FAT数据结构（FAT Data Structure）
接下来一个重要的数据结构就是FAT表（Fat Allocation Table），它是——对应于数据区簇号的列表。
文件系统分配磁盘空间是按照簇来分配的。因此，文件占用磁盘空间时，基本单位不是字节而是簇，即使某个文件只有一个字节，操作系统也会给它分配一个最小存储单元——簇。为了可以将磁盘空间有序地分配给相应的文件，而读取文件的时候又能够从相应的地址读出文件，我们把数据区空间分为BPB_BytesPerSec(每扇区字节数)×BPB_SecPerClus(每簇扇区数)字节长的簇来管理，FAT表项的大小与FAT类型有关，FAT12的表项为12bit，FAT16的表项为16bit，而FAT32的表项则为32bit。对于大文件，需要分配多个簇。同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘中一个连续的区域内！而往往会分成若干段，像链条一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。为了实现文件的链式存储，文件系统必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继内容的下一个簇的簇号，对于文件的最后一个簇，则需要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的，FAT表的对应表项中记录着它所代表的簇的有关信息：诸如是否空，是否坏簇，是否已经是某个文件的尾簇等等。
以FAT16为例说明FAT区的结构如下：
FAT的项数与硬盘上的总簇数相关（因为每一个项要代表一个簇，簇越多，当然需要的FAT表项越多），每一项占用的字节数也与总簇数有关（因为其中需要存放簇号，簇号越大，当然每项占用的字节数就越大）。
这里说一下FAT目录，其实它和普通文件并没有什么不一样的地方，只是多了一个表示它是目录的属性（attrib），另外就是目录所链接的内容是一个32字节的目录项（32-byte FAT directory entries后面有具体讨论）。除此之外，目录和文件没什么区别。FAT表是根据簇数和文件对应的。第一个存放数据的簇是簇2。
簇2的第一个扇区（磁盘的数据区）根据BPB来计算，首先我们计算根目录所占的扇区数： RootDirSectors=((BPB_RootEntCnt × 32) + (BPB_BytesPerSec - 1))/BPB_BytesPerSec；
根目录扇区数=((根目录数 × 32) + (每扇区字节数 - 1))/每扇区字节数(根目录数代表目录的项数，每个项目长度为32bytes)
例如：对于FAT16，下图中是一个U盘的BPB。
上图中BPB_RootEntCnt=512，BPB_BytesPerSec=512，则按照上述计算公式，可以得出RootDirSectors=32，也就是说，这个U盘根目录扇区数为32，约为16KB。
因为FAT32的BPB_RootEntCnt（根目录项数）为0，所以对于FAT32卷RootDirSectors的值也一定是0。上式中的32是每个目录项所占的字节数。计算结果四舍五入。
数据区的起始地址，簇2的第一个扇区由下面的公式计算：
If(BPB_FATSz16 != 0) (如果FAT12/16一个FAT表所占的扇区数不为0，则该FAT必为FAT12/16)
FATSz = BPB_FATSz16;
Else
FATSz = BPB_FATSz32;
FirstDataSector = BPB_RsvdSecCnt + (BPB_NumFATs × FATSz) + RootDirSectors；
仍以上图为例，我们来计算一下这个U盘的数据区第一个扇区号。
上图中BPB_RsvdSecCnt=4，BPB_NumFATs=2，FATSz=246，RootDirSectors已经算出，为32。则数据区起始扇区号=4+246×2+32=528.换言之，数据区紧跟在根目录后，根目录的最后一个扇区号为527。
数据区第一个扇区 = 保留扇区数 + (FAT表的份数 × FAT表所占的扇区数) + 根目录扇区数。
NOTE：扇区号指的是针对卷中包含BPB的第一个扇区的偏移量（包含BPB的第一个扇区是扇区0），并不是必须直接和磁盘的扇区相对应。因为卷的扇区0并不一定就是磁盘的扇区0。
给一个合法的簇号N，该簇的第一个扇区号（针对FAT卷扇区0的偏移量）由下式计算：
FirstSectorofCluster = ((N-2)×BPB_SecPerClust) + FirstDataSector；(-2是因为起始标志F8 FF FF FF占用两个存放簇号的位置的缘故)。
例如：下图中是U盘的FAT1截图（WinHex）
要注意，这里的簇号指的是相当于FAT1的偏移位置，而非指磁盘的最小单位。
