FAT32文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)

ID:185391 · 發(fā)表于 2017-4-1 15:54

對(duì)磁盤的物理結(jié)構(gòu)，邏輯結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)有了比較深入的了解后，我們來仔細(xì)探討FAT32文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)。說到文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)該馬上意識(shí)到，這指的是文件系統(tǒng)在同一個(gè)分區(qū)內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)，在這個(gè)話題上，我們完全可以不管分區(qū)之外的所有事情。
為了分析FAT32文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)，我們來建立一個(gè)實(shí)實(shí)在在的文件系統(tǒng)：將U盤插入電腦，將U盤格式化成FAT32分區(qū)格式：

以建好的U盤FAT32文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，下面從文件系統(tǒng)的各個(gè)組成來分別加以介紹。
分區(qū)引導(dǎo)扇區(qū)DBR
用winhex打開U盤顯示如下：

這是FAT32分區(qū)引導(dǎo)記錄，定義如下：
偏移00H: 3字節(jié)的跳轉(zhuǎn)指令  EB 58 90，跳過下面的BPB和擴(kuò)展BPB部分
偏移03H:8字節(jié)的硬盤分區(qū)類型文本字符名：4D 53 44 4F 53 35 2E 30 即： MSDOS5.0
偏移0BH: 25字節(jié)的分區(qū)參數(shù)塊(BPB)，細(xì)分如下：
偏移0BH：扇區(qū)字節(jié)數(shù)    00 02 即0X0200,512字節(jié)
偏移0DH：每簇扇區(qū)數(shù) 08即每簇包括8個(gè)扇區(qū)
偏移0EH：保留扇區(qū)數(shù) 24 00即保留36個(gè)扇區(qū)
偏移10H：FAT表份數(shù) 02即兩個(gè)FAT表
偏移11H：未用       00 00
偏移13H：未用       00 00
偏移15H：介質(zhì)類型  F8即本地硬盤
偏移16H：未用       00 00
偏移18H：每磁道扇區(qū)數(shù) 3F 00 即每磁道63扇區(qū)
偏移1AH：磁頭數(shù)    FF 00即255個(gè)磁頭
偏移1CH：隱藏扇區(qū)數(shù) 80 1F即8064個(gè)隱藏扇區(qū)
偏移20H：磁盤總扇區(qū)數(shù) 80 F0 77 00即總共7860352個(gè)扇區(qū)（7860352*512=4024500224，因?yàn)槲业腢盤是4G）
偏移24H:52字節(jié)的擴(kuò)展分區(qū)參數(shù)塊(擴(kuò)展BPB)，細(xì)分如下：
偏移24H：FAT表占用扇區(qū)數(shù)  EE 1D  00 00即FAT表占7662個(gè)扇區(qū)
偏移28H：未用  00 00 00 00
偏移2CH：根目錄入口簇號(hào) 02 00 00 00即根目錄從02號(hào)簇開始
偏移30H：文件系統(tǒng)信息扇區(qū)號(hào)  01 00即扇區(qū)1
偏移32H：備份引導(dǎo)扇區(qū)的位置 06 00即6號(hào)扇區(qū)(第7個(gè)扇區(qū))，從WINHEX中我們也可以看到，6號(hào)扇區(qū)的內(nèi)容和0號(hào)引導(dǎo)扇區(qū)內(nèi)容    是一樣的
偏移34H：未用       00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
偏移40H：物理磁盤號(hào)  00
偏移41H：未用  00
偏移42H：擴(kuò)展引導(dǎo)標(biāo)志 29即0X29
