SD卡中FAT32文件格式快速入門（圖文詳細介紹）
說明：
MBR ：Master Boot Record ( 主引導記錄)
DBR ：DOS Boot Record ( 引導扇區)
FAT ：File Allocation Table ( 文件分配表)
硬件：本文SD卡為Kingston 4GB，FAT32格式，簇大小4KB，每扇區512字節。
第一章 硬盤結構與SD卡結構
1.1 硬盤介紹
1.1硬盤結構
如果你熟悉硬盤結構跳過本節。下圖是硬盤的結構，如果你只是為了學習SD卡FAT32文件系統的話，這里你只需要注意硬盤排序結構：主引導記錄（MBR）—引導扇區—數據—引導扇區—數據。
圖1
1.2 MBR分析
MBR（Main Boot Record 主引導記錄區）放置在硬盤物理地址0的地方。總共512字節的主引導扇區中，MBR只占用了其中的446個字節，另外64個字節交給了 DPT（Disk Partition Table硬盤分區表），最后兩個字節“55，AA”是分區的結束標志。DPT由4個分區表組成，每個16字節。下圖中以以硬盤的MBR圖，粉紅色為硬盤分區表。
圖2
對于我們來說，更關注硬盤分區表表中紅色區域：下圖為硬盤分區表詳細說明 。如果要對SD卡、U盤等分多個區，DPT的內容就表示各個區的偏移地址和大小。
起始地址
字節數
描述
0x1BE
1
可引導標志，0x00不可引導，0x80可引導
0x1BF~0x1C1
3
分區起始CHS地址(CHS＝磁頭、柱面、扇區)，起始地址
0x1C2
1
分區類型
0x1C3~0x1C5
3
分區結束CHS地址
0x1C6
4
從磁盤開始到該分區開始的偏移量（分區起始LBA地址Little-endian順序）
0x1CA
4
總扇區數（Little-endian順序）
圖3
SD結構
SD卡沒有分區，默認就是一個分區。首先用WinHex文件打開SD所在的盤符，顯示如下圖：
圖4
① 非分區空間（紅線所示）: 起始扇區0，我認為這個分區就是硬盤上的MBR所在區域，
打開后如下圖所示,也可以稱為SD卡的MBR區域。
圖5
根據表1知道：
紅線區域（00002000）為下個分區的扇區地址，即第8192扇區，見圖3分區1的起始扇區。
藍線區域（00760C00）為SD卡總的扇區個數，我們可以計算一下：
0x760C00 *512（每扇區字節）= 3960995840 （字節），與實際大小基本一樣。
② 分區1（藍線所示）：起始扇區8192.
③ 剩余扇區 : 才疏學淺，我不知道干嘛的，呵呵
1.3 SD卡存儲結構
由此可知SD卡文件系統并不是處在整個SD卡最開始的地方，它處在MBR所處的保留區之后，于是我們可以對使用FAT32文件系統的SD卡整體布局給出如下圖示。
圖6
第二章 FAT32文件系統介紹
2.1 FAT文件系統簡介
FAT（File Allocation Table，文件分配表）文件系統是windows操作系統所使用的一種文件系統，它的發展過程經歷了FAT12、FAT16、FAT32三個階段。FAT文件系統用“簇”作為數據單元。一個“簇”由一組連續的扇區組成，簇所含的扇區數必須是2的整數次冪。簇的最大值為64個扇區，即32KB。所有簇從2開始進行編號，每個簇都有一個自己的地址編號。用戶文件和目錄都存儲在簇中。 本文每簇4KB大小。
FAT文件系統的數據結構中有兩個重要的結構：文件分配表和目錄項：
文件分配表：文件和文件夾內容儲存在簇中，如果一個文件或文件夾需要多余一個簇的空間，則用FAT表來描述，如何找到另外的簇。FAT結構用于指出文件的下一個簇，同時也說明了簇的分配狀態。FAT12、FAT16、FAT32這三種文件系統之間的主要區別在與FAT項的大小不同。
目錄項：FAT文件系統的每一個文件和文件夾都被分配到一個目錄項，目錄項中記錄著文件名、大小、文件內容起始地址以及其他一些元數據。