根据上面提供的公式：我们计算出任意簇号对应的第一个扇区号。比如，簇号为7。那么簇7的第一个扇区号=((7-2)×64)+528=848。（这里的BPB_SecPerClust为64）。在WinHex中按ctrl-G，弹出如下对话框。在Cluster中输入7，可以看到扇区号直接变成了848，验证了结果的正确。
NOTE：因为BPB_SecPerClus总是2的整数次方（1，2，4，8，……）这意味着BPB_SecPerClus的乘除法运算可以通过移位（SHIFT）来进行。在当前Intel x86架构2进制的乘法（MULT）和除法（DIV）的机器指令非常的繁杂和强大，而使用移位来运算则会相对的快很多。
FAT类型辨别
这是一个经常产生错误的地方，并且常常会出现诸如“off by 1”，“off by 2”，“off by 10”和“massively off”的错误，事实上，FAT类型的检测十分简单，FAT的类型——FAT12，或是FAT16或是FAT32——只能通过FAT卷中簇的数量来判定，没有其他办法。
请仔细阅读本段的每一个细节，每个词都很关键。比如“簇数(count of cluster)”并不是指“最大可取得的簇的数量（maximum valid cluster number）”，因为数据区的第一个簇是簇2而不是0或1。
首先我们讨论这个“簇数”是如何计算的，它完全根据BPB的内容来确定，我们先计算根目录所占的扇区数（前面已经有叙述）。
RootDirSectors = ((BPB_RootEntCnt × 32) + (BPB_BytesPerSec - 1))/BPB_BytesPerSec；
FAT32的RootDirSectors为0。
接下来我们检测数据区中的扇区数：
If(BPB_FATSz16 != 0)
FATSz = BPB_FATSz16;
Else
FATSz = BPB_FATSz32;
If(BPB_TotSec16 != 0)
TotSec = BPB_TotSec16;
Else
TotSec = BPB_TotSec32;
DataSec = TotSec – (BPB_RsvdSecCnt + (BPB_NumFATs × FATSz) + RootDirSectors);
数据扇区 = 总扇区数 – (保留扇区数 + (FAT数 × FAT表所占扇区数) + 根目录扇区数)
仍然以上图中的U盘数据为例，由于U盘的文件系统是FAT16，所以FAT表的大小即BPB_FATSz16，又因为图示U盘中BPB_TotSec16为0，所以FAT卷上四个基本区的总扇区数取决于BPB_TotSec32，这里的BPB_TotSec32的值为42029408。BPB_RsvdSecCnt为4，BPB_NumFATs为2，FATSz为246，RootDirSectors上面已经计算出为32，则数据扇区数=42029408-(4+(2×246)+32)=4028880。
计算簇数：
CountofClusters = DataSec / BPB_SecPerClus；
簇数 = 数据扇区数 / 每簇扇区数
同样，数据区的簇数=4028880/64=62951。这个计算结果和实际结果吻合！
请记住计算结果四舍五入。
现在我们就可以判定FAT的类型了，这部分请仔细阅读，否则会导致off by 1的错误。
在下面的程序中，“<”和“<=”是不一样的，另外注意数字不要弄错。
If(CountofCluster < 4085) {
}
Else if(CountofCluster < 65525) {
}
Else {
}
这是检测FAT类型的唯一办法。世界上不存在簇数大于4084的FAT12卷，也不存在簇数小于4085或是大于65524的FAT16卷，同样没有哪个FAT32卷的簇数小于65525。如果你坚持要违背这个规则来创建一个FAT卷，那么Microsoft的操作系统将无法对此卷进行操作，因为它不认为这是FAT文件系统。
NOTE：如前面所说，目前有很多FAT的代码有一些错误，常常会出现 off by 1，2，8，10或是off by 16的错误。因为，为了和现存的代码取得最好的兼容性，强烈建议在格式化FAT文件系统时，尽量使簇数的取值不要接近4085或65525，最好能和这个分割点的值相差16或更多。
同时请注意这里的簇数(Count of Cluster)是指数据区所占簇的数量(the count of data clusters)，从簇2开始算起，而“最大可用的簇数”(Maximum valid cluster number for the volume)是簇数+1，“包括保留簇的簇数(count of cluster including the two reserved cluster)”则为簇数+2。
FAT的另一个重要计算公式：给一个簇号N，它位于FAT表的什么位置呢？对于FAT16和FAT32都比较容易计算，而FAT12则会复杂一些：