偏移43H：磁盤序列號(hào)F1 2A 27 04通常為一隨機(jī)數(shù)
偏移47H：卷標(biāo)ASCII 4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20 即NO NAME
偏移52H：文件系統(tǒng)格式ASCII  46 41 54 33 32 20 20 20即FAT32
偏移5AH:分區(qū)引導(dǎo)代碼 420字節(jié)：
                  33C98ED1BCF47B8EC18ED9BD007C884E028A5640B408CD137305B9FFFF8AF166
                  0FB6C640660FB6D180E23FF7E286CDC0ED0641660FB7C966F7E1668946F8837E1
                  6007538837E2A007732668B461C6683C00CBB0080B90100E82B00E94803A0FA7DB
                  47D8BF0AC84C074173CFF7409B40EBB0700CD10EBEEA0FB7DEBE5A0F97DEBE0
                  98CD16CD196660663B46F80F824A00666A0066500653666810000100807E02000F8
                  52000B441BBAA558A5640CD130F821C0081FB55AA0F851400F6C1010F840D00FE4
                  602B4428A56408BF4CD13B0F96658665866586658EB2A6633D2660FB74E1866F7F1
                  FEC28ACA668BD066C1EA10F7761A86D68A56408AE8C0E4060ACCB80102CD13666
                  10F8254FF81C300026640490F8571FFC34E544C445220202020202000000000000000
                  00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
                  00000000000000D0A52656D6F7665206469736B73206F72206F74686572206D656469
                  612EFF0D0A4469736B206572726F72FF0D0A507265737320616E79206B657920746F2
                  0726573746172740D0A0000000000ACCBD80000
偏移1FEH:有效扇區(qū)結(jié)束標(biāo)志 55 AA
到此分區(qū)引導(dǎo)扇區(qū)介紹結(jié)束。
文件分配表FAT
簡(jiǎn)介：
   FAT表(文件分配表)，是FAT文件系統(tǒng)中用于磁盤數(shù)據(jù)索引和定位而引進(jìn)的一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。在FAT文件系統(tǒng)中，文件的存儲(chǔ)依照FAT表制定的簇鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。同時(shí)，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)將組織數(shù)據(jù)時(shí)使用的目錄也抽象為文件，以簡(jiǎn)化對(duì)數(shù)據(jù)的管理。
FAT1表位置的定位：
   在我們前面介紹分區(qū)引導(dǎo)記錄的時(shí)候提到,在偏移0EH處存儲(chǔ)了保留扇區(qū)的個(gè)數(shù)，這個(gè)保留扇區(qū)數(shù)指的就是當(dāng)前分區(qū)內(nèi)DBR到FAT表之間的所有扇區(qū)的個(gè)數(shù)（包括DBR但不包括FAT表）。因此，我們可以定位FAT表所在的起始偏移位置了，即24H*200H=4800H。我們貼出4800H處得部分內(nèi)容如下：

