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    SD卡中FAT32文件格式快速入門(圖文詳細介紹)

    2016-09-28 00:00:00 廣州睿豐德信息科技有限公司 閱讀
    睿豐德科技 專注RFID識別技術和條碼識別技術與管理軟件的集成項目。質量追溯系統、MES系統、金蝶與條碼系統對接、用友與條碼系統對接

    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。

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    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。

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    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)

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    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:

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    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。

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    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。

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    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。

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    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。

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    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!

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    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:

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    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:

     

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    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:

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    圖12

    示例:

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    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。

     

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    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

    RFID設備管理軟件

    圖15

     

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