If(BPB_FATSz16 != 0)
FATSz = BPB_FATSz16;
Else
FATSz = BPB_FATSz32
If(FATType == FAT16)
FATOffset = N * 2;
Else if (FATType == FAT32)
FATOffset = N * 4;
ThisFATSecNum = BPB_RsvdSecCnt + (FATOffset / BPB_BytesPerSec); //FAT表中包含簇N的扇区数 = 保留扇区数 + (簇N位于FAT表的位置/每扇区字节数)
ThisFATEntOffset = REM (FATOffset / BPB_BytesPerSec);
这里要注意，簇的概念，既然FAT分区中存储数据的最小单位是簇，那么现在就是以簇来看待FAT表，对于FAT16来说，每个簇号占据两个字节，所以簇N前的字节数就是(N-1+1)*2，也就是N*2，N*2/每扇区的字节数就可以得到簇N前的扇区数，再加上保留扇区数，就得到簇号在FAT表中的位置。
例如：仍然以U盘的BPB为例。现在想要知道簇128位于FAT表中的什么位置。则按照以上的计算公式，有：
该FAT扇区号=保留扇区+(FAT偏移地址N*2/每扇区字节数)=4+(128×2/512)=4。这与实际结果吻合（看winhex的info panel）。
REM(…)为求余符号，就是求FATOffset除以BPB_BytesPerSec的余数。ThisFATSecNum是FAT表中包含簇N的扇区数，如果你想得到第二个FAT表中的扇区数，只要加上FATSz(FAT表大小)就是了，如果想得到第三个FAT表中的扇区数，只需要加上FATSz × 2，依此类推。
现在你得到扇区数ThisFATSecNum(记住这是针对FAT卷扇区0的偏移量)，假设把该值读入到一个指定的8-bit SecBuff，同时假定数据类型WORD是一个16-bit的带符号类型，而DWORD是一个32-bit的无符号类型。
If(FATType == FAT16)
FAT16ClusEntryVal = *((WORD * ) & SecBuff[ThisFATEntOffset]);// 返回FAT16类型下ThisFATEntOffset的内容。
Else
FAT32ClusEntryVal = (*((DWORD *) & SecBuff[ThisFATEntOffset])) & 0x0FFFFFFF; //返回FAT32类型下ThisFATEntOffset的内容。
这里要注意：&是取址运算符。运算方向从右到左。加*号后变成指针变量，字节型被强制转换成WORD型。这样，对于FAT16，可以读出一个字的内容，而对于FAT32，可以读出双字——32位。
取得该扇区的内容。
设置该扇区的值使用如下算式：
If(FATType == FAT16)
*((WORD *) & SecBuff[ThisFATEntOffset]) = FAT16ClusEntryVal;
Else {
FAT32ClusEntryVal = FAT32ClusEntryVal & 0x0FFFFFFF; //舍弃高4位，实际上FAT32的FAT表项被使用的只有28位。
*((DWORD *) & SecBuff[ThisFATEntOffset]) = (*((DWORD *) & SecBuff[ThisFATEntOffset])) & 0xF0000000;//取出高4位的内容，并清空低28bit的内容。
*((DWORD *) & SecBuff[ThisFATEntOffset]) = (*((DWORD *) & SecBuff[ThisFATEntOffset])) | FAT32ClusEntryVal; //放入低28位的内容。
}
我们看看上述FAT代码是如何工作的，实际上每个FAT32的FAT表项只有28-bit可以使用，它的高4位保留，这4位只有在被格式化的时候会被使用到，在格式化时整个FAT32单元的32bit都被设置为0，包括高位的4-bit。
另外要说明的一点，这也是经常被混淆的地方，因为FAT32表项实际上被使用的只有28-bit而不是32-bit。比如，以下几个FAT32簇的值为0x10000000，0xF0000000和0x00000000都表示该簇为空，因为程序忽略了高位4-bit的值。如果当前簇的值为0x30000000，你想要把数值0x0FFFFFF7写入当前簇来标记坏簇，那么当你的操作结束后该簇的实际值为0x3FFFFFF7，因为你必须舍去0x0FFFFFF7这个坏簇标记高位的4-bit。
因为BPB_BytesPerSec的值一定能够被2和4整除，对于FAT16/FAT32来说，你不必担心元素会超越扇区的边界，但对于FAT12，你就必须小心了。
FAT12的代码会显得复杂一点，因为它每个元素（簇号）占1.5个字节（12-bit）。
