FAT（File Allocation Table，文件分配表）文件系统是由微软开发的一种简单高效的文件系统格式。它广泛应用于各种存储设备，如U盘、SD卡等。本文将详细介绍FAT文件系统的关键术语、结构和功能实现，帮助读者全面了解这一经典文件系统。

目录

1. 关键术语
2. FAT文件系统结构
   • Volume Structure
   • Boot Sector and BPB
   • FAT文件分配表
   • File System Information (FSInfo) Structure
   • Directory Structure
   • 长文件名实现
3. 文件系统的工作方式
   • 定位到文件的开始
   • 创建文件
   • 删除文件
   • 增加文件内容
   • 减少文件内容
4. 结语

关键术语

• Volume（卷）：存储设备上的一个逻辑分区。
• Sector（扇区）：存储设备上的最小存储单位，通常为512字节。
• Cluster（簇）：由一个或多个连续的扇区组成的逻辑存储单位。
• BPB（BIOS Parameter Block）：引导扇区的一部分，包含文件系统的基本参数。
• FAT（File Allocation Table）：用于管理文件簇链的表格。
• Root Directory（根目录）：文件系统的顶级目录，包含文件和子目录的元数据。

FAT文件系统结构

Volume Structure

FAT文件系统卷包含四个基本区域，分别为保留区域、FAT区域、根目录区域和文件及目录数据区域。

1. Reserved Region (保留区域)：

   • 包括卷的第一个扇区，即引导扇区（BPB，BIOS参数块）。
   • 保留区域通常包含引导代码、BIOS参数块和扩展的BPB结构等信息。

2. FAT Region (FAT区域)：

   • 存储文件分配表（FAT），一个用于跟踪文件和目录存储位置的链表结构。
   • FAT区域通常包含一个或多个副本，以提高数据的可靠性。

3. Root Directory Region (根目录区域)：

   • 存在于FAT12和FAT16卷中，但在FAT32卷中不存在。
   • 包含卷的根目录条目，根目录是特殊的目录文件，用于存储根目录中的文件和子目录的条目。

4. File and Directory Data Region (文件和目录数据区域)：

   • 存储实际的文件和目录数据。
   • 文件和目录的数据被分配在一个或多个簇中，并通过FAT区域中的链表进行管理。

Boot Sector and BPB

引导扇区位于卷的第一个扇区，包含BIOS参数块（BPB）。BPB定义了文件系统的基本参数，如每扇区的字节数、每簇的扇区数和保留扇区数。以下是BPB的一些关键字段：

• BPB_BytsPerSec：每扇区的字节数。
• BPB_SecPerClus：每簇的扇区数。
• BPB_RsvdSecCnt：保留扇区数。
• BPB_NumFATs：FAT表的数量。
• BPB_RootEntCnt：根目录条目数（FAT12和FAT16）。
• BPB_TotSec16：卷的总扇区数（如果不超过65535扇区）。
• BPB_FATSz16：每个FAT表的扇区数（FAT12和FAT16）。
• BPB_TotSec32：卷的总扇区数（如果超过65535扇区）。
• BPB_FATSz32：每个FAT表的扇区数（FAT32）。

BPB中的这些字段定义了文件系统的基本几何结构和配置，是解析文件系统的基础。

FAT文件分配表

FAT是文件系统的核心部分，管理着每个簇的分配情况。FAT表中存储了以下内容：

1. 空闲簇：表示为0x0000，表示该簇是空闲的，可以被分配使用。
2. 已分配簇：范围在0x0002到最大值之间，表示该簇已被分配并且值为下一个簇的簇号，形成文件簇链。
3. 保留簇：从最大值加1到0xFFF6之间，这些值是保留的，不应使用。
4. 坏簇：表示为0xFFF7，表示该簇是坏簇，不能被使用。
5. 文件结束簇：范围从0xFFF8到0xFFFE，表示文件的最后一个簇，指示文件结束。

File System Information (FSInfo) Structure

FSInfo结构是FAT32文件系统的一部分，用于存储一些全局的文件系统信息，如剩余空闲簇数和下一个可用簇号。FSInfo结构通常位于卷的第三个扇区。

Directory Structure

目录结构存储文件和子目录的元数据。每个目录项包含以下字段：

• DIR_Name：文件或目录名。
• DIR_Attr：文件或目录属性。
• DIR_FstClusLO：起始簇号的低16位（FAT32）。
• DIR_FstClusHI：起始簇号的高16位（FAT32）。
• DIR_FileSize：文件大小。

这些字段用于记录文件或目录的名称、属性、大小和起始位置等关键信息。

长文件名实现

FAT文件系统原本只支持8.3格式的短文件名，即最多8个字符的文件名和3个字符的扩展名。为了支持长文件名，FAT文件系统引入了VFAT（Virtual FAT）扩展。长文件名通过一系列特殊的目录项存储，这些目录项的属性设置为0x0F，表示这是长文件名条目。每个长文件名条目存储部分文件名，并使用校验和来验证完整性。

文件系统的工作方式

定位到文件的开始

要定位到文件的开始，即知道该文件对应的起始簇号（例如簇2），需要通过以下步骤：

1. 读取根目录或子目录：首先需要读取根目录或者文件所在的子目录，这些目录项中包含了文件的起始簇号。
2. 获取起始簇号：从目录项中提取出文件的起始簇号。例如，如果目录项中的起始簇号是2，那么文件的第一个数据簇就是簇2。
3. 计算数据区的起始位置：根据BPB中的信息，计算文件数据区的起始位置。文件数据区是指所有实际存储文件数据的区域。
4. 根据起始簇号定位文件数据：通过起始簇号，计算出文件在数据区中的具体位置。

