SD卡FAT32文件系统格式
一、聲明
1、本文來源和主旨
2、本文測試環境?
二、SD卡FAT文件系統?
1、SD卡FAT32文件系統的整體布局
2、FAT文件系統簡介
① 文件分配表?
② 目錄項?
三、DBR（DOS BOOT RECORD，DOS引導記錄）
1、DBR與BPB
① DBR
② BPB
2、DBR實例測試
3、DBR參數計算
四、FSINFO分區?
五、文件分區FAT表
1、FAT表
2、FAT表例?
六、數據區
1、目錄項定義?
<1> 短文件目錄項的具體定義
<2> 長文件目錄項的具體定義?
2、目錄項舉例
<1> 短目錄項舉例
<2>? 長目錄項舉例
?
一、聲明
1、本文來源和主旨
本文幾乎全部內容來自于SD卡中FAT32文件格式快速入門（圖文詳細介紹），這篇文章的理論闡釋很到位，實驗編排也不錯。本文所做的工作就是將這篇文章中講解的實驗從頭到尾做一遍。另外本文對于原文的編排有所調整，希望達到更加合理的布局。
2、本文測試環境
測試硬件：2G金士頓SD卡（格式化）
操作系統："Windows XP"
測試軟件：WinHex
二、SD卡FAT文件系統
1、SD卡FAT32文件系統的整體布局
本SD卡的FAT32文件系統無MBR分區，只有一個基本分區，而基本分區的分布圖如下圖所示：
從WinHex中查看
2、FAT文件系統簡介
FAT（File?Allocation?Table，文件分配表）文件系統是windows操作系統所使用的一種文件系統，它的發展過程經歷了FAT12、FAT16、FAT32三個階段。FAT文件系統用“簇”作為數據單元。一個“簇”由一組連續的扇區組成，簇所含的扇區數必須是2的整數次冪。簇的最大值為64個扇區，即32KB。所有簇從2開始進行編號，每個簇都有一個自己的地址編號。用戶文件和目錄都存儲在簇中。?本文每簇4KB大小。
FAT文件系統的數據結構中有兩個重要的結構：文件分配表和目錄項：
① 文件分配表
文件和文件夾內容儲存在簇中，如果一個文件或文件夾需要多余一個簇的空間，則用FAT表來描述，如何找到另外的簇。FAT結構用于指出文件的下一個簇，同時也說明了簇的分配狀態。FAT12、FAT16、FAT32這三種文件系統之間的主要區別在與FAT項的大小不同。?
② 目錄項
FAT文件系統的每一個文件和文件夾都被分配到一個目錄項，目錄項中記錄著文件名、大小、文件內容起始地址以及其他一些元數據。?
在FAT文件系統中，文件系統的數據記錄在“引導扇區中（DBR）”中。引導扇區位于整個文件系統的0號扇區，是文件系統隱藏區域（也稱為保留區）的一部分，我們稱其為DBR（DOS?Boot?Recorder——DOS引導記錄）扇區，DBR中記錄著文件系統的起始位置、大小、FAT表個數及大小等相關信息。
在FAT文件系統中，同時使用“扇區地址”和“簇地址”兩種地址管理方式。這是因為只有存儲用戶數據的數據區使用簇進行管理（FAT12和FAT16的根目錄除外），所有簇都位于數據區。其他文件系統管理數據區域是不以簇進行管理的，這部分區域使用扇區地址進行管理。文件系統的起始扇區為0號扇區。
三、DBR（DOS BOOT RECORD，DOS引導記錄）
1、DBR與BPB
① DBR
DBR（DOS?Boot?Recorder——DOS引導記錄）扇區，DBR中記錄著文件系統的起始位置、大小、FAT表個數及大小等相關信息。
?
② BPB
BPB（BIOS Parameter Block）表，描述邏輯盤結構組成，包含隱藏扇區數目（從0-1-1開始計算）、FAT扇區數、FAT拷貝數、硬盤磁頭總數、根目錄表項最大值等。
FAT32文件系統的擴展BPB區位于DBR內，從地址0x00B~0x052都是BPB的范圍。
2、DBR實例測試
格式化SD卡，用WinHex打開SD卡，內容如下：
【1】0x00~0x02：3字節，"EB5890"，跳轉指令。?