顯然沒有錯(cuò)，這就是我們FAT1所存儲(chǔ)的位置，只是當(dāng)前沒有存儲(chǔ)文件，所以FAT比較簡(jiǎn)單罷了。
FAT2表位置的定位：
在我們前面介紹分區(qū)引導(dǎo)記錄的時(shí)候提到,在偏移24H處存儲(chǔ)了FAT表所占用的扇區(qū)個(gè)數(shù)，我們又知道FAT2是緊鄰FAT1的，所以可以很容易得到FAT2的存儲(chǔ)位置的偏移地址：FAT1的起始偏移地址+FAT1的大小=4800H+1DEEH*200H=3C2400H,我們貼出3C2400H處的部分內(nèi)容如下：

   顯然沒有錯(cuò)，這就是我們FAT2所存儲(chǔ)的位置，內(nèi)容與FAT1相同。
FAT表的特性：
   FAT表由一系列大小相等的FAT表項(xiàng)組成，它有如下特性：
   FAT32中每個(gè)簇的簇地址，使用32bit(4個(gè)字節(jié))記錄在FAT表中。FAT表中的所有字節(jié)位置以4個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行劃分，并對(duì)所有劃分后的位置由0進(jìn)行地址編號(hào)。0 號(hào)地址與1號(hào)地址被系統(tǒng)保留并存儲(chǔ)特殊標(biāo)志內(nèi)容。從2號(hào)地址開始，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)區(qū)的簇號(hào)，F(xiàn)AT表中的地址編號(hào)與數(shù)據(jù)區(qū)中的簇號(hào)相同。我們稱FAT中的這些地址為FAT表項(xiàng)，F(xiàn)AT表項(xiàng)中記錄的值稱為FAT表項(xiàng)值。
   當(dāng)文件系統(tǒng)被創(chuàng)建，也就是進(jìn)行格式化操作時(shí)，分配給FAT區(qū)域的空間將會(huì)被清空，在FAT1與FAT2的0號(hào)表項(xiàng)與1號(hào)表項(xiàng)寫入特定值。由于創(chuàng)建文件系統(tǒng)的同時(shí)也會(huì)創(chuàng)建根目錄，也就是為根目錄分配了一個(gè)簇空間，通常為2號(hào)簇，所以2號(hào)簇所對(duì)應(yīng)的2號(hào)FAT表項(xiàng)也會(huì)被寫入一個(gè)結(jié)束標(biāo)記。
   如果某個(gè)簇未被分配使用，它所對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)內(nèi)的FAT表項(xiàng)值即用0進(jìn)行填充，表示該FAT表項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的簇未分配使用。
   當(dāng)某個(gè)簇已被分配使用時(shí)，則它對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)值也就是該文件的下一個(gè)存儲(chǔ)位置的簇號(hào)。如果該文件結(jié)束于該簇，則在它的FAT表項(xiàng)中記錄的是一個(gè)文件結(jié)束標(biāo)記，對(duì)于FAT32而言，代表文件結(jié)束的FAT表項(xiàng)值為0x0FFFFFFF。
   如果某個(gè)簇存在壞扇區(qū)，則整個(gè)簇會(huì)用FAT表項(xiàng)值0x0FFFFFF7標(biāo)記為壞簇，不再使用，這個(gè)壞簇標(biāo)記就記錄在它所對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)中。
   由于簇號(hào)起始于2，所以FAT表的0號(hào)表項(xiàng)與1號(hào)表項(xiàng)不與任何簇對(duì)應(yīng)。FAT32的0號(hào)表項(xiàng)值總是“F8FFFF0F”。1號(hào)表項(xiàng)可能被用于記錄臟標(biāo)志，以說明文件系統(tǒng)沒有被正常卸載或者磁盤表面存在錯(cuò)誤。不過此值似乎并不重要，因此我們只要了解就可以。正常情況下，1號(hào)表項(xiàng)值為“FFFFFFFF”或“FFFFFF0F"。
   在文件系統(tǒng)中新建文件時(shí)，如果新建的文件只占用一個(gè)簇，為其分配的簇所對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)將會(huì)被寫入結(jié)束標(biāo)記。如果新建的文件不只占用一個(gè)簇，則在其所占用的每個(gè)簇對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)中寫入為其分配的下一簇的簇號(hào)，在最后一個(gè)簇對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)中寫入結(jié)束標(biāo)記。
   新建目錄時(shí)，只為其分配一個(gè)簇的空間，對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)中寫入結(jié)束標(biāo)記。當(dāng)目錄增大超出一個(gè)簇的大小時(shí)，將會(huì)在空閑空間中繼續(xù)為其分配一個(gè)簇，并在FAT表中為其建立FAT表鏈以描述它所占用的簇情況。
   對(duì)文件或目錄進(jìn)行刪除操作時(shí)，它們所對(duì)應(yīng)的FAT表項(xiàng)將會(huì)被清空，設(shè)置為0以表示其所對(duì)應(yīng)的簇處于未分配狀態(tài)。
根目錄區(qū)
簡(jiǎn)介：
   在FAT32文件系統(tǒng)中，根目錄的位置不再硬性地固定，可以存儲(chǔ)在分區(qū)內(nèi)可尋址的任意簇內(nèi)，不過通常根目錄是最早建立的(格式化就生成了)目錄表。所以，我們看到的情況基本上都是根目錄首簇緊鄰FAT2，占簇區(qū)順序上的第1個(gè)簇（即2號(hào)簇）。同時(shí)，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)將根目錄當(dāng)做普通的數(shù)據(jù)文件來看，所有沒有了目錄項(xiàng)數(shù)的限制，在需要的時(shí)候可以分配空簇，存儲(chǔ)更多的目錄項(xiàng)。
起始偏移地址定位：
   根目錄起始扇區(qū)=保留扇區(qū)數(shù)+FAT×2+(起始簇-2)x每簇的扇區(qū)數(shù)，在我們前面介紹分區(qū)引導(dǎo)記錄的時(shí)候提到,偏移2CH處保存了根目錄起始簇號(hào)是2，所以求得根目錄起始扇區(qū)是24H+1DEEH*2H+(2-2)*8H=3C00H,即求得偏移地址3C00H*200H=780000H,我們貼出780000H處的部分內(nèi)容如下：

