【FatFs】FAT32文件系统协议原理讲解（以U盘为例）

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 1、前言

        本篇文章主要是介绍FAT格式分区数据在硬盘中是如何存储的，FAT分区格式是Microsoft最早支持的分区格式，依据FAT 表中每个簇链的所占位数(有关概念，后面会讲到)分为FAT12、FAT16、 FAT32 三种格式”变种”，但其基本存储方式是相似的。我们在嵌入式系统中使用的最多是FAT32，所以后面主要介绍的是FAT32。

2、FAT文件系统结构

        FAT文件系统结构图如下所示：

2.1 主引导扇区（MBR）

        主引导扇区：硬盘的第一个扇区，由主引导记录（MBR）+ 主分区表（DPT）+ 引导扇区标记（Boot Record ID / Signature）组成，该区域是完成系统BIOS向操作系统交接的重要入口。该扇区在进行硬盘分区时产生。

        主引导扇区组成

        其中的MBR具体内容我们暂时不需要关心，重点要关心硬盘分区表DPT的数据，即上图中红色划线部分（重点关注蓝色和绿色方框数据），其各个字节表示的作用如下：

        对于常见硬盘来说，我们主要关注相对扇区数和总扇区数的值，结合原始数据和分区表含义可以得到重点数据：

1、相对扇区数：保留区1 N扇区 = 0x800 = 2048扇区，也可以得到DBR的地址 = 2048*512 = 0x10 0000 Bytes。

 2、总扇区数：对于只有一个分区的U盘来说，该数据表示分区卷的总容量（不包含相对扇区数）

2.2 操作系统引导扇区（DBR）

        操作系统引导扇区DBR，也称为引导扇区。包含BIOS参数块，该参数块存储有关卷布局和文件系统结构的信息，以及加载windows的引导代码（暂时不需要关心引导代码）。

        下面的示例演示了FAT32卷上引导扇区的十六进制数据：

下面两个表说明了FAT32卷的BPB和拓展BPB的布局，示例值对应FAT32卷上引导扇区的数据。

BPB对我们比较重要的数据已经用蓝色标记出来了，可以了解到：

• 扇区字节数和每簇扇区数

        硬件扇区的大小为512Bytes，每个簇占用扇区数为16个扇区。

• 总扇区数

        该数据只表示分区卷所占用的扇区数，即 保留区2 + 文件分区表 + 数据区，不包含保留区1，所以要计算U盘总容量需要加上隐藏扇区（即保留区1）的大小，即：

      总容量=总扇区数+隐藏扇区：( 0x01CE7800+0x800 ) * 512 = 15,518,924,800 Bytes。

• FAT开始地址

       我们可以通过保留扇区数+ 隐藏扇区找到FAT表的起始位置：（0xC80+0x800 ） * 512 = 0x Bytes。

• 根目录开始地址

        根目录开始地址 = （隐藏扇区 + 保留扇区 +  每FAT扇区数 * FAT数 ）* 扇区字节数

                                  =  （ 0x800 + 0xC80 + 0x39C0 * 2）* 512 Bytes = 0x Bytes

2.3 FSINFO信息扇区

        FAT32在保留区2中中增加了一个FSINFO信息扇区，用以记录文件系统中空闲簇的数量以及下一个可用簇的簇号等信息，以供操作系统作为参考。FSINFO信息扇区一般位于文件系统的1号扇区。（此处是逻辑上，而非物理上的1号扇区！！），

内容划分如下：

 2.4 FAT32根目录（Root Folder）

        为了更好的理解FAT表，我们需要先讲一下根目录。

        根文件夹描述根分区中的文件和文件夹。目录所在的扇区，都是以32Byte为一个单位划分的，每个单位称为一个目录项。根目录由若干个目录项组成。目录项有两种格式：短文件格式和长文件格式。

