SD卡中FAT16文件分析

         上一篇文章介绍了SD卡spi模式的实现，接下去自己又去学了FAT16文件系统。在网上找了很多资料，觉得有一篇还不错，就拿出来和大家分享分享。

 SD卡中FAT16文件分析 

         我们通常使用的硬盘的结构基本是这样的：一个电机带着N张盘片，通过磁头对上面的存储空间对写读写。每张盘面被分为多个磁道，每个磁道上又有多个扇区。一般一个硬盘还有多个磁头。为了便于管理，人们搞出来一个文件系统，常见的就是FAT16和FAT32以及NT系统上的NTFS。当然，半导体存储器虽然没有了这些机械的结构，但文件系统格式当时是在磁盘上搞出来的，所以有些格式还是得照它的模样来做的。这里，我们仅分析最常见的一种FAT16格式，即每个扇区大小为512字节，每个簇由32个扇区组成的这一种FAT格式，其他的大家可以自己查找相关资料。由于这个资料是我自己为了使用SD卡而临时整理出来的，所以仅供大家参考之用。 下面以一张SD卡里的内容分析一下FAT16，用于帮助大家用单片机操作SD卡。 

        上面为一个512M的SD卡的第一个物理扇区，大小为512B，常称为引导扇区。即MBR（主引导记录）。这个区在电脑硬盘上这个就是bios执行完ROM中的程序后在磁盘上访问的第一块空间，这里有一些引导信息。长度为466字节，地址为0x00~0x1BD。从1BE开始，每16个字节代表一个分区，共有4个，我这张SD卡只有一个分区，所以只有1BE-1CD有内容，后面三个都是空的。这四个16字节的表项就是我们所常说的分区表。 

从物理扇区的E9处，也就是逻辑0扇区读取数据，内容如下图
                               

这个区的具体内容如下 

以上是一张SD卡的BPB(BIOS参数数据块)，从上面我们可以得到一些有用的信息：
1． 卡的大小是512M
2． 每个簇有32个扇区，即16K
3． 卡的总扇区数1000215，隐含区数233
4． FAT表的大小为123个扇区
        根据FAT16的格式，主引导区后就是两个一样的分区表，分区表后面又跟了32个扇区作为
根目录区。然后后面就是存放文件和文件夹的地方了。每个分区表既然大小算出来是123
个扇区，那么FAT1在1-123扇区，FAT2就是124-246扇区，根目录就是247-278，数据区
开始于279。
         在主引导区后面就是FAT表了。从上面可以得知一个FAT表是123个扇区。它里边的内容很
简单，里边的内容就是指出下一个簇在哪里。你的盘有多少个簇，那么它的FAT表就要有多
少个项来描述它们。因为FAT16是用2个字节(16位)来描述一个簇的，所以这时FAT表的
大小就应该是2位的簇数个字节。FAT表中，第4，5个簇表示第2个簇，第6，7个字节表
示第3个簇，第8,9字节表示第4个簇……。就这样，每一个簇都有两个和它对应的字节。
这两个字节里面存放的数据就是下一个16K数据所在的簇号。2个字节最大能表示65535，
一个簇最大为32K，所以FAT16最多能给65565*32K≈2G。这就是FAT16格式为什么分区不
能大于2G的原因。实际上，并不是所有的数值都代表簇号，有几个值被赋于了特定的含义，
       我们先看看这几个特殊值代表的含义。

                                        