目錄區(qū)的一個(gè)目錄項(xiàng)占用32個(gè)字節(jié)，可以是長(zhǎng)文件名目錄項(xiàng)、文件目錄項(xiàng)、子目錄項(xiàng)等。
短文件名格式的目錄項(xiàng)
對(duì)于短文件名格式的目錄項(xiàng)。其參數(shù)意義如下：

根據(jù)參數(shù)定義，我們來分析一下上圖的目錄項(xiàng) 54 45 53 54 5F 46 41 54 33 32 20 08 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 19 95 10 3F 00 00 00 00 00 00。其中起始11字節(jié)54 45 53 54 5F 46 41 54 33 32 20 是卷標(biāo)TEST_FAT32；第12字節(jié)08指示當(dāng)前目錄項(xiàng)保存的是卷標(biāo)；第23-24字節(jié)19 95即9519H,是最近修改時(shí)間：19點(diǎn)40分50秒；第25-26字節(jié)10 3F即3F10H,是最近修改日期：2011年8月16日；
                                             長(zhǎng)文件名格式的目錄項(xiàng)
FAT32的一個(gè)重要的特點(diǎn)是完全支持長(zhǎng)文件名。長(zhǎng)文件名依然是記錄在目錄項(xiàng)中的。為了低版本的OS或程序能正確讀取長(zhǎng)文件名文件，系統(tǒng)自動(dòng)為所有長(zhǎng)文件名文件創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)應(yīng)的短文件名，使對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)既可以用長(zhǎng)文件名尋址，也可以用短文件名尋址。不支持長(zhǎng)文件名的OS或程序會(huì)忽略它認(rèn)為不合法的長(zhǎng)文件名字段，而支持長(zhǎng)文件名的OS或程序則會(huì)以長(zhǎng)文件名為顯式項(xiàng)來記錄和編輯，并隱藏起短文件名。
當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)文件名文件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加上對(duì)應(yīng)的短文件名，其原則如下：
   (1)、取長(zhǎng)文件名的前6個(gè)字符加上"~1"形成短文件名，擴(kuò)展名不變。
   (2)、如果已存在這個(gè)文件名，則符號(hào)"~"后的數(shù)字遞增，直到5。
長(zhǎng)文件名的實(shí)現(xiàn)有賴于目錄項(xiàng)第12字節(jié)屬性字節(jié)，當(dāng)此字節(jié)的值為0FH時(shí)，支持長(zhǎng)文件名的系統(tǒng)會(huì)將其當(dāng)做長(zhǎng)文件名的依據(jù)，而只支持短文件名的系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為是異常而忽略掉。系統(tǒng)將長(zhǎng)文件名以13個(gè)字符為單位進(jìn)行切割，每一組占據(jù)一個(gè)目錄項(xiàng)。所以可能一個(gè)文件需要多個(gè)目錄項(xiàng)，這時(shí)長(zhǎng)文件名的各個(gè)目錄項(xiàng)按倒序排列在目錄表中，以防與其他文件名混淆。
長(zhǎng)文件名中的字符采用unicode形式編碼，每個(gè)字符占據(jù)2字節(jié)的空間。其目錄項(xiàng)定義如:

下面是我建立的長(zhǎng)文件名文件夾abcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890的目錄項(xiàng)：

前面已經(jīng)基于一個(gè)格式化的空U盤分析了一下FAT32文件系統(tǒng)存儲(chǔ)的組織結(jié)構(gòu)，下面我們從文件操作的角度來分析一下文件系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制。由于換了個(gè)U盤，所以仍然貼出剛格式化的空U盤的幾個(gè)重要的數(shù)據(jù)區(qū)如下：

  我們可以看出，在分區(qū)格式化的時(shí)候，系統(tǒng)將卷標(biāo)TEST_FAT32存儲(chǔ)在2號(hào)簇，即跟目錄區(qū)，如上面根目錄貼圖所示。同時(shí)，在FDT區(qū)2號(hào)簇標(biāo)記位置寫入了文件結(jié)束符FF FF FF 0F。顯然，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)將目錄當(dāng)做普通文件來處理的。
  下面我們?cè)诟夸浵滦陆ㄒ粋€(gè)文件夾TEST1，看會(huì)有什么變化：
  建立了TEST1文件夾后，F(xiàn)DT變成如下：