2.4.1 短文件格式

        1、对于短文件名，系统将文件名分成两部分进行存储，即主文件名+扩展名。0x0~0x7字节记录文件的主文件名，0x8~0xA记录文件的扩展名，取文件名中的ASCII码值。不记录主文件名与扩展名之间的"."，主文件名不足 8 个字符以空白符(20H)填充，扩展名不足 3 个字符同样以空白符(20H)填充。0x00 偏移处的取值若为 00H，表明目录项为空；若为E5H，表明目录项曾被使用，但对应的文件或文件夹已被删除。(这也是误删除后恢复的理论依据)。文件名中的第一个字符若为“.”或“..”表示这个簇记录的是一个子目录的目录项。“.”代表当前目录；“..”代表上级目录。

        2、0xB的属性字段：可以看作系统将 0xB的一个字节分成 8 位，用其中的一位代表某种属性的有或无。如 00000101 就表示这是个文件，属性是只读、系统。

        3、0x0E~0x0F文件创建时间字段

        Bit 0~4：为文件创建时间字段秒/2的值；
        Bit 5~10：为文件创建时间字段分钟的值；
        Bit 11~15：为文件创建时间字段小时的值；

        4、0x10~0x11文件创建日期字段：

        Bit 0~4：为文件创建日期字段日期数的值；
        Bit 5~8：为文件创建日期字段月份的值；
        Bit 9~15：为文件创建时间字段年号-1980的值

        5、普通子目录的寻址过程也是通过其父目录中的目录项来指定的，与数据文件(指非目录文件)不同的是目录项偏移 0xB的第 4 位置 1，而数据文件为0。

        具体FAT32短文件格式表格如下：

2.4.2 长文件格式

        FAT32 的一个重要的特点是完全支持长文件名。长文件名依然是记录在目录项中的。为了低版本的 OS 或程序能正确读取长文件名文件，系统自动为所有长文件名文件创建了一个对应的短文件名，使 对应数据既可以用长文件名寻址，也可以用短文件名寻址。不支持长文件名的 OS 或程序会忽略它认为不合法的长文件名字段，而支持长文件名的 OS 或程序则会以长文件名为显式项来记录和编辑，并隐藏起短文件名。
        当创建一个长文件名文件时，系统会自动加上对应的短文件名，其一般有的原则：

1. 取长文件名的前 6 个字符加上"~1"形成短文件名，扩展名不变。
2. 如果已存在这个文件名，则符号"~"后的数字递增，直到 5。
3. 如果文件名中~后面的数字达到 5，则短文件名只使用长文件名的前两个字母。通过数学操纵长文件名的剩余字母生成短文件名的后四个字母，然后加后缀~1直到最后。
4. 如果存在老 OS 或程序无法读取的字符，换以"_"。

        长文件名的实现有赖于目录项偏移为 0xB 的属性字节，当此字节的属性为：只读、隐藏、系统、卷标，即其值为 0FH 时，DOS 和 WIN32 会认为其不合法而忽略其存在。系统将长文件名以 13 个字符为单位进行切割，每一组占据一个目录项。所以可能一个文件需要多个目录项，这时长文件名的 各个目录项按倒序排列在目录表中，以防与其他文件名混淆。长文件名中的字符采用 unicode 形式编码，每个字符占据 2 字节的空间。

 注意：系统在存储长文件名时，总是先按倒序填充长文件名目录项，然后紧跟其对应的短文件名。从以上的表格可以看出，长文件名中并不存储对应文件的文件开始簇、文件大小、各种时间和日期属性。文件的这些属性还是存放在短文件名目录项中，一个长文件名总是和其相应的短文件名一 一对应，短文件名没有了长文件名还可以读，但长文件名如果没有对应的短文件名，不管什么系统都将忽略其存在。所以短文件名是至关重要的。

 2.4.3 实例解析

        由于根目录和子目录在目录项上有一点区别，所以在此处对其分开讲解。

根目录

        我们对U盘进行格式化后，在根目录下新建文件结构。     

        在winhex查看：

        可以看到，两者有一点区别，在winhex多了一部分文件夹和文件：新建文件夹和新建文本文档。不必担心，这是由于电脑在创建如”001.txt“文件时，会先创建”新建文件文本文档.txt“，然后如果在你修改文件名时，操作系统会把原来的文件删除，然后才创建新的文件