在FAT文件系統中，文件系統的數據記錄在“引導扇區中（DBR）”中。引導扇區位于整個文件系統的0號扇區，是文件系統隱藏區域（也稱為保留區）的一部分，我們稱其為DBR（DOS Boot Recorder——DOS引導記錄）扇區，DBR中記錄著文件系統的起始位置、大小、FAT表個數及大小等相關信息。在FAT文件系統中，同時使用“扇區地址”和“簇地址”兩種地址管理方式。這是因為只有存儲用戶
數據的數據區使用簇進行管理（FAT12和FAT16的根目錄除外），所有簇都位于數據區。其他文件系統管理數據區域是不以簇進行管理的，這部分區域使用扇區地址進行管理。文件系統的起始扇區為0號扇區。
2.2 FAT32文件系統結構
FAT文件系統整體分布如上圖 存儲器文件結構圖 所示，有：
【1深綠色】保留區含有一個重要的數據結構——系統引導扇區（DBR）。FAT12、FAT16的保留區通常只有一個扇區，而FAT32的保留扇區要多一些，除0號扇區外，還有其他一些扇區，其中包括了DBR的備份扇區。
【2黃色】 FAT區由來年各個大小相等的FAT表組成——FAT1、FAT2，FAT2緊跟在FAT1之后。
【3灰色】 FAT12、FAT16的根目錄雖然也屬于數據區，但是他們并不由簇進行管理。也就是說FAT12、FAT16的根目錄是沒有簇號的，他們的2號簇從根目錄之后開始。而FAT32的根目錄通常位于2號簇。
2.2.1 保留區（深綠色區域）
FAT32文件系統的開始部分有一個由若干個扇區組成的保留區，保留區的大小會記錄在DBR扇區中，比較常見的為32、34或38個扇區。如上圖：由DBR中）0x0e和0x0f兩個地址的數值決定，記得是小端模式，即N的值。
2.2.1.1 引導扇區（DBR）
【大小】：512字節；
對讀寫FAT文件系統來說常用的就圖中紅色劃線部分，48個字節。其他的均為一些標注信息。想了解具體的定義請看附錄表。
圖7
【1】0x00~0x02：3字節，跳轉指令。
【2】0x03~0x0A：8字節，文件系統標志和版本號，這里為MSDOC5.0。
【3】0x0B~0x0C：2字節，每扇區字節數，512（0X02 00）。
【4】0x0D~0x0D：1字節，每簇扇區數，8（0x08）。
【5】0x0E~0x0F：2字節，保留扇區數，38（0x00 26），符合FAT1起始地址為38扇區。
【6】0x10~0x10：1字節，FAT表個數，2。
【7】0x11~0x12：2字節，FAT32必須等于0，FAT12/FAT16為根目錄中目錄的個數；
【8】0x13~0x14：2字節，FAT32必須等于0，FAT12/FAT16為扇區總數。
【9】0x15~0x15：1字節，哪種存儲介質，0xF8標準值，可移動存儲介質，常用的 0xF0。
【10】0x16~0x17:2字節，FAT32必須為0，FAT12/FAT16為一個FAT 表所占的扇區數。
【11】0x18~0x19：2字節，每磁道扇區數，只對于有“特殊形狀”（由磁頭和柱面每 分割為若干磁道）的存儲介質有效，63（0x00 3F）。
【12】0x1A~0x1B：2字節，磁頭數，只對特殊的介質才有效，255（0x00 FF）。
【13】0x1C~0x1F：4字節，EBR分區之前所隱藏的扇區數，8192（0x00 00 20 00），與MBR中地址0x1C6開始的4個字節數值相等。
【14】0x20~0x23：4字節，文件系統總扇區數，7736320（0x 00 76 0C 00），7736320 * 512 = 3960995840 ≈ 3.67GB。
【15】0x24~0x27：4字節，每個FAT表占用扇區數，7541（0x 00 00 1D 75）。
【16】0x28~0x29：2字節，標記，此域FAT32 特有。
