1.簡介

在早期計算機剛發展的時候，那時候硬盤大小、flash設備容量都比較小，隨著技術的不斷迭代更新，硬盤容量越來越大。在早期，面對小容量的硬盤/flash，往往采用對應地址存放對應數據的方案，由于數據量不大，操作起來尚還可以。但是發展到今天，隨著硬盤/flash容量不斷增大，存儲的數據也越來越多，早期單一的對應地址存放對應數據的方案已經無法滿足我們的需求，操作硬盤/flash會變得異常的困難復雜。

因此針對上述問題，一群大佬們便開始設計文件系統這樣一個東西，用來管理硬盤/flash上的數據信息，像我們電腦上打開文件夾，訪問里面的文件，這其實就是基于文件系統訪問電腦硬盤上數據的一個操作。

發展至今，文件系統已有眾多版本，本文主要分享 關于FAT文件系統的詳細設計， FAT文件系統適用于嵌入式設備，如SD卡、SD nand、spi nor flash等眾多存儲設備，同時基于此文件系統的文件亦能被電腦正常讀取。

2.基礎概念

在研究文件系統之前，我們需要首先弄清楚關于內存這塊的幾個基本概念：

區分 ==扇區、塊、簇== 的概念

扇區（sector）：flash可操作的最小單元，通常指我們擦除的最小單元大小，以sd nand舉例，通常最小為512Byte

塊（block） 以及 簇（cluster）：其實這是兩個相同的概念，只是由于歷史原因，在不同系統上的不同稱呼，在windows中稱簇，而在linux中稱塊。一個簇/塊由多個扇區組成，由于一個扇區的空間較小，因此文件系統通過會將多個扇區組合在一起形成一個簇，并以簇為單位進行讀寫操作！ 一個簇通?？梢杂?2、4、8、… 、2的n次方個扇區組成。

FAT文件系統總共由FAT12、FAT16以及FAT32三個版本，這是由于隨著存儲技術不斷發展，FAT文件系統迭代導致，數字越大，版本越新，新版本對老版本完全兼容！

3.FAT文件系統組成介紹

FAT文件系統在flash上的布局如下圖所示，總共由四個區域組成：

保留區

FAT區

根目錄區 （FAT32類型不包含此區域）

數據區

接下來，我們對一張格式化為FAT格式的SD卡進行分析，理解FAT文件系統的實現細節：

4.FAT文件系統分析

4.1 采用FAT格式格式化SD nand/sd卡

使用win10格式化一張118.5M的SD nand / sd卡，我這里用的是手上的一顆 創世CS 家的sd nand加一塊轉接板，和SD卡完全沒有區別，且SD nand在穩定性上比SD卡具有優勢。

==此處由于SD nand（SD卡）大小原因，默認采用FAT16進行了格式化！因此在下文中我們先以FAT16進行分析，之后再重新格式化為FAT32進行分析，就很容易懂了！==

4.2 引導扇區分析

使用 winhex 工具打開對應磁盤，注意需使用管理員權限運行

打開后我們可以以二進制的格式查看SD卡上所有數據，首先看到第一個扇區，也就是對應的引導扇區 boot sector，注意引導扇區位于保留區！

接下來我們根據官方文檔 對引導扇區進行分析

注意，FAT文件系統數據均采用小端格式！

a) 首先是FAT12/16/32公共部分，（偏移值 0 - 35）：

EB 3C 90：BS_JmpBoot，跳轉指令

4D 53 44 4F 53 35 2E 30：BS_OEMName，MSDOS 5.0，一個名字，指示創建此卷的操作系統，無其他作用

00 02：BPB_BytsPerSec，扇區大小 512 字節

04：BPB_SecPerClus，每次操作的最小扇區數，簇 Cluster，4 (與格式化時選擇的大小匹配 2048 = 512 * 4)

06 00：BPB_RsvdSecCnt，保留區的扇區數，6 (通過此可計算，FAT區起始地址為 6 * 512 = 0xC00)

02：BPB_NumFATs，FATs的個數，2（一般此值為2，多一個用來做冗余備份，解決系統異常導致第一個損壞時，增大恢復的可能性，表示FAT區有兩個FATs備份）

00 02：BPB_RootEntCnt，512，在FAT12/16系統中，此字段表示根目錄中32字節目錄條目數量，設置此值時需注意對齊，為了最大的兼容性，FAT16系統上此值應設置為512，FAT32系統上此值應設置為0

00 00：BPB_TotSec16，16位大小區域描述FAT卷扇區總數，0。當FAT12/16系統扇區數 ≥0x10000(65536)時，此字段應設置為0，真實值存放在 BPB_TotSec32 字段；對于FAT32系統，此值必須為0。(此處由于我們的總扇區數=118.510241024/512 = 242688 > 65536，所以此字段為0)

F8：BPB_Media 媒體類型

ED 00：BPB_FATSz16，237，一個FAT占用的扇區數，此字段僅在FAT12/16系統使用；FAT32系統，此字段必須為0，使用BPB_FATSz32字段替代。FAT區總大小等于 BPB_FATSz?? BPB_NumFATs 扇區（2372*512=242688=0x3B400，由此可推算根目錄區起始地址：0x3B400+0xC00=0x3C000）。

