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！ 一個簇通常可以由 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

==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

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（整個卷空間大小）。 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：

4.4 訪問FAT條目
FAT區由一條條FAT條目構成，關于 FAT[N] 對應的條目具體位置計算如下：

格外需要注意的是，不同格式，對應的FAT條目的長度和格式不一樣：

此外對于FAT32格式，高4位是保留位，只有低28位有效！

具體如下圖所示：

4.5 文件與簇之間的關系
那么文件和簇之間的相互關系又是怎樣的呢？我們又是如何準確的找到存放在flash上的文件的呢？接下來讓我們看下文件與簇之間的關系映射。

在FAT卷上文件通過目錄管理，==目錄是一個32字節數組組成的目錄條目結構==，此目錄結構包含：文件名、文件大小、時間戳以及文件所在的第一個簇號。

簇號為0和1的簇被保留，由參數BPB_RootClus可知，有效簇從第2號簇開始。==FAT2對應數據區的第一個簇==。

因此第N個簇的位置計算公式如下：
FirstSectorofCluster = DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus

==每個條目所在的位置，對應一個簇。當文件長度大于一個簇長度時，條目內的值為下一個條目的索引，直到文件所在的最后一個簇，由此構成簇鏈！文件所在的最有一個簇所對應的FAT條目內的值由一個特殊的值（EOC）組成，它永遠不會匹配任何有效的簇號==，如下：

FAT12: 0xFF8 - 0xFFF (typically 0xFFF)
FAT16: 0xFFF8 - 0xFFFF (typically 0xFFFF)
FAT32: 0x0FFFFFF8 - 0x0FFFFFFF (typically 0x0FFFFFFF)
存在一些特殊的值被用來做損壞簇的標記，如下：

FAT12： 0xFF7
FAT16：0xFFF7
FAT32：0xFFFFFFF7
不過此處需要注意，在FAT12/16系統上，上述特殊值絕不會和任何有效簇匹配，但是在FAT32上有可能，因此為了防止混淆，你在創建FAT32系統的時候應該避免這種情況發生！因此FAT32系統上簇的上限為268435445（大于256M個簇）

FAT條目初始化的時候，FAT[2] 及以后的數據應被初始化為0，指示未被使用處于空閑狀態，如果值不為0，則意味著簇被損壞或被使用狀態。在FAT12/16系統上，空閑簇的數量未被記錄，而在FAT32系統上，FAT32支持FSInfo結構體，里面記錄了空閑簇的數量。

==關于FAT[0]和FAT[1]：==

此兩個保留的條目，沒有與任何簇有聯系；不過具有其他意義，如下：

FAT12: FAT[0] = 0xF??; FAT[1] = 0xFFF;
FAT16: FAT[0] = 0xFF??; FAT[1] = 0xFFFF;
FAT32: FAT[0] = 0xFFFFFF??; FAT[1] = 0xFFFFFFFF;
FAT[0]中的?? 與 BPB_Media 相同；

FAT[1] 記錄了錯誤歷史記錄：卷臟標志（FAT16：bit15、FAT32：bit31），系統在啟動的時候清除此位，正常關閉的時候恢復。
如果此位已經清除，表明上次未被正常關閉，可能存在邏輯卷錯誤；硬件錯誤標志（FAT16：bit14、FAT32：bit30）當出現無法恢復的讀寫錯誤時清除，表明需要進行全面檢查。

==關于FAT區域，有兩個重點注意事項：==

第一個是FAT的最后一個扇區可能沒有被完全使用。在大多數情況下，FAT在扇區的中間結束。FAT驅動程序不應該對未使用的區域做出任何假設。在格式化卷時，應該用零填充它，并且在此之后不應更改它。
另一個是BPB_FATSz16/32可以指示比卷需要的值大的值。換句話說，未使用的扇區可以跟隨每個FAT。這可能是數據區域對齊或其他原因導致的。同時，在格式化時這些扇區也會被用零填充。
下表展示了不同FAT類型中FAT值所對應的含義解釋：