【17】0x2A~0x2B：2字節，FAT32版本號0.0，FAT32特有。
【18】0x2C~0x2F：4字節，根目錄所在第一個簇的簇號，2。（雖然在FAT32文件系統 下，根目錄可以存放在數據區的任何位置，但是通常情況下還是起始于2號簇）
【19】0x30~0x31：2字節，FSINFO（文件系統信息扇區）扇區號1，該扇區為操作 系統提供關于空簇總數及下一可用簇的信息。
【20】0x32~0x33：2字節，備份引導扇區的位置。備份引導扇區總是位于文件系統 的6號扇區。
【21】0x34~0x3F：12字節，用于以后FAT 擴展使用。
【22】0x40~0x40：1字節，與FAT12/16 的定義相同，只不過兩者位于啟動扇區不
同的位置而已。
【23】0x41~0x41：1字節，與FAT12/16 的定義相同，只不過兩者位于啟動扇區不
同的位置而已 。
【24】0x42~0x42：1字節，擴展引導標志，0x29。與FAT12/16 的定義相同，只不過 兩者位于啟動扇區不同的位置而已
【25】0x43~0x46：4字節，卷序列號。通常為一個隨機值。
【26】0x47~0x51：11字節，卷標（ASCII碼），如果建立文件系統的時候指定了卷 標，會保存在此。
【27】0x52~0x59：8字節，文件系統格式的ASCII碼，FAT32。
★【28】0x5A~0x1FD：90~509共410字節，未使用。該部分沒有明確的用途。
【29】0x1FE~0x1FF：簽名標志“55 AA”。
★說明：引導代碼
FAT文件系統將引導代碼與文件形同數據結構融合在一起，FAT32文件系統引導扇區的512字節中，90~509字節為引導代碼，而FAT12/16則是62~509字節為引導代碼。同時，FAT32還可以利用引導扇區后的扇區空間存放附加的引導代碼。一個FAT卷即使不是可引導文件文件系統，也會存在引導代碼。
2.2.1.2 FSInfo信息分區
FAT32在保留區中增加了一個FSINFO扇區，用以記錄文件系統中空閑簇的數量以及下一可用簇的簇號等信息，以供操作系統作為參考。FSINFO信息扇區一般位于文件系統的1號扇區，結構非常簡單。FSINFO信息扇區結構。
圖8
【1】0x00~0x03: 4個字節，擴展引導標志“0x52526141”。
【2】0x04~0x1E3：480個字節，未使用，全部置0。
【3】0x1E4~0x1E7： 4個字節，FSINFO簽名“0x72724161”。
【4】0x1E8~0x1EB： 4個字節，文件系統的空簇數，964466（0x00 0E B7 72）。
【5】0x1EC~0x1EF： 4個字節，下一可用簇號（0x 00 00 00 15）。
【6】0x1F0~0x1FD： 14個字節，未使用。
【7】0x1FE~0x1FF： 2個字節，“55 AA”標志。
溫馨提示：通常情況下，文件系統的2號扇區結尾也會被設置“55 AA”標志。6號扇區也會有一個引導扇區的備份，相應的，7號扇區應該是一個備份FSINFO信息扇區，8號扇區可以看做是2號扇區的備份。
2.2.2 文件分區FAT表（黃色區域）
緊跟在保留分區后面的是FAT區，其由兩個完全相同的FAT（File Allocation Table， 文件分配表）表單組成，FAT文件系統的名字也是因此而來。FAT 表（File Alloacation Table）是一組與數據簇號對應的列表。FAT2緊跟在FAT1之后，它的位置可以通過FAT1的位置加上FAT表的大小扇區數計算出來。
2.2.2.1 文件系統概述
