FAT32文件系统详细分析 (格式化SD nand/SD卡)

文章目录

FAT32文件系统详细分析 （续FAT文件系统详解）

1. 前言

2. 格式化SD nand/SD卡

3. FAT32文件系统分析

3.1 保留区分析

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS区分析

3.1.2 FSInfo 结构扇区分析

3.1.3 引导扇区剩余扇区

3.1.4 备份引导扇区

3.1.5 保留区剩余区域

3.2 分区偏移及大小计算

3.3 FAT区分析：

3.3.1 FAT1

3.3.2 FAT2

3.4 数据区分析：

4. 总结

1. 前言

续上一篇文章 : FATFS文件系统详解:关于如SD卡、SD nand、spi nor flash等众多存储设备

在上一篇文章，我们已经对FAT文件系统有了一个详细的介绍，但由于FAT文件系统由历史发展，存在FAT12/16/32三种系统，在上一篇文章中采用的是FAT16系统作为实例进行的分析，而FAT32系统存在些许差异，且FAT32文件系统在当前应用广泛，因此特补充此篇博文，完善FAT32的示例分析。

2. 格式化SD nand/SD卡

申请到雷龙发展代理的CS创世 贴片 SD Card (SD NAND) 样品，做出测试，有1Gb,4Gb,32Gb,64Gb的容量可选,我这里申请到的是两片32Gb的芯片和测试板.

2.1 格式化SD nand / SD卡，强制采用FAT32格式，分配每个簇大小为2048Byte，同时为了避免其他原有数据干扰，我们此处取消快速格式化。

2.2 使用 WinHex 打开分析

3. FAT32文件系统分析

FAT文件系统布局图如下，和FAT16上有些许差别：

3.1 保留区分析

保留区分为引导扇区、备份引导扇区及其他字段，具体数据段分析如下。

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS区分析

BPB及BS参数内容数据如下：

• EB 58 90 ：BS_JmpBoot，跳转指令
• 4D 53 44 4F 53 35 2E 30：BS_OEMName，MSDOS 5.0，一个名字，指示创建此卷的操作系统，无其他作用`
• 00 02：BPB_BytsPerSec，扇区大小 512 字节
• 04：BPB_SecPerClus，每次操作的最小扇区数，簇 Cluster，4 (与格式化时选择的大小匹配 2048 = 512 * 4)
• 16 11：BPB_RsvdSecCnt，保留区的扇区数，0x1116=4374 (通过此可计算，FAT区起始地址为 4374 * 512 = 0x22 2C00)
• 02：BPB_NumFATs，FATs的个数，2（一般此值为2，多一个用来做冗余备份，解决系统异常导致第一个损坏时，增大恢复的可能性，表示FAT区有两个FATs备份）
• 00 00：BPB_RootEntCnt，0，在FAT12/16系统中，此字段表示根目录中32字节目录条目数量，设置此值时需注意对齐，为了最大的兼容性，FAT16系统上此值应设置为512，FAT32系统上此值应设置为0
• 00 00：BPB_TotSec16，16位大小区域描述FAT卷扇区总数，0。当FAT12/16系统扇区数 ≥0x10000(65536)时，此字段应设置为0，真实值存放在 BPB_TotSec32 字段；对于FAT32系统，此值必须为0。(此处由于我们的总扇区数=118.510241024/512 = 242688 > 65536，所以此字段为0)
• F8：BPB_Media 媒体类型
• 00 00：BPB_FATSz16，00，一个FAT占用的扇区数，此字段仅在FAT12/16系统使用；FAT32系统，此字段必须为0，使用BPB_FATSz32字段替代。
• 3F 00：BPB_SecPerTrk，每个磁道的扇区数，此字段仅与具有几何形状且仅用于 IBM PC 的磁盘 BIOS 的介质相关，不用管。
• FF 00：BPB_NumHeads，头数量，此字段仅与具有几何形状且仅用于 IBM PC 的磁盘 BIOS 的介质相关，不用管。
• 00 00 00 00：BPB_HiddSec，0，FAT 卷之前的隐藏物理扇区数（当磁盘被分区之后，当前分区并不一定是从扇区头开始的）
• 00 08 0F 00：BPB_TotSec32，0x0F0800 = 985088（整个卷空间大小），32位大小区域描述FAT卷扇区总数。 FAT12/16系统，扇区总数小于0x10000时，此字段必须为0，真实值存放在BPB_FATSz16；FAT32系统，此字段一直有效。（481M = 512 * 985088）