        下面通过实例：文件夹：System Volume Information来解析里面的数据，如下：

        通过上面实例表格可了解到重要信息总结如下：

        文件名称和属性

                文件名：System Volume Information

                属性：目录、系统、隐藏

        文件创建时间

                文件创建时间为0x73B8，按照前面介绍的公式解析时间为14：29：48，解析过程如下：

        文件创建日期

                文件创建日期为0x5908，按照前面介绍的公式解析时间为2024/08/08，解析过程如下：

        文件起始簇号

                文件起始簇号的值为0x00000003，说明该文件的起始地址为：

                文件地址 =  根目录地址 + （文件起始簇号 -根目录簇号）* 每簇扇区数 * 扇区字节数

                                = 0x + （3 – 2）*16 * 512 = 0x Byte

子目录

        根目录文件夹和子目录文件夹在目录项组成上有一点区别，所以需要单独拿出来讲一讲，我们继续以前面讲的System Volume Information为例，我们可以看到该文件夹中目录项组成如下：

         可以明显的看到，相比于根目录，子目录中多了当前目录和上一级目录的目录项，其他组成基本一致。我们可以通过各目录项的起始簇号跳转到对应文件位置。

        注意：如果上一级目录是根目录时，其文件起始簇有点特殊，值为0x00000000。我们以test_dir_文件夹里面新建文件夹hello文件夹和hello.txt为例：

        我们可以明显看到，该示例中文件夹簇号链：根目录（0x00000000）-》test_dir_（0x00000006）-》hello文件夹（0x0000001C）

文件

        最后我们来讲一讲文件目录项，以根目录下的001.txt为例：

        可以看到文件的起始簇号为0x00000008，按照之前的计算公式可以得到文件地址为0x110C000，跳转到该地址可以看到文件内容:

 2.5 FAT表

        FAT表记录了磁盘数据文件的存储链表，对于数据的读取而言是极其重要的，以至于Microsoft为其开发的FAT文件系统中的FAT表创建了一份备份，就是我们看到的FAT2。FAT2 与FAT1 的内容通常是即时同步的，也就是说如果通过正常的系统读写对FAT1 做了更改，那么FAT2 也同样被更新。

        FAT表工作的原理：当存储一个大的文件时，会以簇为单位拆分成多个簇存放在磁盘，它们的存放的簇号并不一定是连续的，所以这里用到了FAT表，将该文件所用到的簇号串联起来。

        例如截图如下，绿色的部分为存储文件的数据，FAT表查询顺序如下：

        1、从根目录（Root folder）找到该文件的起始簇号 12，并且读取簇号 12地址的文件数据。

        2、从FAT表中，找到簇号12存放的下一个簇号为13，并且读取簇号 13地址的文件数据。以此类推到簇号65。

        3、从FAT表中，找到簇号65存放的下一个簇号为87，并且读取簇号 87地址的文件数据。下一次FAT表查询直接从簇号65跳转到簇号 87。

        4、经过上面的连续查询FAT，直到读取FF标记，代表文件读取完成。

        我们通过之前获取到的地址0x查看FAT表数据，如下：

        内容解析：

        接下来我们以 根目录文件：stm32l4xx_hal_spi.c为例来介绍FAT表的使用：

        文件起始簇号：

                文件起始簇号为0x0000000C，说明该文件的起始地址为：

                文件地址 =  根目录地址 + （文件起始簇号 -根目录簇号）* 每簇扇区数 * 扇区字节数

                                = 0x + （12 – 2）*16 * 512 = 0x Byte

                可以看到在该位置处果然找到了文件内容。

       文件大小：

                文件大小为0x24D95(150,933)，在winhex中可以查看到文件大小确实是

 注意：系统读取磁盘的单位以簇为单位，存放数据不满一簇时也将占用这整个簇（其他文件也无法使用该簇多余的空间），如下：

        文件内容为12字节，但是不满1簇，系统读取时还是读一簇的数据（16*512 = 8192 Byte）。

         读取完文件起始簇号存放的文件数据后，就查询下一个簇号存放数据。 FAT表以簇为单位，标识分区中空间的使用情况（每个标识占4字节）。FAT前2簇为保留簇(簇0和簇1)，不分配给文件使用，其内容含义如下所示：