看一个例子吧 

        上面是我的SD卡中第一个扇区的内容。它一开始就是F8 FF FF FF，从前面的特殊数
值中可以知道，这就是硬盘的标识，并且第1簇已经被占用了。我的SD卡里有一个文件，
名子叫dssd.bin，它是我把卡买回来后拷进去的第一个文件。它的第一个簇的地址是
0x0002。这个地址从哪里得来的要看后面的内容了，暂且就把它当已知条件吧。这也就是说，
在SD卡的第2个簇里边存放着dssd.bin的第1个16K数据，那么它的第二个16K放在哪里
呢，我们要看FAT表，每2个簇对应于FAT表中的第4，5个字节，里边的内容为0003，也
就是说第2个16K数据在第3个簇里。第3个簇对应的FAT表中的数据又是什么呢，原来是
0004，也就是说第3个16K的数据在第4个簇里。这样继续跟踪，我们发现，第9个簇里的
数据是FFFF，FFFF是什么意思？看一下特殊数值的含义，原来这是最后一个簇，也就是说，
我的dssd.bin文件到此为止。于是我们只要跟着FAT表的“指路”顺利地把dssd.bin文件
从SD卡中找到了。它在卡里占用了8个簇，我的卡里边1个簇为16K，所以这个文件的大
小也就最多为128K了。所以我们只要根据SD卡的读写方法，把第2-8簇里的内容读出来就
OK了。
        注意一下，我这张卡是为了学习FAT16而买的，没有碎片，所以文件的簇和簇都是连在
一起的，但实际上并不一定都是连着的，一定要通过FAT表中的指示去寻找下一个簇所在的
位置。
        说完FAT表，下面应该来看根目录区了。根目录区里面放的东西就是根目录下所见的东
西，根据对引导扇区的分析，我们可以找到根目录区在第247扇内。用winhex打开第247
个扇区

                               
         FAT16和FAT32每个文件名都占32个字节，这里放的是短文件名，也就是“8.3”格式的。
但FAT16的根目录区只有32个扇区，计算一下，每个扇区512字节，共32个扇区，而每个
文件要占用32个字节，很显然，根目录只能放512个文件了。因此，FAT16的根目录下只
能放512个文件(及文件夹)就是这个原因。
先看前32字节，它的内容是这样的 

                                         
        就看最前面的32字节吧，它表示了一个文件(或文件夹)，现在对它分析一下。前11个字节
是文件名。从后面的ASCII表中可以看出，它就是我写进去的那个名为dssd.bin。
第0x0B个字节内容为0x20，可以知道它的属性为存档，这与我们从windows中观察到的它
的属性是一致的。大小为128K，也与我们的分析一致。
                                   
        再看一下创建和修改日期吧。找到对应的字节C9 34。它代表的值为0x34C9，把它弄成2
进制就是0011 0100 1100 1001 ，把它按格式分析一下，年：0011010 月0110 日1001
换成十进制就是26，加上1980为2006年。月份为6，日期为9。与上面的结果一致。时间
也一样分析，这就不再举例了。
        再看第二项，就是第3,4行，文件名是DCIM，没有后缀名。偏移地址0B处对应的数据
为10，对照着表看一下，它是一个文件夹。按上面的方法分析它，它开始于0000 000A，也
就是第10簇。我这个文件夹下面放的是一个文件夹，相机自己建的，名子叫101CANON。根
据刚才的经验，那第一个表项一定是以101CANON开头的，没有后缀名，属性为文件夹……
跟踪过去看一下再说。
                               
        咦？不对哦，它是2E，后面是空格。第二项，也不对，它是2E2E，后面也是空格，直到第
三项才是我预想的文件夹。 那前面那个项，一个是2E，一个是2E 2E，它倒底是何方神圣，对照ASCII表，它就是一个小点“.”。这个小点什么意思，那第二项就是“..”，有没有什么启发？——DOS!那个古老的操作系统是怎么访问文件夹的？cd ..就是返回上一层目录。难道是它……？没错!就是它，一个点代表当前目录，两个点代表上级目录。哈哈。看一下当前目录那一项，一下它的地址，000A，就是这个目录。而..对应的那一项，分析一下地址。00 00，也就是根录。所以就可以利用这里找到上一级目录，于是就可以实现一级一级目录的访问了。 FAT16的结构基本就介绍到这里了，以上是我对FAT16的认识。
        相信看了上面这篇文章你肯定会对FAT16文件系统有所了解。我后来写FAT16文件系统基本上也是参考了这份资料。可以说，了解了文件系统之后，感觉自己对现代信息技术又有了一定了解，相对于只用windows上的API函数操作文件系统，有一个从根本上对文件系统的了解感觉还是踏实多了。下面的文章我会讲讲如何实现一个文件系统，并提供自己的代码供参考。