FAT文件系统原理详细介绍

第一部分 FAT文件系统详细介绍

FAT文件起源于70年代末80年代初，用于微软的MS-DOS操作系统。它开始被设计成一个简单的文件系统用于小于500K的软件盘。后来被功能被大大增强用于支持越来越大的媒质。现在的文件系统有FAT12，FAT16和FAT32三种子类。

FAT12是最早的一版，主要用于软盘，它对簇的编址采用12bit宽度的数，所以称为FAT12。12bit的地址可以寻址4096个簇，事实上在FAT12中只能寻址4078个簇（在Linux下可寻址4084个簇），有一些簇号是不能用的，在后面会给出具体的说明。磁盘的扇区是用16bit的数进行计算的，所以磁盘的容量就被局限在32M空间之内。

在FAT16中，采用了16bit宽的簇地址，32bit宽扇区地址。虽然32bit的扇区地址可以寻址2^32*512，约2个TB的容量，但于由规定每簇最大的容量不超过1024*32，所以FAT16文件系统的容量也就限制到了2^16*1024*32，大约2.1GB的空量，并且实际还达不到这个值。

FAT32文件系统使用了32bit宽的簇地址，所以称为FAT32。但在微软件的文件系统中只使用了低28位，最大容量为2^28*1024*32,约8.7TB的空量。有的人认为32bit全用，最大容量为2^32*1024*32，这种说法是不正确的。

虽然FAT32具有容纳近乎8.7TB的容量，但实际应用中通常不使用超过32GB的FAT32分区。WIN2000及之上的OS已经不直接支持对超过32GB的分区格式化成FAT32，但WIN98依然可以格式化大到127GB的FAT32分区，但不推荐这样做。

下面是一个FAT分区的构成概况

引导扇区

其他保留扇区（可选）FAT表1FAT表2

根目录区

（仅FAT12/16）

数据区

（用于文件和目录）

需要说明的是：

1．引导扇区和其他保留扇区一起称为保留扇区，而其他保留扇区是可选的，当没有时候，引导扇区后紧跟的就是FAT表1

2．根目录区是仅FAT12/16才有，FAT32的目录项位于数据区。由于FAT12/16的根目录区是一个固定的区域，所以它的根目录的项数是有限制的，意即不能在根录建立超过这个定数的目录项数。

（一）引导扇区与BPB

BPB（BIOS Parametre Block）是FAT文件系统中第一个重要的数据结构，它位于该FAT分区的第一个扇区，同时也属于FAT文件系统基本区域的保留区，

 

       在下面的描述中。凡名称以BPB_开头的都是BPB的一部分，凡名称与BS_开头的项都是启动扇区的一部分，而不是属于BPB的内容，以下是启动扇区的结构

 

