)總大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇區(qū)。（由此可計(jì)算FAT區(qū)總大?。?909 * 2 = 3818扇區(qū) = 3818 * 512Byte = 0x1D D400 Byte）
• 00 00: BPB_ExtFlags,擴(kuò)展標(biāo)識(shí)字段，bit7=0，表示所有FAT都是鏡像的和活躍的；bit7=1，表示只有bit3-0表示的FAT是有效的。
• 00 00：BPB_FSVer：FAT32版本，高字節(jié)是主版本號(hào)，低字節(jié)是次版本號(hào)。
• 02 00 00 00：BPB_RootClus，2， 根目錄的第一個(gè)簇號(hào)，此值通常為2，因?yàn)榍皟蓚€(gè)簇一般用于保留。
• 01 00：BPB_FSInfo，1，F(xiàn)SInfo結(jié)構(gòu)扇區(qū)與FAT32卷頂部的偏移扇區(qū)值。此值通常為1，因?yàn)槠渫ǔＮ挥谝龑?dǎo)扇區(qū)旁邊。
• 06 00：BPB_BkBootSec，6， 備份引導(dǎo)扇區(qū)與FAT32卷頂部的偏移扇區(qū)值。此值通常為6，考慮最大的兼容性，此值不建議為其他值。
• 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00：BPB_Reserved，0，保留
• 80：BS_DrvNum，IBM PC 的磁盤(pán) BIOS 使用的驅(qū)動(dòng)器號(hào)，00h代表軟盤(pán)，80h代表固定磁盤(pán)
• 00：BS_Reserved，保留字段，0
• 29：BS_BootSig，擴(kuò)展引導(dǎo)簽名，表示以下存在三個(gè)字段
• 30 D1 B5 78：BS_VolID，與 BS_VolLab 一起構(gòu)成卷序列號(hào)，一般在格式化的時(shí)候結(jié)合時(shí)間生成
• 4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20：(解析為:"NO NAME “)，BS_VolLab，11byte卷標(biāo)，當(dāng)卷標(biāo)不存在時(shí)，此值應(yīng)設(shè)置為"NO NAME”
• 46 41 54 33 32 20 20 20：BS_FilSysType，始終為"FAT32 "，對(duì)FAT類(lèi)型的確定沒(méi)有任何影響。
• 33 C9 ... B9 01 00 00：BS_BootCode32，引導(dǎo)啟動(dòng)程序，與平臺(tái)有關(guān)，不使用時(shí)填充為0
• BS_BootSign：0xAA55，引導(dǎo)簽名，指示這是一個(gè)有效的引導(dǎo)扇區(qū)當(dāng)扇區(qū)大小大于512字節(jié)時(shí)，剩余的字段應(yīng)全部使用0x0填充。

3.1.2 FSInfo 結(jié)構(gòu)扇區(qū)分析

FSInfo 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為FAT32系統(tǒng)所特有，其目的是記錄FAT32系統(tǒng)上剩余的簇?cái)?shù)量以及下一個(gè)空閑簇?cái)?shù)據(jù)；以避免掃描整個(gè)磁盤(pán)搜索導(dǎo)致的時(shí)間浪費(fèi)。

FSInfo數(shù)據(jù)偏移可從引導(dǎo)扇區(qū)內(nèi)的 BPB_FSInfo 參數(shù)獲取，此處為 1，因此 FSInfo 數(shù)據(jù)偏移為1個(gè)扇區(qū)，對(duì)應(yīng)512Byte，0x200地址處。FSInfo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

內(nèi)容如下：

3.1.3 引導(dǎo)扇區(qū)剩余扇區(qū)

FAT32引導(dǎo)扇區(qū)總共有三個(gè)512Byte的扇區(qū)構(gòu)成。BPB、BS、FSInfo字段已使用了2個(gè)扇區(qū)，還剩有一個(gè)扇區(qū)未使用，字段為0，如下圖所示，需要注意的是，此扇區(qū)在偏移值510處依舊存在尾部簽名0xAA55。

引導(dǎo)扇區(qū)剩余字段，為非有效字段，采用0x00填充。

3.1.4 備份引導(dǎo)扇區(qū)

相比FAT12/16，F(xiàn)AT32系統(tǒng)上存在引導(dǎo)扇區(qū)的備份，此塊區(qū)域偏移參考引導(dǎo)扇區(qū)內(nèi)BPB_BkBootSec字段，當(dāng)前引導(dǎo)扇區(qū)內(nèi)此參數(shù)值為6， 因此在當(dāng)前文件系統(tǒng)內(nèi)，備份引導(dǎo)扇區(qū)的偏移為 6號(hào)扇區(qū)，對(duì)應(yīng)偏移地址為 BPB_BkBootSec * BPB_BytsPerSec = 6 * 512Byte = 3072Byte = 0xC00