根目錄變成如下：

重新分配了3號(hào)簇：

  從上面的變化可以直觀的看出，系統(tǒng)在新建文件夾時(shí)完成了如下動(dòng)作：
   a.在父目錄所在簇上建立新的目錄項(xiàng)，存儲(chǔ)當(dāng)前所建文件夾信息。
   b.分配一個(gè)新簇，給新建的文件夾建立兩個(gè)目錄項(xiàng):父目錄和當(dāng)前目錄。
   c.在FDT表中新分配的簇對(duì)應(yīng)的位置上寫下文件結(jié)束符。
   d.建立各部分的鏈路關(guān)系：新建文件夾所對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)的文件起始簇號(hào)字段寫上新分配簇的簇號(hào)，新簇上的兩個(gè)目錄項(xiàng)的文件起始簇號(hào)字段分配寫上父目錄所在簇號(hào)（此處是0，本來我以為是2，即根目錄所在簇，不知道為什么，可能特地用0指示根目錄吧）和當(dāng)前簇號(hào)（此處是3）。
  為了驗(yàn)證我們上面分析的正確性，我們?cè)僭赥EST1文件夾下建立新文件夾TEST11，看是否做了如下操作：
      a.在父目錄(即TEST1)所在簇(即3號(hào)簇)上建立新的目錄項(xiàng)，存儲(chǔ)TEST11文件夾信息。
   b.分配一個(gè)新簇(應(yīng)該是4號(hào)簇)，給新建的文件夾(即TEST11)建立兩個(gè)目錄項(xiàng):父目錄和當(dāng)前目錄。
   c.在FDT表中新分配的簇(應(yīng)該是4號(hào)簇)對(duì)應(yīng)的位置上寫下文件結(jié)束符。
   d.建立各部分的鏈路關(guān)系：新建文件夾(即TEST11)所對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)的文件起始簇號(hào)字段寫上新分配簇的簇號(hào)(應(yīng)該是4號(hào)簇)，，新簇上的兩個(gè)目錄項(xiàng)的文件起始簇號(hào)字段分配寫上父目錄所在簇號(hào)(3號(hào)簇)和當(dāng)前簇號(hào)(應(yīng)該是4號(hào)簇)。
  新建TEST11文件夾后FDT變成：

根目錄沒有變化：

3號(hào)簇變成：

新分配4號(hào)簇：

  顯然我們的估計(jì)沒有錯(cuò)的，也進(jìn)一步證明我們前面的分析是正確的。
  下面我們?cè)俜治鼋⑽募那闆r
  我們先建立一個(gè)100字節(jié)的文件TEST.TXT,然后把這個(gè)文件拷貝到U盤的根目錄下，F(xiàn)DT變成如下：

根目錄變成：

新分配5號(hào)簇保存文件內(nèi)容：

  從上面的變化可以直觀的看出，系統(tǒng)新建文件和新建文件夾所完成的操作是一樣一樣的：
   a.在父目錄所在簇上建立新的目錄項(xiàng)，存儲(chǔ)當(dāng)前所建文件信息。
   b.分配一個(gè)新簇，存儲(chǔ)新建的文件的內(nèi)容。
   c.在FDT表中新分配的簇對(duì)應(yīng)的位置上寫下文件結(jié)束符。
   d.建立鏈路關(guān)系：新建文件所對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)的文件起始簇號(hào)字段寫上新分配簇的簇號(hào)。
  結(jié)束總結(jié)：
      1.在FAT32文件系統(tǒng)中，目錄和文件的存儲(chǔ)采用統(tǒng)一的方式。
      2.文件系統(tǒng)的操作的單位是簇，每新建立一個(gè)文件或文件夾，至少會(huì)重新分配一個(gè)簇號(hào)。
      3.如果一個(gè)文件或目錄的內(nèi)容要多個(gè)簇才能存儲(chǔ)得下，則系統(tǒng)會(huì)分配多個(gè)簇來存儲(chǔ)文件或目錄的內(nèi)容
      4.當(dāng)需要多個(gè)簇時(shí)，這些簇可能連續(xù)也可能不連續(xù)，但無論是連續(xù)或是不連續(xù)，系統(tǒng)都是采用FDT鏈表的形式來組織的。

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密碼			立即注冊(cè)

FAT32文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)

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