【2】0x03~0x0A：8字節，文件系統標志和版本號，這里為MSDOS5.0。?
【3】0x0B~0x0C：2字節，每扇區字節數，512（0X02 00）。?
【4】0x0D~0x0D：1字節，每簇扇區數，8（0x08），這個值不能為0，而且必須是2的整數次方，比如1、2、4、8、16、32、64、128。
【5】0x0E~0x0F：2字節，保留扇區數，38（0x00?26），那么就知道FAT1起始位置在38扇區。??
【6】0x10~0x10：1字節，FAT表個數為2，另外一個是備份的。?
【7】0x11~0x12：2字節，FAT32必須等于0，FAT12/FAT16為根目錄中目錄的個數；?
【8】0x13~0x14：2字節，FAT32必須等于0，FAT12/FAT16為扇區總數。?
【9】0x15~0x15：1字節，哪種存儲介質，0xF8標準值，可移動存儲介質。?
【10】0x16~0x17:2字節，FAT32必須為0，FAT12/FAT16為一個FAT表所占的扇區數。
【11】0x18~0x19：2字節，每磁道扇區數，只對于有“特殊形狀”（由磁頭和柱面每 分割為若干磁道）的存儲介質有效，63（0x003F）。?
【12】0x1A~0x1B：2字節，磁頭數，只對特殊的介質才有效，255（0x00 FF）。?
【13】0x1C~0x1F：4字節，EBR分區之前所隱藏的扇區數，0（0x00?00 00?00）。
【14】0x20~0x23：4字節，此文件系統分區的總扇區數，3887104（0x?00 3B?50 00），3887104?* 512?= 1990197248??≈?1.9GB。
【15】0x24~0x27：4字節，每個FAT表占用扇區數，3789（0x?00?00 0E?CD）。?
【16】0x28~0x29：2字節，標記，此域FAT32?特有。?
【17】0x2A~0x2B：2字節，FAT32版本號0.0，FAT32特有。?
【18】0x2C~0x2F：4字節，根目錄所在第一個簇的簇號，2。（雖然在FAT32文件系統?下，根目錄可以存放在數據區的任何位置，但是通常情況下還是起始于2號簇)。
【19】0x30~0x31：2字節，FSINFO（文件系統信息扇區）扇區號是1，該扇區為操作系統提供關于空簇總數及下一可用簇的信息。?
【20】0x32~0x33：2字節，備份引導扇區的位置。備份引導扇區總是位于文件系統的6號扇區。?
【21】0x34~0x3F：12字節，用于以后FAT?擴展使用。??
【22】0x40~0x40：1字節，與FAT12/16?的定義相同，只不過兩者位于啟動扇區不同的位置而已。
【23】0x41~0x41：1字節，與FAT12/16?的定義相同，只不過兩者位于啟動扇區不同的位置而已?。?
【24】0x42~0x42：1字節，擴展引導標志，0x29。與FAT12/16?的定義相同，只不過兩者位于啟動扇區不同的位置而已
【25】0x43~0x46：4字節，卷序列號。通常為一個隨機值。?
【26】0x47~0x51：11字節，卷標（ASCII碼），如果建立文件系統的時候指定了卷標，會保存在此。?
【27】0x52~0x59：8字節，文件系統格式的ASCII碼，FAT32。?
★【28】0x5A~0x1FD：90~509共410字節，引導代碼。?
【29】0x1FE~0x1FF：簽名標志“55?AA”。?