4.6 FSInfo扇區結構及備份引導扇區
此部分內容只在FAT32系統上存在，對于FAT12系統FAT區域大小最大6KB，對于FAT16系統FAT區域最大128KB，但是在FAT32系統上FAT區域通常上達數MB，這是因為FAT32系統支持FSInfo數據結構。

在FAT32系統上新增FSInfo數據結構的原因是：在FAT12/16系統上，想要知道flash上剩余的簇數需要掃描整個FAT區才能計算出來，但隨著flash容量的不斷擴大，掃描花費的時長越來越長，為了避免掃描浪費過多的時間，因此在FAT32系統上增加了FSInfo結構，用于記錄flash上剩余的簇數。

FSInfo數據結構如下：
| 字段名 | 偏移 | 大小 | 描述 |
| — | — | — | — |
| FSI_LeadSig | 0 | 4 | 固定值為0x41615252，頭部簽名 |
| FSI_Reserved1 | 4 | 480 | 保留區域，采用0x00覆蓋 |
| FSI_StrucSig | 484 | 4 | 固定值為0x61417272，也是一個簽名 |
| FSI_Free_Count | 488 | 4 | 記錄了空閑的簇數，如果這個值為0xFFFF FFFF，則表示不知道具體的空閑簇數 |
| FSI_Nxt_Free | 492 | 4 | 提示驅動程序應該從此參數提示的簇開始尋找空閑的簇，通過此參數便可以不用從FAT區頭開始尋找下一個空閑簇了，節省了大量時間；如果此參數為0xFFFF FFFF，則驅動程序應該從頭部（2號簇）開始尋找空閑簇|
| FSI_Reserved2 |496 | 12 | 保留區域，采用0x00覆蓋 |
| FSI_TrailSig | 508 | 4 | 固定值0xAA550000，尾部簽名 |

注意：當扇區大小大于512字節時， 剩余空間采用0x00填充

4.7 FAT目錄
FAT目錄分為長文件名目錄（LFN）以及短文件名目錄（SFN），長文件目錄是在短文件名目錄上的一個擴展，具體采用長文件名還是短文件名由讀取FAT文件系統的操作系統決定，如windows；設置長文件名時短文件名也被設置，具有兼容性。

此外，有一個很重要的概念：在FAT文件系統上目錄也是一個文件，只是此文件的屬性不一樣而已。

在所有目錄中，有一個比較特殊的是根目錄，且根目錄作為頂層目錄必須存在。

在FAT12/16系統中，根目錄不是一個文件，且放在根目錄區，根目錄的最大條目數由 BPB_RootEntCnt 參數指示；

在FAT32系統中，根目錄與子目錄沒有什么區別，且根目錄的起始簇由 BPB_RootClus 參數指示。

根目錄與子目錄的另外一個區別是，根目錄不包含 . .. 此兩個點目錄，且它可以包含卷標（具有ATTR_VOLUME_ID屬性的條目）
關于目錄結構的第一個字段 DIR_Name 的第一個元素 DIR_Name[0] 在目錄表中有著特殊作用，如下：

當此值為 0xE5 時，代表此目錄條目未被使用（或已廢棄）
當此值為 0x00 時，也代表此目錄條目未被使用；此外還提示后續目錄條目也未被使用，因為后續的目錄條目 DIR_Name[0] 都會是 0x00
如果文件名的第一個字符為 0xE5 這個特殊值，則使用 0x05 替代。
這么設計的意義是什么呢？將 DIR_Name[0] 用作特殊字符，其目錄在于方便文件刪除！當我們刪除一個文件的時候，文件系統并不會將此文件所對應的數據全部刪除，因為那樣太費時間了，也沒有必要，而是直接將對應文件的目錄項中的 DIR_Name[0] 修改為 0xE5 即可！

關于文件名字段 DIR_Name，在FAT文件系統中還有如下規定：

DIR_Name 字段的11字節的文件名分為兩個部分：8 字節的主文件名 + 3字節的擴展名；
文件名中主文件名與擴展名中間的 . 被省略，不在此記錄
如果主文件名長度不夠，小于8字節，則使用 0x20 空格填充
用于設置文件名的字符也有限制，支持的字符有 ==0～9 A～Z ! # $ % & ‘ ( ) - @ ^ _ ` { } ~==
主文件名和擴展名中的(a~z)ASCII字符都會被轉化成大寫字符保存
以下為文件名存儲示例：