以上是FAT12/16/32公共字段，接下来是FAT32独有字段

• 75 07 00 00：BPB_FATSz32，1909，一个FAT占用的扇区数，FAT区总大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇区。（由此可计算FAT区总大小：1909 * 2 = 3818扇区 = 3818 * 512Byte = 0x1D D400 Byte）
• 00 00: BPB_ExtFlags,扩展标识字段，bit7=0，表示所有FAT都是镜像的和活跃的；bit7=1，表示只有bit3-0表示的FAT是有效的。
• 00 00：BPB_FSVer：FAT32版本，高字节是主版本号，低字节是次版本号。
• 02 00 00 00：BPB_RootClus，2， 根目录的第一个簇号，此值通常为2，因为前两个簇一般用于保留。
• 01 00：BPB_FSInfo，1，FSInfo结构扇区与FAT32卷顶部的偏移扇区值。此值通常为1，因为其通常位于引导扇区旁边。
• 06 00：BPB_BkBootSec，6， 备份引导扇区与FAT32卷顶部的偏移扇区值。此值通常为6，考虑最大的兼容性，此值不建议为其他值。
• 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00：BPB_Reserved，0，保留
• 80：BS_DrvNum，IBM PC 的磁盘 BIOS 使用的驱动器号，00h代表软盘，80h代表固定磁盘
• 00：BS_Reserved，保留字段，0
• 29：BS_BootSig，扩展引导签名，表示以下存在三个字段
• 30 D1 B5 78：BS_VolID，与 BS_VolLab 一起构成卷序列号，一般在格式化的时候结合时间生成
• 4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20：(解析为:"NO NAME “)，BS_VolLab，11byte卷标，当卷标不存在时，此值应设置为"NO NAME”
• 46 41 54 33 32 20 20 20：BS_FilSysType，始终为"FAT32 "，对FAT类型的确定没有任何影响。
• 33 C9 ... B9 01 00 00：BS_BootCode32，引导启动程序，与平台有关，不使用时填充为0
• BS_BootSign：0xAA55，引导签名，指示这是一个有效的引导扇区当扇区大小大于512字节时，剩余的字段应全部使用0x0填充。

3.1.2 FSInfo 结构扇区分析

FSInfo 数据结构为FAT32系统所特有，其目的是记录FAT32系统上剩余的簇数量以及下一个空闲簇数据；以避免扫描整个磁盘搜索导致的时间浪费。

FSInfo数据偏移可从引导扇区内的 BPB_FSInfo 参数获取，此处为 1，因此 FSInfo 数据偏移为1个扇区，对应512Byte，0x200地址处。FSInfo数据结构如下：

内容如下：

3.1.3 引导扇区剩余扇区

FAT32引导扇区总共有三个512Byte的扇区构成。BPB、BS、FSInfo字段已使用了2个扇区，还剩有一个扇区未使用，字段为0，如下图所示，需要注意的是，此扇区在偏移值510处依旧存在尾部签名0xAA55。

引导扇区剩余字段，为非有效字段，采用0x00填充。

3.1.4 备份引导扇区

相比FAT12/16，FAT32系统上存在引导扇区的备份，此块区域偏移参考引导扇区内BPB_BkBootSec字段，当前引导扇区内此参数值为6， 因此在当前文件系统内，备份引导扇区的偏移为 6号扇区，对应偏移地址为 BPB_BkBootSec * BPB_BytsPerSec = 6 * 512Byte = 3072Byte = 0xC00

3.1.5 保留区剩余区域

在FAT32系统中，保留区除了 BPB区域、FSInfo区域以及这两个区域的备份区域外，还有一部分区域，目前我没找到此区域的作用，我理解为此块区域是作为某种引导程序，数据内容如下：

关于此块区域，欢迎大家在评论区讨论！

此外，还有一处区域的存在也欢迎大家讨论，即FSInfo扇区后面的一个扇区，只有看到尾部签名，其他数据为空，目前也未找到此处有关说明，后续清楚后会在此补充，亦欢迎大家在评论区讨论！

3.2 分区偏移及大小计算

知道BPB参数内容之后，便可以进行分区偏移及大小计算了！

各分区偏移地址及大小如下：

关于FAT区，通常存在一个以上的FAT，如此处所格式化的sd卡便存在两个FAT，对应的偏移地址和大小如下：

注意：在FAT32系统中，根目录区不存在，但依旧存在根目录，不过是根目录作为数据区的一部分！

3.3 FAT区分析：

FAT32系统与FAT12/16系统在FAT区数据一个显著差别是：FAT32每条FAT条目占32bit，FAT16占16个bit，FAT12占12bit。关于此部分更详细描述，可参考上一篇：FAT文件系统详解（点击跳转！） 的 4.3 章节！

3.3.1 FAT1

FAT1偏移地址：0x22 2C00

数据内容如下：

3.3.2 FAT2

FAT2是FAT1的备份，偏移地址：0x31 1600
数据内容与FAT1一致，如下：

3.4 数据区分析：

偏移地址：0x40 0000
由参数BPB_RootClus可知，数据区第一个簇是2号簇。

打开数据区的第一个簇，里面存放的内容便是根目录的内容！这也就是为什么FAT32没有根目录区，但依旧存在根目录的实现方式。数据内容如下：

之后我们看到3号簇的内容：
数据字段如下图所示，由于在上一篇博文中已对长短文件名每个字段进行过细致分析，此处不再做过度分析，仅抽取关键字段进行分析，如下图所示：

之后切换到4号簇和5号簇，可以查看到对应数据：

从6号簇开始便没有在使用，均为空闲簇，对应上 FSInfo 结构内 FSI_Nxt_Free 字段的内容。

4. 总结

相比FAT16系统，FAT32文件系统在保留区有了更多的设计：

1）增加了引导扇区的备份，异常掉电等情况下可恢复性更强；

2）增加了FSInfo结构，对于大容量flash访问将更加高效；

此外FAT32系统取消了根目录区，将根目录移至数据区，根目录与普通目录本来就没有什么区别，确实也不用单独分一个区存放，提高了一致性。

关于数据的存储思想，依旧保持不变：FAT区内的FAT条目通过簇链记录扇区使用情况及文件占用的扇区情况；数据区内目录和文件都作为文件，通过目录这一类特殊文件，描述文件属性以及实际文件内容存放的簇的方式，将整个文件管理起来。

综上，便是FAT32格式文件系统的详细解析，欢迎大家评论区进行积极讨论与反馈！！！