★說明：引導代碼
FAT文件系統將引導代碼與文件形同數據結構融合在一起，FAT32文件系統引導扇區的512字節中，90~509字節為引導代碼，而FAT12/16則是62~509字節為引導代碼。同時，FAT32還可以利用引導扇區后的扇區空間存放附加的引導代碼。一個FAT卷即使不是可引導文件文件系統，也會存在引導代碼。
3、DBR參數計算
由以上信息我們知道：
扇區大小：512 Bytes
簇大小：8 Sector = 2048 Bytes
保留扇區數：38 Sector
FAT表占用扇區數：3789 Sector
所以可以得知：
(1)FAT1地址
= 38 * 512 = 19456 = 0x4C00
(2) FAT2地址
= （38 + 3789）*512 = 1959424 = 0x1DE600
(3) 根目錄地址
= （38 + 3789 * 2）* 512 = 3899392 = 0x3B8000
(4) FAT表占據扇區數
= 簇總數 * 4 Bytes/ 扇區占據字節數
= （數據區扇區數/每簇占據扇區數）* 4 / 512
= ( 3879488 / 8 ) * 4 / 512
= 3788.5625
FAT表占據扇區數取整數為3789Sector。
四、FSINFO分區
FAT32在保留區中增加了一個FSINFO扇區，用以記錄文件系統中空閑簇的數量以及下一可用簇的簇號等信息，以供操作系統作為參考。FSINFO信息扇區一般位于文件系統的1號扇區，結構非常簡單。
【1】0x200~0x203:?4個字節，擴展引導標志“0x52526141”。?
【2】0x204~0x3E3：480個字節，未使用，全部置0。?
【3】0x3E4~0x3E7：?4個字節，FSINFO簽名“0x72724161”。?
【4】0x3E8~0x3EB：?4個字節，文件系統的空簇數，484934（0x00 07 66 46）。?
【5】0x3EC~0x3EF：?4個字節，下一可用簇號（0x?00?00?00 04）。?
【6】0x3F0~0x3FD：?14個字節，未使用。?
【7】0x3FE~0x3FF：?2個字節，“55?AA”標志。??
溫馨提示：通常情況下，文件系統的2號扇區結尾也會被設置“55?AA”標志。6號扇區會有一個引導扇區的備份，7號扇區是一個FSINFO信息備份扇區，8號扇區可以看做是2號扇區的備份。
?五、文件分區FAT表
文件系統分配磁盤空間按簇來分配。因此，文件占有磁盤空間時，基本單位不是字節而是簇，即使某個文件只有一個字節，操作系統也會給它分配一個最小單元：即一個簇。對于大文件，需要分配多個簇。同一個文件的數據并不一定完整地存放在磁盤中一個連續地區域內，而往往會分若干段，像鏈子一樣存放。這種存儲方式稱為文件的鏈式存儲。為了實現文件的鏈式存儲，文件系統必須準確地記錄哪些簇已經被文件占用，還必須為每個已經占用的簇指明存儲后繼的下一個簇的簇號，對于文件的最后一簇，則要指明本簇無后繼簇。這些都是由FAT表來保存的，FAT?表對應表項中記錄著它所代表的簇的有關信息：諸如是空，是不是壞簇，是否是已經是某個文件的尾簇等。
1、FAT表?
FAT表中的表項也是以4字節為單位進行劃分，對FAT表由0進行邏輯編號。0號地址與1號地址被系統保留并存儲特殊標志內容。從2號地址開始，每個地址對應于數據區的簇號，FAT表中的地址編號與數據區中的簇號一一對應。我們稱FAT表中的這些單元為FAT表項，FAT表項中記錄的值稱為FAT表項值。?