3.1.5 保留區(qū)剩余區(qū)域

在FAT32系統(tǒng)中，保留區(qū)除了 BPB區(qū)域、FSInfo區(qū)域以及這兩個(gè)區(qū)域的備份區(qū)域外，還有一部分區(qū)域，目前我沒(méi)找到此區(qū)域的作用，我理解為此塊區(qū)域是作為某種引導(dǎo)程序，數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

關(guān)于此塊區(qū)域，歡迎大家在評(píng)論區(qū)討論！

此外，還有一處區(qū)域的存在也歡迎大家討論，即FSInfo扇區(qū)后面的一個(gè)扇區(qū)，只有看到尾部簽名，其他數(shù)據(jù)為空，目前也未找到此處有關(guān)說(shuō)明，后續(xù)清楚后會(huì)在此補(bǔ)充，亦歡迎大家在評(píng)論區(qū)討論！

3.2 分區(qū)偏移及大小計(jì)算

知道BPB參數(shù)內(nèi)容之后，便可以進(jìn)行分區(qū)偏移及大小計(jì)算了！

各分區(qū)偏移地址及大小如下：

關(guān)于FAT區(qū)，通常存在一個(gè)以上的FAT，如此處所格式化的sd卡便存在兩個(gè)FAT，對(duì)應(yīng)的偏移地址和大小如下：

注意：在FAT32系統(tǒng)中，根目錄區(qū)不存在，但依舊存在根目錄，不過(guò)是根目錄作為數(shù)據(jù)區(qū)的一部分！

3.3 FAT區(qū)分析：

FAT32系統(tǒng)與FAT12/16系統(tǒng)在FAT區(qū)數(shù)據(jù)一個(gè)顯著差別是：FAT32每條FAT條目占32bit，F(xiàn)AT16占16個(gè)bit，F(xiàn)AT12占12bit。關(guān)于此部分更詳細(xì)描述，可參考上一篇：FAT文件系統(tǒng)詳解（點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)！） 的 4.3 章節(jié)！

3.3.1 FAT1

FAT1偏移地址：0x22 2C00

數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

3.3.2 FAT2

FAT2是FAT1的備份，偏移地址：0x31 1600
數(shù)據(jù)內(nèi)容與FAT1一致，如下：

3.4 數(shù)據(jù)區(qū)分析：

偏移地址：0x40 0000
由參數(shù)BPB_RootClus可知，數(shù)據(jù)區(qū)第一個(gè)簇是2號(hào)簇。

打開(kāi)數(shù)據(jù)區(qū)的第一個(gè)簇，里面存放的內(nèi)容便是根目錄的內(nèi)容！這也就是為什么FAT32沒(méi)有根目錄區(qū)，但依舊存在根目錄的實(shí)現(xiàn)方式。數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

之后我們看到3號(hào)簇的內(nèi)容：
數(shù)據(jù)字段如下圖所示，由于在上一篇博文中已對(duì)長(zhǎng)短文件名每個(gè)字段進(jìn)行過(guò)細(xì)致分析，此處不再做過(guò)度分析，僅抽取關(guān)鍵字段進(jìn)行分析，如下圖所示：

之后切換到4號(hào)簇和5號(hào)簇，可以查看到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)：

從6號(hào)簇開(kāi)始便沒(méi)有在使用，均為空閑簇，對(duì)應(yīng)上 FSInfo 結(jié)構(gòu)內(nèi) FSI_Nxt_Free 字段的內(nèi)容。

4. 總結(jié)

相比FAT16系統(tǒng)，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)在保留區(qū)有了更多的設(shè)計(jì)：

1）增加了引導(dǎo)扇區(qū)的備份，異常掉電等情況下可恢復(fù)性更強(qiáng)；

2）增加了FSInfo結(jié)構(gòu)，對(duì)于大容量flash訪問(wèn)將更加高效；

此外FAT32系統(tǒng)取消了根目錄區(qū)，將根目錄移至數(shù)據(jù)區(qū)，根目錄與普通目錄本來(lái)就沒(méi)有什么區(qū)別，確實(shí)也不用單獨(dú)分一個(gè)區(qū)存放，提高了一致性。

關(guān)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)思想，依舊保持不變：FAT區(qū)內(nèi)的FAT條目通過(guò)簇鏈記錄扇區(qū)使用情況及文件占用的扇區(qū)情況；數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)目錄和文件都作為文件，通過(guò)目錄這一類(lèi)特殊文件，描述文件屬性以及實(shí)際文件內(nèi)容存放的簇的方式，將整個(gè)文件管理起來(lái)。

綜上，便是FAT32格式文件系統(tǒng)的詳細(xì)解析，歡迎大家評(píng)論區(qū)進(jìn)行積極討論與反饋?。?！