文件系統分配磁盤空間按簇來分配。因此，文件占有磁盤空間時，基本單位不是字節而是簇，即使某個文件只有一個字節，操作系統也會給它分配一個最小單元：即一個簇。對于大文件，需要分配多個簇。同一個文件的數據并不一定完整地存放在磁盤中一個連續地區域內，而往往會分若干段，像鏈子一樣存放。這種存儲方式稱為文件的鏈式存儲。為了實現文件的鏈式存儲，文件系統必須準確地記錄哪些簇已經被文件占用，還必須為每個已經占用的簇指明存儲后繼的下一個簇的簇號，對于文件的最后一簇，則要指明本簇無后繼簇。這些都是由FAT表來保存的，FAT 表對應表項中記錄著它所代表的簇的有關信息：諸如是空，是不是壞簇，是否是已經是某個文件的尾簇等。
v 對于文件系統來說，FAT表有兩個重要作用：描述簇的分配狀態以及標明文件或目錄的下一簇的簇號。
v 通常情況下，一個FAT把文件系統會有兩個FAT表，但有時也允許只有一個FAT表，FAT表的具體個數記錄在引導扇區的偏移0x10字節處。
v 由于FAT區緊跟在文件系統保留區后，所以FAT1在文件系統中的位置可以通過引導記錄中偏移0x0E~0x0F字節處的“保留扇區數”得到，如存儲器結構體圖中M值。
2.2.2.2 FAT表分析說明
FAT32中每個簇的簇地址是有32bit（4個字節），FAT表中的所有字節位置以4字節為單位進行劃分，并對所有劃分后的位置由0進行地址編號。0號地址與1號地址被系統保留并存儲特殊標志內容。從2號地址開始，每個地址對應于數據區的簇號，FAT表中的地址編號與數據區中的簇號相同。我們稱FAT表中的這些地址為FAT表項，FAT表項中記錄的值稱為FAT表項值。
當文件系統被創建，也就是進行格式化操作時，分配給FAT區域的空間將會被清空，在FAT1與FAT2的0號表項與1號表項寫入特定值。由于創建文件系統的同時也會創建根目錄，也就是為根目錄分配了一個簇空間，通常為2號簇，與之對應的2號FAT表項記錄為2號簇，被寫入一個結束標記。
幾點說明：
Ø 由于簇號起始于2號，所以FAT表項的0號表項與1號表項不與任何簇對應。FAT32的0號表項值總是“F8FFFF0F”。
Ø 1號表項可能被用于記錄臟標志，以說明文件系統沒有被正常卸載或者磁盤表面存在錯誤。不過這個值并不重要。正常情況下1號表項的值為“FFFFFFFF”或“FFFFFF0F”。
Ø 如果某個簇未被分配使用，它對應的FAT表項內容為0；
Ø 當某個簇已被分配使用，則它對應的FAT表項內的FAT表項值也就是該文件的下一個存儲位置的簇號。如果該文件結束于該簇，則在它的FAT表項中記錄的是一個文件結束標記，對于FAT32而言，代表文件結束的FAT表項值為0x0FFFFFFF。
Ø 如果某個簇存在壞扇區，則整個簇會用0xFFFFFF7標記為壞簇，這個壞簇標記就記錄在它所對應的FAT表項中。
Ø 在文件系統中新建文件時，如果新建的文件只占用一個簇，為其分配的簇對應的FAT表項將會寫入結束標記。如果新建的文件不只占用一個簇，則在其所占用的每個簇對應的FAT表項中寫入為其分配的下一簇的簇號，在最后一個簇對應的FAT表象中寫入結束標記。
Ø 新建目錄時，只為其分配一個簇的空間，對應的FAT表項中寫入結束標記。當目錄增大超出一個簇的大小時，將會在空閑空間中繼續為其分配一個簇，并在FAT表中為其建立FAT表鏈以描述它所占用的簇情況。
2.2.2.3 FAT表示例
【0號表項】：0x0FFFFFF8;FAT表起始固定標識
【1號表項】：0xFFFFFFFF;不是用，默認值
【2號表項】：0x0FFFFFFF;根目錄所在簇，
紫色的為3號表項，綠色的為4號表項，以此類推。注意：0和1號表項均不與實際的物理地址對應，2號表項開始才與物理地址對應。2號表項物理地址為FAT2表后緊跟著的那個簇！3號在2號表項緊跟著的一個簇。
計算：FAT所占扇區數 7541（0x1D75）；FAT2起始扇區為38+7541=7579；根目錄起始扇區在7579 + 7541 = 15120。記得本文8個扇區為一個簇，即4K（0x1000），簇是系統分配內存的最小單元。
如圖表中的起始地址對比，發現根目錄起始地址剛好在15120，所以FAT表中0和1號表項沒有對應物理地址！