FAT32中把簇是以32bit（4個字節）進行編碼，而這種編碼是邏輯編碼，與物理地址也有一定的對應關系。FAT表緊接著的是有效數據區，從此區開始從2進行簇標號。也就是說從物理地址0x3B8000（7616扇區）位置處，從2開始，以4KB (8*512)為跨度進行簇編號。
? ? 當文件系統被創建，也就是進行格式化操作時，分配給FAT區域的空間將會被清空，在FAT1與FAT2的0號表項與1號表項寫入特定值。由于創建文件系統的同時也會創建根目錄，也就是為根目錄分配了一個簇空間，通常為2號簇，與之對應的2號FAT表項被寫入一個結束標記。
說明：
① 由于簇號起始于2號，所以FAT表項的0號表項與1號表項不與任何簇對應。FAT32的0號表項值總是“F8FFFF0F”。
② ?1號表項可能被用于記錄臟標志，以說明文件系統沒有被正常卸載或者磁盤表面存在錯誤。不過這個值并不重要。正常情況下1號表項的值為“FFFFFFFF”或“FFFFFF0F”。
② ?如果某個簇未被分配使用，它對應的FAT表項內容為0；
③ 當某個簇已被分配使用，則它對應的FAT表項內的FAT表項值也就是該文件的下一個存儲位置的簇號。如果該文件結束于該簇，則在它的FAT表項中記錄的是一個文件結束標記，對于FAT32而言，代表文件結束的FAT表項值為0x0FFFFFFF。
③ 如果某個簇存在壞扇區，則整個簇會用0xFFFFFF7標記為壞簇，這個壞簇標記就記錄在它所對應的FAT表項中。
④ ?在文件系統中新建文件時，如果新建的文件只占用一個簇，為其分配的簇對應的FAT表項將會寫入結束標記。如果新建的文件不只占用一個簇，則在其所占用的每個簇對應的FAT表項中寫入為其分配的下一簇的簇號，在最后一個簇對應的FAT表象中寫入結束標記。
⑤ 新建目錄時，只為其分配一個簇的空間，對應的FAT表項中寫入結束標記。當目錄增大超出一個簇的大小時，將會在空閑空間中繼續為其分配一個簇，并在FAT表中為其建立FAT表鏈以描述它所占用的簇情況。
2、FAT表例
筆者先對2G金士頓SD卡進行格式化，然后新建一個readme.txt文件，大小8.9KB。
用WinHex打開FAT1區，內容如下
【0號表項】：0x0FFFFFF8;FAT表起始固定標識
【1號表項】：0xFFFFFFFF;不用，默認值
【2號表項】：0x0FFFFFFF;根目錄所在簇，由于此時只占用1簇，所以是結束標志
【3號表項】：3號表項為0x00?00?00?04，readme.txt文件的下一簇號在4號表項，查看4號表項。
【4號表項】：4號表項為0x00?00?00?05，readme.txt文件下一簇號在5號表項，查看5號表項。
【5號表項】：5號表項為0x0F?FF?FF?FF，結束符號。說明文件在5號簇時就存儲完畢。
分析：readme.txt大小為8.9KB，而每簇大小為4KB，需要占用3個簇，這與存儲結果一致。
?六、數據區
數據區時真正用于存放用戶數據的區域。數據區緊跟在FAT2之后，被劃分成一個個的簇。所有的簇從2開始進行編號，也就是說，2號簇的起始位置就是數據區的起始位置。
1、目錄項定義
目錄所在的扇區，都是以32?Bytes劃分為一個單位，每個單位稱為一個目錄項（Directory?Entry），即每個目錄項的長度都是32?Bytes?。根目錄由若干個目錄項組成，一個目錄項占用32個字節，可以是長文件名目錄項、文件目錄項、子目錄項等。
<1> 短文件目錄項的具體定義
☆ 目錄項的第一個字節為“0xE5”，表示該項已被刪除。
☆?目錄項的第一個字節為0x2E(“.”)，表示當前目錄的信息（目錄的數據空間也會保存當前目錄的目錄項信息）
☆?目錄項的前兩個字節為“0x2E?0x2E(“.?.”)，表示上一級目錄。
☆ 目錄項的第一個字節為"0x00"，代表從此位置開始以后的數據空間都沒有使用。
注意：
對于目錄對應的短目錄項，沒有文件長度參數，也就是說0x1C-0x1F等于0。那么對于目錄，又如何知道它占用空間的大小呢，又如何遍歷目錄呢？
目錄中的目錄項是按照從前到后緊密排放，即使文件或者目錄刪除，也不會刪除它們對應的目錄項（刪除目錄項意味著目錄項清零），只是將目錄項標記為刪除（0xE5）。這樣目錄的數據空間直到遇到第一個空目錄項之前，所有的目錄項都是非空的。我們可以根據目錄項是否非空判斷是否到達了目錄的目錄項尾部。
