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FAT32文件系統詳細分析 （續FAT文件系統詳解）

1. 前言

2. 格式化SD nand/SD卡

3. FAT32文件系統分析

3.1 保留區分析

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS區分析

3.1.2 FSInfo 結構扇區分析

3.1.3 引導扇區剩余扇區

3.1.4 備份引導扇區

3.1.5 保留區剩余區域

3.2 分區偏移及大小計算

3.3 FAT區分析：

3.3.1 FAT1

3.3.2 FAT2

3.4 數據區分析：

4. 總結

1. 前言

續上一篇文章 : FATFS文件系統詳解:關于如SD卡、SD nand、spi nor flash等眾多存儲設備

在上一篇文章，我們已經對FAT文件系統有了一個詳細的介紹，但由于FAT文件系統由歷史發展，存在FAT12/16/32三種系統，在上一篇文章中采用的是FAT16系統作為實例進行的分析，而FAT32系統存在些許差異，且FAT32文件系統在當前應用廣泛，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

申請到雷龍發展代理的CS創世 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據干擾，我們此處取消快速格式化。

2.2 使用 WinHex 打開分析

3. FAT32文件系統分析

FAT文件系統布局圖如下，和FAT16上有些許差別：

3.1 保留區分析

保留區分為引導扇區、備份引導扇區及其他字段，具體數據段分析如下。

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS區分析

BPB及BS參數內容數據如下：

• EB 58 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)
• 16 11：BPB_RsvdSecCnt，保留區的扇區數，0x1116=4374 (通過此可計算，FAT區起始地址為 4374 * 512 = 0x22 2C00)
• 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 00：BPB_RootEntCnt，0，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
• 00 00：BPB_FATSz16，00，一個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。
• 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 08 0F 00：BPB_TotSec32，0x0F0800 = 985088（整個卷空間大小），32位大小區域描述FAT卷扇區總數。 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。（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占用的扇區數，FAT區總大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇區。（由此可計算FAT區總大小：1909 * 2 = 3818扇區 = 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，高字節是主版本號，低字節是次版本號。
• 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，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。
• 06 00：BPB_BkBootSec，6， 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。
• 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
• 30 D1 B5 78：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 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。

3.1.2 FSInfo 結構扇區分析

FSInfo 數據結構為FAT32系統所特有，其目的是記錄FAT32系統上剩余的簇數量以及下一個空閑簇數據；以避免掃描整個磁盤搜索導致的時間浪費。

FSInfo數據偏移可從引導扇區內的 BPB_FSInfo 參數獲取，此處為 1，因此 FSInfo 數據偏移為1個扇區，對應512Byte，0x200地址處。FSInfo數據結構如下：

內容如下：

3.1.3 引導扇區剩余扇區

FAT32引導扇區總共有三個512Byte的扇區構成。BPB、BS、FSInfo字段已使用了2個扇區，還剩有一個扇區未使用，字段為0，如下圖所示，需要注意的是，此扇區在偏移值510處依舊存在尾部簽名0xAA55。

引導扇區剩余字段，為非有效字段，采用0x00填充。

3.1.4 備份引導扇區

相比FAT12/16，FAT32系統上存在引導扇區的備份，此塊區域偏移參考引導扇區內BPB_BkBootSec字段，當前引導扇區內此參數值為6， 因此在當前文件系統內，備份引導扇區的偏移為 6號扇區，對應偏移地址為 BPB_BkBootSec * BPB_BytsPerSec = 6 * 512Byte = 3072Byte = 0xC00

3.1.5 保留區剩余區域

在FAT32系統中，保留區除了 BPB區域、FSInfo區域以及這兩個區域的備份區域外，還有一部分區域，目前我沒找到此區域的作用，我理解為此塊區域是作為某種引導程序，數據內容如下：

關于此塊區域，歡迎大家在評論區討論！

此外，還有一處區域的存在也歡迎大家討論，即FSInfo扇區后面的一個扇區，只有看到尾部簽名，其他數據為空，目前也未找到此處有關說明，后續清楚后會在此補充，亦歡迎大家在評論區討論！

3.2 分區偏移及大小計算

知道BPB參數內容之后，便可以進行分區偏移及大小計算了！

各分區偏移地址及大小如下：

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：

注意：在FAT32系統中，根目錄區不存在，但依舊存在根目錄，不過是根目錄作為數據區的一部分！

3.3 FAT區分析：

FAT32系統與FAT12/16系統在FAT區數據一個顯著差別是：FAT32每條FAT條目占32bit，FAT16占16個bit，FAT12占12bit。關于此部分更詳細描述，可參考上一篇：FAT文件系統詳解（點擊跳轉！） 的 4.3 章節！

3.3.1 FAT1

FAT1偏移地址：0x22 2C00

數據內容如下：

3.3.2 FAT2

FAT2是FAT1的備份，偏移地址：0x31 1600
數據內容與FAT1一致，如下：

3.4 數據區分析：

偏移地址：0x40 0000
由參數BPB_RootClus可知，數據區第一個簇是2號簇。

打開數據區的第一個簇，里面存放的內容便是根目錄的內容！這也就是為什么FAT32沒有根目錄區，但依舊存在根目錄的實現方式。數據內容如下：

之后我們看到3號簇的內容：
數據字段如下圖所示，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，可以查看到對應數據：

從6號簇開始便沒有在使用，均為空閑簇，對應上 FSInfo 結構內 FSI_Nxt_Free 字段的內容。

4. 總結

相比FAT16系統，FAT32文件系統在保留區有了更多的設計：

1）增加了引導扇區的備份，異常掉電等情況下可恢復性更強；

2）增加了FSInfo結構，對于大容量flash訪問將更加高效；

此外FAT32系統取消了根目錄區，將根目錄移至數據區，根目錄與普通目錄本來就沒有什么區別，確實也不用單獨分一個區存放，提高了一致性。

關于數據的存儲思想，依舊保持不變：FAT區內的FAT條目通過簇鏈記錄扇區使用情況及文件占用的扇區情況；數據區內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格式文件系統的詳細解析，歡迎大家評論區進行積極討論與反饋！！！