3F 00：BPB_SecPerTrk，每個磁道的扇區數，此字段僅與具有幾何形狀且僅用于 IBM PC 的磁盤 BIOS 的介質相關，不用管。

FF 00：BPB_NumHeads，頭數量，此字段僅與具有幾何形狀且僅用于 IBM PC 的磁盤 BIOS 的介質相關，不用管。

00 00 00 00：BPB_HiddSec，0，FAT 卷之前的隱藏物理扇區數（當磁盤被分區之后，當前分區并不一定是從扇區頭開始的）

00 B4 03 00：BPB_TotSec32，242688，32位大小區域描述FAT卷扇區總數（整個卷空間大?。?。 FAT12/16系統，扇區總數小于0x10000時，此字段必須為0，真實值存放在BPB_FATSz16；FAT32系統，此字段一直有效。（118.5M = 512 * 242688）

b) 接下來是FAT12/16特有字段（偏移值36）

80：BS_DrvNum，IBM PC 的磁盤 BIOS 使用的驅動器號，00h代表軟盤，80h代表固定磁盤

00：BS_Reserved，保留字段，0

29：BS_BootSig，擴展引導簽名，表示以下存在三個字段

83 3E 07 E4：BS_VolID，與 BS_VolLab 一起構成卷序列號，一般在格式化的時候結合時間生成

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，此值應設置為”NO NAME”

46 41 54 31 36 20 20 20：(解析為:”FAT16 “)，BS_FilSysType文件系統類型，支持字段有：”FAT12 “, “FAT16 “ or “FAT “，注意很多人認為是通過此字段區分FAT12/16/32系統類型，實際是錯誤的，文件系統類型實際上是根據磁盤大小確定的，官方文檔 “Determination of FAT sub-type” 章節或本博文后文有描述，不過為了最大的兼容性考慮，此字段應設置為對應文件系統的名字。

33 C9 ~ CB D8：BS_BootCode，引導啟動程序，與平臺有關，不使用時填充為0

55 AA：BS_BootSign，0xAA55，引導簽名，指示這是一個有效的引導扇區

當扇區大小大于512字節時，剩余的字段應全部使用0x0填充。

c) 如果是FAT32，則采用FAT32特有字段解析（偏移值和FAT12/16特有字段一致為36）

雖然此處我們的是FAT16格式，不過此處也將FAT的字段進行描述，方便理解。

BPB_FATSz32：一個FAT占用的扇區數，此字段僅在FAT32系統有效。FAT區總大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇區。

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。

BPB_FSVer：FAT32版本，高字節是主版本號，低字節是次版本號。

BPB_RootClus：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。

BPB_FSInfo：FSInfo結構扇區與FAT32卷頂部的偏移扇區值。此值通常為1，因為其通常位于引導扇區旁邊。

BPB_BkBootSec：備份引導扇區與FAT32卷頂部的偏移扇區值。此值通常為6，考慮最大的兼容性，此值不建議為其他值。

BPB_Reserved：保留

BS_DrvNum：含義與FAT12/16字段一樣

BS_Reserved：含義與FAT12/16字段一樣

BS_BootSig：含義與FAT12/16字段一樣

BS_VolID：含義與FAT12/16字段一樣

BS_VolLab：含義與FAT12/16字段一樣

BS_FilSysType：始終為”FAT32 “，對FAT類型的確定沒有任何影響。

BS_BootCode32：引導啟動程序，與平臺有關，不使用時填充為0

BS_BootSign：0xAA55，引導簽名，指示這是一個有效的引導扇區

當扇區大小大于512字節時，剩余的字段應全部使用0x0填充。

以上就是引導扇區內容的詳細分析了，通過引導扇區的內容，我們即可知道FAT文件系統依賴的硬件存儲空間大小、簇大小、扇區大小以及以及FAT系統版本等重要信息。

同時通過引導扇區的內容，我們便可計算出對應的FAT的四個區域的大小及起始偏移位置等重要信息，接下來計算FAT四個分區的起始位置及大小。

4.3 分區偏移及大小計算

FAT卷總共分為以下四個區域：

保留區

第一個扇區為引導扇區，存放BPB(BIOS Parameter Block)數據，存放的是FAT卷的配置參數。

上述參數中以 BPB 命名的字段都是 BPB 的一部分，而以 BS 標題命名的字段都不是 BPB 的一部分，而只是引導扇區的一部分

FAT區（分區表裝載區）

根目錄區

數據區

各分區偏移地址及大小如下：

此外，關于FAT區，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，對應的偏移地址和大小如下：

4.4 FAT子類型確認

關于FAT的類型是FAT12/16/32確認：FAT類型由數據區內簇的數量決定，除此之外無其他辦法！

當一個卷，簇的數量 ≤4085 時，為FAT12

當一個卷，簇的數量 ≥4086 且 ≤65525 時，為FAT16

當一個卷，簇的數量 ≥65526 時，為FAT32

簇的數量計算公式：CountofClusters = DataSectors / BPB_SecPerClus;

如我們這里：CountofClusters = ==242176== / 4 = 60544，==所以為 FAT16！==

當簇的大小從 512 ~ 32768字節的各種條件下，不同類型FAT對應卷的大小范圍如下：