offset（byte）

长度（byte）

描述

BS_jmpBoot0x003跳转指令，指向启动代码BS_OEMName0x038建议值为“MSWIN4.1”。有些厂商的FAT驱动可能会检测此项，所以设为“MSWIN4.1”可以尽量避免兼容性的问题BPB_BytsPerSec0x0b2每扇区的字节数，取值只能是以下几种：512，1024，2048或是4096。设为512会取得最好的兼容性，目前有很多FAT代码都是硬性规定每扇区的字节数为512，而不是实际的检测此值。但微软的操作系统能够很好支持1024，2048或是4096BPB_SecPerClus0x0d1每簇的扇区数，其值必须中2的整数次方（该整数必须>=0），同时还要保证每簇的字节数不能超过32K，也就是1024*32字节BPB_RsvdSecCnt0x0e2保留扇区的数目，此域不能为0，FAT12/FAT16必须为1，FAT32的典型值取为32，，微软的系统支持任何非0值BPB_BumFATs0x101分区中FAT表的份数，，任何FAT格式都建议为2BPB_RootEntCnt0x112对于FAT12和FAT16此域包含根目录中目录的个数（每项长度为32bytes），对于FAT32，此项必须为0。对于FAT12和FAT16，此数乘以32必为BPB_BytesPerSec的偶数倍，为了达到更好的兼容性，FAT12和FAT16都应该取值为512BPB_ToSec160x132早期版本中16bit的总扇区，这里总扇区数包括FAT卷上四个基本分区的全部扇区，此域可以为0，若此域为0，那么BPB_ToSec32必须为0，对于FAT32，此域必为0。对于FAT12/FAT16，此域填写总扇区数，如果该值小于0x10000的话，BPB_ToSec32必须为0BPB_Media0x151对于“固定”（不可移动）存储介质而言，0xF8是标准值，对于可移动存储介质，经常使用的数值是0xF0，此域合法的取值可以取0xF0,0xF8,0xF9,0xFA,0xFC,0xFD,0xFE,0xFF。另外要提醒的是，无沦此域写入什么数值，同时也必须在FAT[0]的低字节写入相同的值，这是因为早期的MSDOS 1.x使用该字节来判定是何种存储介质BPB_FATz160x162FAT12/FAT16一个FAT表所占的扇区数，对于FAT32来说此域必须为0，在BPB_FATZ32中有指定FAT表的大小BPB_SecPerTrk0x182每磁道的扇区数，用于BIOS中断0x13，此域只对于有“特殊形状”（由磁头和柱面每分割为若干磁道）的存储介质有效，同时必须可以调用BIOS的0x13中断得到此数值BPB_NumHeads0x1A2磁头数，用于BIOS的0x13中断，类似于上面的BPB_ SecPerTrk，只对特殊的介质才有效，此域包含一个至少为1的数值，比如1,4M的软盘此域为2BPB_HidSec0x1C4在此FAT分区之前所隐藏的扇区数，必须使得调用BIOS的0x13中断可以得到此数值，对于那些没有分区的存储介质，此域必须为0，具体使用什么值由操作系统决定BPB_ToSec320x204该卷总扇区数（32bit），这里的扇区总数包括FAT卷四个个基本分的全部扇区，此域可以为0，若此域为0，BPB_ToSec16必须为非0，对FAT32，此域必须是非0。对于FAT12/FAT16如果总扇区数大于或等于0x10000的话，此域就是扇区总数，同时BPB_ToSec16的值为0。

FAT32的BPB的内容和FAT12/16的内容在地址36以前是完全一样的，从偏移量36开始，他们的内容有所区别，具体的内容要看FAT类型为FAT12/16还是FAT32，这点保证了在启动扇区中包含一个完整的FAT12/16或FAT32的BPB的内容，这么做是为了达到最好的兼容性，同时也为了保证所有的FAT文件系统驱动程序能正确的识别和驱动不同的FAT格式，并让他们良好地工作，因为他们包含了现有的全部内容

从offset 36开始FAT12/FAT16的内容开始区别于FAT32，下面分两个表格列出，下表为FAT12/FAT16的内容

名称

offset（byte）

长度（byte）

描述

BS_drvNum0x241用于BIOS中断0x13得到磁盘驱动器参数，（0x00为软盘，0x80为硬盘）。此域实际上由操作系统决定BS_Reseved10x251保留（供NT使用），格式化FAT卷时必须设为0BS_VolID0x261扩展引导标记（0x29）用于指明此后的3个域可用BS_BootSig0x274卷标序列号，此域以BS_VolLab一起可以用来检测磁盘是否正确，FAT文件系统可以用此判断连接的可移动磁盘是否正确，引域往往是由时间和日期组成的一个32位的值BS_VolLab0x2B11

磁盘卷标，此域必须与根目录中11字节长的卷标一致。

FAT文件系统必须保证在根目录的卷标文件列改或是创建的同时，此域的内容能得到时的更新，当FAT卷没有卷标时，此域的内容为“NO NAME”