圖9
我將SD格式化，新建了一個test.txt的文本文件，大小為8.2kB。如下圖：
圖10
我們來分析上圖：
在圖中可以看出，test.txt文件起始簇為15128，這個地址是我們根目錄（2號簇）后的一個簇，所以test.txt文件起始簇是3號簇，也就是3號表項（FAT表中表項值與簇號對應）。
【1】：2號表項為根目錄，即2號簇。
【2】：3號表項為-0x00 00 00 04，test文件的下一簇號在4號表項，查看4號表項。
【3】：4號表項為-0x00 00 00 05，test文件下一簇號在5號表項，查看5號表項。
【4】：5號表項為-0x0F FF FF FF，結束符號。說明文件在5號簇時就存儲完畢。
2.2.3 數據區（灰色區域）
數據區時真正用于存放用戶數據的區域。數據區緊跟在FAT2之后，被劃分成一個個的簇。所有的簇從2開始進行編號，也就是說，2號簇的起始位置就是數據區的起始位置。
2.2.3.1 根目錄
FAT表示例中，根目錄截圖：
圖11
雖然原則上FAT32允許根目錄位于數據區的任何位置，但通常情況下它都位于數據區起始扇區，2號簇，可以在DBR偏移地址0x2C~0x2F查看。在FAT文件系統中，先要尋找數據區的第一簇（即2號簇）的位置，它不是位于文件系統開始處，而是位于數據區。從前面的學習知道，在數據區前面是保留區域和FAT區域，在前面還有MBR區域，這些區域都不使用FAT表進行管理。因此，數據區以前的區域只能使用扇區地址，而無法使用簇地址。
其實在2.2.2.3節，FAT表示例中我們就已經計算過其實地址（15128），注意這個地址不是物理地址哦，只是在FAT文件區域中一個相對地址！因為在之前還有MBR保留區域！
【保留區域大小（綠色部分）】：DBR偏移地址0x0E~0x0F，38（0x26），
【FAT表個數】：DBR偏移地址0x10開始2字節，2個，
【每個FAT表扇區數】：DBR偏移地址0x24~0x27，7541（0x 00 00 1D 75），
說明：以上值均參見2.2.1.1節。
【計算公式】：
數據區起始扇區號 = 保留扇區數 + 每個FAT表大小扇區數 × FAT表個數
【示例】： 數據區起始扇區號 = 38 + 7541*2 = 15120
為了避免根目錄被更改，也可以用下面的計算公式計算出根目錄扇區：
根目錄起始扇區=保留扇區數+FAT×2+(根目錄起始簇-2)x每簇的扇區數。
說明：1、如果要得到物理地址，需要加上MBR保留區域大小。
2.2.3.2 根目錄的短文件目錄項定義
目錄所在的扇區，都是以32 Bytes劃分為一個單位，每個單位稱為一個目錄項（Directory
Entry ），即每個目錄項的長度都是32 Bytes 。根目錄由若干個目錄項組成，一個目錄項占用32個字節，可以是長文件名目錄項、文件目錄項、子目錄項等。32字節的具體定義如下圖：
圖12
示例：
圖13
特別關注的參數說明：
【1】：文件或者文件夾存儲的起始簇號，上圖中紫色區域，偏移地址：0x14-0x15（高16為）和0x1A-0x1B（低16位），0x 00 00 00 03 ，表示這個文件存儲在3號簇的位置，在FAT表中為3號表項。
【2】：文件大小：偏移地址0x1C-0x1F，0x 00 00 20 EE（8430字節）；
【3】文件屬性：偏移地址0x0B-0x0B，0x20 ，歸檔。
其他說明：
【0】子目錄存儲在數據區
【1】文件名的第一個字節，為0xE5，表示該項已被刪除。
【2】名字為0x2E(“.”)，表示當前目錄。
圖14
【3】名字為0x2E 0x2E(“. .”)，表示上一級目錄。
2.2.3.3 長文件目錄定義
圖15
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