4.7.2 LFN長文件名
長文件名是文件名的另外一種存儲方式，由于SFN短文件名具有長度、字符等限制，在一些場景下不能很好的滿足需求，因此就需要使用到長文件名，關于長文件名的具體內容如下：

長文件名是一個具有特殊屬性的目錄條目。長文件名目錄屬性 DIR_Attr 字段的值 ATTR_LONG_NAME = (ATTR_READ_ONLY | ATTR_HIDDEN | ATTR_SYSTEM | ATTR_VOLUME_ID) = 0x0F；

關于長文件名的目錄屬性如下：
| 字段名 | 偏移 | 大小 | 描述 |
| — | — | — | — |
| LDIR_Ord | 0 | 1 | 序號(1-20)，用來表示此條目屬于長文件名序列條目中的第幾條。且長文件名序列首條條目的值應& 0x40以進行標識！ |
| LDIR_Name1 | 1 | 10 | 長文件名 第1 ~ 第5 字符（注意此處一個字符占兩個字節） |
| LDIR_Attr | 11 | 1 | 長文件名屬性，此值永遠為 ATTR_LONG_NAME 0x0F
| LDIR_Type | 12 | 1 | 類型，必須為0 |
| LDIR_Chksum | 13 | 1 | 和校驗 |
| LDIR_Name2 | 14 | 12 | 長文件名 第6 ~ 第11 字符（注意此處一個字符占兩個字節） |
| LDIR_FstClusLO | 26 | 2 | 必須為0 |
| LDIR_Name3 | 28 | 4 | 長文件名 第12 ~ 第13 字符（注意此處一個字符占兩個字節） |

關于長文件名，有以下幾點重要概念：

一個文件一定有短文名SFN，但不一定有長文件名LFN
長文件名LFN字段中==僅包含文件名信息==，不包含其他內容，其他內容需要通過短文件名SFN查看
如果一個文件既有長文件名也有短文件名，則長文件名是其主要名字，而短文件名則為附加名字
==長文件名LFN條目在對應的短文件名SFN條目前面==
一個文件的長文件名最長255字符，對應最多20個長文件名LFN條目
長文件名簡單理解起始就是存儲一個字符串，因此沒有類似SFN的限制，允許有空格、支持大小寫、允許多個.符號等
LFN條目文件名長度不夠，仍然采用0x20填充
下圖是官方關于一個名為 “MultiMediaCard System Summary.pdf” 的長文件名在flash上的長文件名條目，如下所示，一眼沒看明白也沒關系，后文有實例說明，對長文件名有概念了就行！

關于長文件名的checksum字段和計算，算法如下：

uint8_t create_sum (const DIR* entry)
{
int i;
uint8_t sum;
for (i = sum = 0; i < 11; i++) { /* Calculate sum of DIR_Name[] field */
sum = (sum >> 1) + (sum << 7) + entry->DIR_Name[i];
}
return sum;
}
4.7.3 LFN系統對于SFN的兼容
在使用LFN長文件名的系統中，會自動生成SFN短文件名已確保此文件在短文件名的文件系統中可使用。同時為了防止生成的短文件名沖突，SFN的生成采用 名稱+數字后綴+擴展 的格式，同時采用以下規則生成SFN：

小寫自動轉大寫
如果存在空格，則刪去空格，設置有損轉換標識
已.開頭的文件刪除頭部的.，并設置有損轉換標識
存在多個.的文件名，僅保留最后一個作為文件名與擴展的分隔，并設置有損轉換標識
其他不支持的字符，采用_代替，并設置有損轉換標識
文件名如果是Unicode編碼，則轉化為ANSI/OEM編碼；不能轉換的字符采用_代替，并設置有損轉換標識
長度超過8字節的部分，截斷，并設置有損轉換標識
擴展名字段超過3字節的，截斷，并設置有損轉換標識
有損轉轉換標識為：~，ASCII值為0x7E，十進制126

示例如下：

至此，FAT文件系統的理論部分已經描述完了，接下來我們繼續使用winhex對數據進行分析。