FAT32文件系統(tǒng)詳細分析 (格式化SD nand/SD卡)

文章目錄

FAT32文件系統(tǒng)詳細分析 （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等眾多存儲設(shè)備

在上一篇文章，我們已經(jīng)對FAT文件系統(tǒng)有了一個詳細的介紹，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)作為實例進行的分析，而FAT32系統(tǒng)存在些許差異，且FAT32文件系統(tǒng)在當前應(yīng)用廣泛，因此特補充此篇博文，完善FAT32的示例分析。

2. 格式化SD nand/SD卡

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

2.1 格式化SD nand / SD卡，強制采用FAT32格式，分配每個簇大小為2048Byte，同時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 5.0，一個名字，指示創(chuàng)建此卷的操作系統(tǒng)，無其他作用`
• 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 (通過此可計算，F(xiàn)AT區(qū)起始地址為 4374 * 512 = 0x22 2C00)
• 02：BPB_NumFATs，F(xiàn)ATs的個數(shù)，2（一般此值為2，多一個用來做冗余備份，解決系統(tǒng)異常導(dǎo)致第一個損壞時，增大恢復(fù)的可能性，表示FAT區(qū)有兩個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)置此值時需注意對齊，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FAT12/16系統(tǒng)扇區(qū)數(shù) ≥0x10000(65536)時，此字段應(yīng)設(shè)置為0，真實值存放在 BPB_TotSec32 字段；對于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 媒體類型
• 00 00：BPB_FATSz16，00，一個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 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 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)（當磁盤被分區(qū)之后，當前分區(qū)并不一定是從扇區(qū)頭開始的）
• 00 08 0F 00：BPB_TotSec32，0x0F0800 = 985088（整個卷空間大?。?，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，此字段必須為0，真實值存放在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，接下來是FAT32獨有字段

• 75 07 00 00：BPB_FATSz32，1909，一個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)。（由此可計算FAT區(qū)總大小：1909 * 2 = 3818扇區(qū) = 3818 * 512Byte = 0x1D D400 Byte）
• 00 00: BPB_ExtFlags,擴展標識字段，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，低字節(jié)是次版本號。
• 02 00 00 00：BPB_RootClus，2， 根目錄的第一個簇號，此值通常為2，因為前兩個簇一般用于保留。
• 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，因為其通常位于引導(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 BIOS 使用的驅(qū)動器號，00h代表軟盤，80h代表固定磁盤
• 00：BS_Reserved，保留字段，0
• 29：BS_BootSig，擴展引導(dǎo)簽名，表示以下存在三個字段
• 30 D1 B5 78：BS_VolID，與 BS_VolLab 一起構(gòu)成卷序列號，一般在格式化的時候結(jié)合時間生成
• 4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20：(解析為:"NO NAME “)，BS_VolLab，11byte卷標，當卷標不存在時，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FAT類型的確定沒有任何影響。
• 33 C9 ... B9 01 00 00：BS_BootCode32，引導(dǎo)啟動程序，與平臺有關(guān)，不使用時填充為0
• BS_BootSign：0xAA55，引導(dǎo)簽名，指示這是一個有效的引導(dǎo)扇區(qū)當扇區(qū)大小大于512字節(jié)時，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)上剩余的簇數(shù)量以及下一個空閑簇數(shù)據(jù)；以避免掃描整個磁盤搜索導(dǎo)致的時間浪費。

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個扇區(qū)，對應(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512Byte的扇區(qū)構(gòu)成。BPB、BS、FSInfo字段已使用了2個扇區(qū)，還剩有一個扇區(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，當前引導(dǎo)扇區(qū)內(nèi)此參數(shù)值為6， 因此在當前文件系統(tǒng)內(nèi)，備份引導(dǎo)扇區(qū)的偏移為 6號扇區(qū)，對應(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)域以及這兩個區(qū)域的備份區(qū)域外，還有一部分區(qū)域，目前我沒找到此區(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)說明，后續(xù)清楚后會在此補充，亦歡迎大家在評論區(qū)討論！

3.2 分區(qū)偏移及大小計算

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

各分區(qū)偏移地址及大小如下：

關(guān)于FAT區(qū)，通常存在一個以上的FAT，如此處所格式化的sd卡便存在兩個FAT，對應(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)一個顯著差別是：FAT32每條FAT條目占32bit，F(xiàn)AT16占16個bit，F(xiàn)AT12占12bit。關(guān)于此部分更詳細描述，可參考上一篇：FAT文件系統(tǒng)詳解（點擊跳轉(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)第一個簇是2號簇。

打開數(shù)據(jù)區(qū)的第一個簇，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沒有根目錄區(qū)，但依舊存在根目錄的實現(xiàn)方式。數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：

之后我們看到3號簇的內(nèi)容：
數(shù)據(jù)字段如下圖所示，由于在上一篇博文中已對長短文件名每個字段進行過細致分析，此處不再做過度分析，僅抽取關(guān)鍵字段進行分析，如下圖所示：

之后切換到4號簇和5號簇，可以查看到對應(yīng)數(shù)據(jù)：

從6號簇開始便沒有在使用，均為空閑簇，對應(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：

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；

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

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就沒有什么區(qū)別，確實也不用單獨分一個區(qū)存放，提高了一致性。

關(guān)于數(shù)據(jù)的存儲思想，依舊保持不變：FAT區(qū)內(nèi)的FAT條目通過簇鏈記錄扇區(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，通過目錄這一類特殊文件，描述文件屬性以及實際文件內(nèi)容存放的簇的方式，將整個文件管理起來。

綜上，便是FAT32格式文件系統(tǒng)的詳細解析，歡迎大家評論區(qū)進行積極討論與反饋！！！