至于目錄的大小，其實已經沒有意義了。我們獲取目錄的大小就是想判斷目錄的結束位置，而現在第一個空目錄項就是目錄的結束位置，所以已經沒有必要知道目錄的大小。當然， 通過遍歷目錄可以確定目錄占用空間的大小，不過沒有意義。
<2> 長文件目錄項的具體定義
再詳細的列出上表中地址0x0處各位段的含義
☆ 長文件名文件目錄項的unicode編碼：無論是英文字符，還是中文字符都占用2個字節。
☆ 目錄項的第一個字節為“0xE5”，表示該項已被刪除。
☆ ?一個長文件它在目錄中的記錄可能有幾個目錄項組成，包含若干個長目錄項和一個短目錄項
☆ 0xB位段的取值如果是0FH代表是長目錄項，反之就是短目錄項。
☆ 1個長文件目錄項：能記錄13個字符，對應26個字節
☆ 順序是從1開始編號直到13，倘若到了結尾的地方，除了要按照規則的編號還需要將0x0地址的第6位置1。
2、目錄項舉例
<1> 短目錄項舉例
格式化SD卡，然后在其中創建一個文件readme.txt和Test子目錄，WinHex打開根目錄內容如下：
首先看子目錄Test的對應目錄項：
【1】0x3B8020 -?0x3B8027 目錄項名為Test
【2】0x3B802B 10H(0001 0000B)，表明為子目錄
【3】[0x3B8034 -?0x3B8035,0x3B803A -?0x3B803B] ?00 03H，表明Test子目錄位于3號簇的位置，在FAT表中為3號表項
【4】0x3B803C -?0x3B803F 0000H，大小為0
readme.txt的對應目錄項：
【1】0x3B8040 -?0x3B8047 目錄項名為readme
【2】0x3B8048 - 0x3B804A 目錄項擴展名為TXT
【3】0x3B804B 20H(0010 0000B)，表明為歸檔文件
【3】[0x3B8054 -?0x3B8055,0x3B805A -?0x3B805B] ?00 04H，表明readme.txt位于4號簇的位置，在FAT表中為4號表項
【4】0x3B805C -?0x3B805F 23A7H，大小為9127 Bytes
<2>? 長目錄項舉例
格式化SD卡，然后在其中創建一個文件abcdefghigklmnopqrstuvwxyz.txt，WinHex打開根目錄內容如下：
先看看卷標?
【1】0x3B8000 -?0x3B8007 目錄項名為Huang?
【2】0x3B800B 08H(0000 1000B)，表明為"卷標"
再看看長文件目錄項
【1】003B8020 0x43 表明此長文件包含了3個長目錄項，并且當前目錄項是它的最后一個長目錄項
【2】003B8040 0x02 表明這是長文件的第2個目錄項
【3】003B8041 - 003B804A?長文件目錄項的unicode的第一部分, 006EH 006FH 0070H 0071H 0072H 代表了nopqr五個字符
【4】003B804B 0x0F 表明是一個長目錄項
【5】003B804D???? 0x27 校驗和
【6】003B804E -003B8059 長文件目錄項的unicode的第二部分, 0073H 0074H 0075H 0076H 0077H 0078H?代表了stuvwx六個字符
【7】003B805A - 003B805B 起始簇號，目前常置0
【8】003B805C - 003B805F 長文件目錄項的unicode的第三部分,?0079H 007AH?代表了yz兩個字符
為了記錄abcdefghigklmnopqrstuvwxyz.txt，使用了3個長目錄項和1個短目錄項。至于位于003B8080處的短目錄項，就不在說明了。
?
參考資料：SD卡中FAT32文件格式快速入門（圖文詳細介紹）
FAT文件系統原理(一)
? ? ? ? ? ? ? FAT(維基百科)
?
轉載于:https://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/3775902.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的SD卡FAT32文件系统格式的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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