BS_FilSysType0x368

以下的几种之一：“FAT12”，“FAT16”，“FAT32”

不少人错误的认为FAT文件系统的类型由此域来确认，他细点你就能发现此域并不是BPB的一部分，只是一个字符串而已，微软的操作系统并不使用此此域来确定FAT文件的类型，；因为它常常被写错或是根本就不存在。

 

下表为FAT32的内容

名称

offset（byte）

长度（byte）

描述

BPB_FATSz32

0x24

4

一个FAT表所占的扇区数，此域为FAT32特有，同时BPB_FATSz16必须为0

BPB_Flags

0x28

2

此域FAT32特有。

Bits0-3:不小于0的FAT（active FAT）数目，只有在镜像（mirrorig）禁止时才有效。

Bits 4-6: 保留

Bits 7： 0表示FAT实时镜像到所有的FAT表中

        1 表示只有一个活动的FAT表。这个表就是Bits0-3所指定的那个

Bits8-15：保留

BPB_FSVer

0x2A

2

此域为FAT32特有，

高位为FAT32的主版本号，低位为次版本号，这个版本号是为了以后更高级的FAT版本考虑，假设当前的操作系统只能支持的FAT32版本号为0.0。那么该操作系统检测到此域不为0时，它便会忽略FAT卷，因为它的版本号比系统能支持的版式本要高

BPB_RootClus

0x2C

4

根目录所在第一个簇的簇号，通常该数值为2，但不是必须为2

磁盘工具在改变根目录位置时，必须想办法让磁盘上第一个非坏簇作为根目录的第一个簇（比如第2簇，除非它已经被标记为坏簇），这样的话，如果此域正好为0的话磁盘检测工具也能轻松的找到根目录所在簇的位置

BPB_FSIfo

0x30

2

保留区中FAT32卷FSINFO结构所占的扇区数，通常为1

在Backup Boot 中会有一个FSINFO的备份，但该备份只是更新其中的指针，也就是说无论是主引导记录还是备份引导记录都是指向同一个FSINFO结构

BPB__BkBootSec

0x32

2

如果不为0，表示在保留区中引导记录的备数据所占的扇区数，通常为6。同时不建议使用6以外的其他数值BPB_Reserved

0x34

12

用于以后FAT扩展使用，对FAT32。此域用0填充BS_DrvNum

0x40

1

与FAT12/16的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已BS_Reserved1

0x41

1

与FAT12/16的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已BS_BootSig

0x42

1

与FAT12/16的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已BS_VolID

0x43

4

与FAT12/16的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已BS_FilSysType

0x47

11

与FAT12/16的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已BS_FilSysType

0x52

8

通常设置为“FAT32”，请参照FAT12/16此部分的陈述。

关于FAT启动扇区还有一点重要的说明，我们假设里面的内容是按字节排序的，那么扇区[510]的内容一定0x55，扇区[511]的内容一定是0xAA

很多FAT资数文档会把0xAA55说成是“启动扇区最后两字节的内容”，这样的陈述是正确的—仅仅是如果—BPB_BytsPerSec的值为512的话。若BPB_BytsSec的值大于512，该标记的位置并没有改变（虽然在启动扇区的最后两个字节写0xAA55并没有问题）

关于BPB_ToSec16/32这里再作一点补充：假设一现在我们有一块磁盘或一个分区，它的扇区数为DskSz，如果BPB_aToSec(BPB_ToSec16或是BPB_ToSec32基中不为0的那个)的值小于或等于DskSz并不会使该FAT卷在使用中出现什么错误，实际上BPB_ToSec16/32的值不要比DskSz小得离谱就不会有什么错误

这样做将造成磁盘空间的浪费，程序本身并不会认为该FAT卷存在什么错误，但是，如果BPB_ToSec16/32的值比DskSz大将会使FAT卷遭到严重的损坏，因为它超出了存储介质或是磁盘分区的边界。当BPB_ToSec16/32的值比DskSz大时，一些数据将不幸地被丢失