• FAT16：F8 FF FF FF
• FAT32：F8 FF FF 0F FF FF FF FF

        一个FAT表项值表明了文件占用的一个簇号并指明下一簇号的位置，说明读取完簇号0x0C(12)后读下一个簇号0x0D(13)，结合FAT表数据可以知道，文件的簇号链接为：

12 -> 13 -> 14 ->15 -> 16 ->17 ->18 -> 19 ->20 ->21 ->22 ->23 ->24 ->25 ->26 -> 27 -> 28 -> 29 -> 30

         FAT表按顺序依次记录了该盘各簇的使用情况，是一种位示图法。每簇的使用情况用32位二进制填写，未被分配的簇相应位置写零；坏簇相应位置填入特定值；已分配的簇相应位置填入非零值，具体为：如果该簇是文件的最后一簇，填入的值为FFFFFF0FH(即0x0FFFFFFF)，如果该簇不是文件的最后一簇，填入的值为该文件占用的下一个簇的簇号，这样，正好将文件占用的各簇构成一个簇链，保存在FAT表中。0000000H、00000001H两簇号不使用，其对应的两个DWORD位置(FAT表开头的8个字节)用来存放该盘介质类型编号。

        FAT表的大小就由该逻辑盘数据区共有多少簇所决定，取整数个扇区。

        当文件系统被创建，也就是进行格式化操作时，分配给FAT区域的空间将会被清空，在FAT1与FAT2的0号表项与1号表项写入特定值。由于创建文件系统的同时也会创建根目录，也就是为根目录分配了一个簇空间，通常为2号簇，所以2号簇所对应的2号FAT表项也会被写入一个结束标记，如上图所示。

        如果某个簇存在坏扇区，则整个簇会用FAT表项值0xFFFFFF7标记为坏簇，不再使用，这个坏簇标记就记录在它所对应的FAT表项中。

        在文件系统中新建文件时，如果新建的文件只占用一个簇，为其分配的簇对应的FAT表项将会写入结束标记。如果新建的文件不只占用一个簇，则在其所占用的每个簇对应的FAT表项中写入为其分配的下一簇的簇号，在最后一个簇对应的FAT表象中写入结束标记。

        新建目录时，只为其分配一个簇的空间，对应的FAT表项中写入结束标记。当目录增大超出一个簇的大小时，将会在空闲空间中继续为其分配一个簇，并在FAT表中为其建立FAT表链以描述它所占用的簇情况。

        对文件或目录进行操作时，他们所对应的FAT表项将会被清空，设置为0以表示其所对应的簇处于未分配状态。

3、winhex的使用手册

        我们在分析FAT32文件系统时，需要用到winhex工具查看磁盘上的原始数据，操作流程如下：

        3.1 WinHex工具下载安装

              下载链接：https://www.x-ways.net/winhex/index-m.html

               安装完成后的工具图标如下所示：

        3.2 打开WinHex工具

                该软件需要以”管理员身份运行“。

        3.3 打开磁盘

                选择Tools —> Open Disk打开磁盘

        3.4 选择需要打开的磁盘

        3.5 查看磁盘数据

              选择分区1，然后鼠标键右击选择模板，可以查看DBR数据

        3.6 查看FAT32 DBR数据

              FAT32 DBR数据详细分析可以查看前面的解析，也可以用winhex软件查看（点击模板后后会自动弹出）。

        3.7 查看FAT32分区数据

                鼠标双击分区1，进入FAT32根目录，然后点击根目录文件夹（注意此时的offset是相对偏移，不是绝对偏移）。

        3.8 绝对位置查看数据

                为了更好的学习FAT32，推荐使用绝对地址导航来查看数据。先退出分区界面，然后点击导航-》跳转到偏移量，然后设置如下：

 4、 参考资料

        本文全部内容都来自下面两篇优秀文章，结合了自我理解后对其进行了整合。

【FatFs】FAT32文件系统协议原理讲解（以U盘为例）

【FatFs】FAT32文件系统协议原理讲解（以U盘为例）