以下是具体步骤：

RootDirSectors = ((BPB_RootEntCnt * 32) + (BPB_BytsPerSec – 1)) / BPB_BytsPerSec;
TmpVal1 = DskSize – (BPB_ResvdSecCnt + RootDirSectors);
TmpVal2 = (256 * BPB_SecPerClus) + BPB_NumFATs;
If(FATType == FAT32)
TmpVal2 = TmpVal2 / 2;
FATSz = (TMPVal1 + (TmpVal2 – 1)) / TmpVal2;
If(FATType == FAT32) {
BPB_FATSz16 = 0;
BPB_FATSz32 = FATSz;
} else {
BPB_FATSz16 = LOWORD(FATSz);
/* there is no BPB_FATSz32 in a FAT16 BPB */
}

通过这些步骤，可以确定文件在FAT文件系统中的具体位置，从而读取或写入文件数据。

创建文件

创建文件的过程涉及以下步骤：

1. 寻找空闲目录项：在目标目录中找到一个空闲的目录项。
2. 分配簇：为文件分配一个或多个空闲簇。
3. 更新FAT表：在FAT表中记录簇链信息。
4. 填写目录项：在目录项中填写文件名、起始簇号、文件大小等信息。

创建文件示例代码：

// 查找空闲目录项
for (int i = 0; i < RootDirSectors; i++) {if (DirEntry[i].DIR_Name[0] == 0x00 || DirEntry[i].DIR_Name[0] == 0xE5) {// 找到空闲目录项break;}
}// 分配第一个簇
int firstCluster = find_free_cluster();// 更新FAT表
FAT[firstCluster] = 0xFFF;  // 文件结束簇// 填写目录项
DirEntry[i].DIR_Name = "NEWFILE  ";
DirEntry[i].DIR_Attr = ATTR_ARCHIVE;
DirEntry[i].DIR_FstClusLO = firstCluster & 0xFFFF;
DirEntry[i].DIR_FstClusHI = (firstCluster >> 16) & 0xFFFF;
DirEntry[i].DIR_FileSize = 0;

删除文件

删除文件的过程包括以下步骤：

1. 读取目录项：找到目标文件的目录项。
2. 释放簇链：在FAT表中释放文件占用的簇链。
3. 标记目录项为空闲：将目录项的第一个字节标记为0xE5，表示该目录项为空。

删除文件示例代码：

// 查找目标文件
for (int i = 0; i < RootDirSectors; i++) {if (strcmp(DirEntry[i].DIR_Name, "TARGET  ") == 0) {// 找到目标文件break;}
}// 释放簇链
int cluster = (DirEntry[i].DIR_FstClusHI << 16) | DirEntry[i].DIR_FstClusLO;
while (cluster != 0xFFF) {int nextCluster = FAT[cluster];FAT[cluster] = 0x0000;  // 标记为空闲cluster = nextCluster;
}// 标记目录项为空闲
DirEntry[i].DIR_Name[0] = 0xE5;

增加文件内容

增加文件内容时，需要以下步骤：

1. 找到文件的最后一个簇：读取FAT表，找到文件的最后一个簇。
2. 分配新簇：如果文件需要扩展，则分配新的空闲簇。
3. 更新FAT表：在FAT表中链接新的簇。
4. 写入数据：将新数据写入新的簇。

增加文件内容示例代码：

// 查找文件的最后一个簇
int cluster = (DirEntry[i].DIR_FstClusHI << 16) | DirEntry[i].DIR_FstClusLO;
while (FAT[cluster] != 0xFFF) {cluster = FAT[cluster];
}// 分配新簇
int newCluster = find_free_cluster();
FAT[cluster] = newCluster;
FAT[newCluster] = 0xFFF;  // 文件结束簇// 写入数据
write_to_cluster(newCluster, data, data_size);
DirEntry[i].DIR_FileSize += data_size;

减少文件内容

减少文件内容时，需要以下步骤：

1. 找到需要保留的最后一个簇：计算文件缩减后的大小，找到需要保留的最后一个簇。
2. 释放多余簇：在FAT表中释放多余的簇。
3. 更新目录项：更新文件大小信息。

减少文件内容示例代码：

// 计算缩减后的文件大小和需要保留的簇数
int new_size = DirEntry[i].DIR_FileSize - reduce_size;
int clusters_to_keep = (new_size + BPB_BytsPerSec * BPB_SecPerClus - 1) / (BPB_BytsPerSec * BPB_SecPerClus);// 找到需要保留的最后一个簇
int cluster = (DirEntry[i].DIR_FstClusHI << 16) | DirEntry[i].DIR_FstClusLO;
for (int j = 1; j < clusters_to_keep; j++) {cluster = FAT[cluster];
}// 释放多余的簇
int nextCluster = FAT[cluster];
FAT[cluster] = 0xFFF;  // 文件结束簇
while (nextCluster != 0xFFF) {int temp = FAT[nextCluster];FAT[nextCluster] = 0x0000;  // 标记为空闲nextCluster = temp;
}// 更新目录项
DirEntry[i].DIR_FileSize = new_size;

结语

FAT文件系统由于其简单性和兼容性，仍然在许多领域广泛应用。了解其内部结构和工作原理有助于更好地管理和维护存储设备，同时在需要时也可以进行数据恢复和故障排除。希望这篇博客能够帮助你更好地理解FAT文件系统的运作机制。