 

 

第二部分 FAT文件系统数据结构C语言表示

 

FAT文件系统相关数据结构

 

struct fat_boot_sector {
    uint8_t    ignored[3];    /* 0x00 Boot strap short or near jump */
    int8_t    system_id[8];    /* 0x03 Name - can be used to special case
                   partition manager volumes */
    uint8_t    sector_size[2];    /* 0x0B bytes per logical sector */
    uint8_t    sectors_per_cluster;    /* 0x0D sectors/cluster */
    uint16_t    reserved;    /* 0x0E reserved sectors */
    uint8_t    fats;        /* 0x10 number of FATs */
    uint8_t    dir_entries[2];    /* 0x11 root directory entries */
    uint8_t    sectors[2];    /* 0x13 number of sectors */
    uint8_t    media;        /* 0x15 media code (unused) */
    uint16_t    fat_length;    /* 0x16 sectors/FAT */
    uint16_t    secs_track;    /* 0x18 sectors per track */
    uint16_t    heads;        /* 0x1A number of heads */
    uint32_t    hidden;        /* 0x1C hidden sectors (unused) */
    uint32_t    total_sect;    /* 0x20 number of sectors (if sectors == 0) */

    /* The following fields are only used by FAT32 */
    uint32_t    fat32_length;    /* 0x24=36 sectors/FAT */
    uint16_t    flags;        /* 0x28 bit 8: fat mirroring, low 4: active fat */
    uint8_t    version[2];    /* 0x2A major, minor filesystem version */
    uint32_t    root_cluster;    /* 0x2C first cluster in root directory */
    uint16_t    info_sector;    /* 0x30 filesystem info sector */
    uint16_t    backup_boot;    /* 0x32 backup boot sector */
    uint8_t    BPB_Reserved[12];    /* 0x34 Unused */
    uint8_t    BS_DrvNum;        /* 0x40 */
    uint8_t    BS_Reserved1;        /* 0x41 */
    uint8_t    BS_BootSig;        /* 0x42 */
    uint8_t    BS_VolID[4];        /* 0x43 */
    uint8_t    BS_VolLab[11];        /* 0x47 */
    uint8_t    BS_FilSysType[8];    /* 0x52=82*/

    /* */
    uint8_t    nothing[420];    /* 0x5A */
    uint16_t    marker;
} __attribute__ ((__packed__));

struct msdos_dir_entry {
    int8_t    name[8],ext[3];        /* 00 name and extension */
    uint8_t    attr;            /* 0B attribute bits */
    uint8_t    lcase;        /* 0C Case for base and extension */
    uint8_t            ctime_ms;    /* 0D Creation time, milliseconds */
    uint16_t    ctime;        /* 0E Creation time */
    uint16_t    cdate;        /* 10 Creation date */
    uint16_t    adate;        /* 12 Last access date */
    uint16_t        starthi;    /* 14 High 16 bits of cluster in FAT32 */
    uint16_t    time;           /* 16 time, date and first cluster */
        uint16_t        date;        /* 18 */
        uint16_t        start;        /* 1A */
    uint32_t    size;        /* 1C file size (in bytes) */
};

/* Up to 13 characters of the name */
struct msdos_dir_slot {
    uint8_t    id;            /* 00 sequence number for slot */
    uint8_t    name0_4[10];        /* 01 first 5 characters in name */
    uint8_t    attr;        /* 0B attribute byte */
    uint8_t    reserved;        /* 0C always 0 */
    uint8_t    alias_checksum;    /* 0D checksum for 8.3 alias */
    uint8_t    name5_10[12];    /* 0E 6 more characters in name */
    uint16_t   start;        /* 1A starting cluster number, 0 in long slots */
    uint8_t    name11_12[4];    /* 1C last 2 characters in name */
};