FAT文件系统存储原理

2 FAT16存储原理

当把一部分磁盘空间格式化为fat文件系统时，fat文件系统就将这个分区当成整块可分配的区域进行规划，以便于数据的存储。一般来讲，其划分形式如图7所示。我们把FAT16部分提取出来，详细描述一下：

FAT16是Microsoft较早推出的文件系统，具有高度兼容性，目前仍然广泛应用于个人电脑尤其是移动存储设备中，FAT16简单来讲由图4.3.11所示的6部分组成(主要是前5部分)。引导扇区(DBR)我们已经说过,FAT16在DBR之后没有留有任何保留扇区，其后紧随的便是FAT表。FAT表是FAT16用来记录磁盘数据区簇链结构的。像前面我们说过的例子一样，FAT将磁盘空间按一定数目的扇区为单位进行划分，这样的单位称为簇。通常情况下，每扇区512字节的原则是不变的。簇的大小一般是2ⁿ (n为整数)个扇区的大小，像512B,1K,2K,4K,8K,16K,32K，K。实际中通常不超过32K。之所以簇为单位而不以扇区为单位进行磁盘的分配，是因为当分区容量较大时，采用大小为512b的扇区管理会增加fat表的项数，对大文件存取增加消耗，文件系统效率不高。分区的大小和簇的取值是有关系的，见表9  

注意：少于32680个扇区的分区中，簇空间大小可最多达到每个簇8个扇区。不管用户是使用磁盘管理器来格式化分区，还是使用命令提示行键入format命令格式化，格式化程序都创建一个12位的FAT。少于16MB的分区，系统通常会将其格式化成12位的FAT，FAT12是FAT的初始实现形式，是针对小型介质的。FAT12文件分配表要比FAT16和FAT32的文件分配表小，因为它对每个条目使用的空间较少。这就给数据留下较多的空间。所有用FAT12格式化的5.25英寸软盘以及1.44MB的3.5英寸软盘都是由FAT12格式化的。除了FAT表中记录每簇链结的二进制位数与FAT16不同外，其余原理与FAT16均相同，不再单独解释。。。

FAT文件系统之所以有12，16，32不同的版本之分，其根本在于FAT表用来记录任意一簇链接的二进制位数。以FAT16为例，每一簇在FAT表中占据2字节(二进制16位)。所以，FAT16最大可以表示的簇号为0xFFFF(十进制的65535)，以32K为簇的大小的话，FAT32可以管理的最大磁盘空间为：32KB×65535=2048MB,这就是为什么FAT16不支持超过2GB分区的原因。

看一幅在winhex所截FAT16的文件分配表，图10：

如图，FAT表以"F8 FF FF FF" 开头，此2字节为介质描述单元，并不参与FAT表簇链关系。小红字标出的是FAT扇区每2字节对应的簇号。

第3簇中存放的数据是0x0005，这是一个文件或文件夹的首簇。其内容为第5簇，就是说接下来的簇位于第5簇——〉 FAT表指引我们到达FAT表的第5簇指向，上面写的数据是"FF FF",意即此文件已至尾簇。

第4簇中存放的数据是0x0006，这又是一个文件或文件夹的首簇。其内容为第6簇，就是说接下来的簇位于第6簇——〉FAT表指引我们到达FAT表的第6簇指向，上面写的数据是0x0007，就是说接下来的簇位于第7簇——〉FAT表指引我们到达FAT表的第7簇指向……直到根据FAT链读取到扇区相对偏移0x1A~0x1B，也就是第13簇，上面写的数据是0x000E，也就是指向第14簇——〉14簇的内容为"FF FF"，意即此文件已至尾簇。

后面的FAT表数据与上面的道理相同。不再分析。

FAT表记录了磁盘数据文件的存储链表，对于数据的读取而言是极其重要的，以至于Microsoft为其开发的FAT文件系统中的FAT表创建了一份备份，就是我们看到的FAT2。FAT2与FAT1的内容通常是即时同步的，也就是说如果通过正常的系统读写对FAT1做了更改，那么FAT2也同样被更新。如果从这个角度来看，系统的这个功能在数据恢复时是个天灾。

这32个字节的各字节偏移定义如表11：

对图10中的一些取值进行说明：

(2)、0xB的属性字段：可以看作系统将0xB的一个字节分成8位，用其中的一位代表某种属性的有或无。这样，一个字节中的8位每位取不同的值就能反映各个属性的不同取值了。如00000101就表示这是个文件，属性是只读、系统。

(3)、0xC~0x15在原FAT16的定义中是保留未用的。在高版本的WINDOWS系统中有时也用它来记录修改时间和最近访问时间。那样其字段的意义和FAT32的定义是相同的，见后边FAT32。

(4)、0x16~0x17中的时间=小时*2048+分钟*32+秒/2。得出的结果换算成16进制填入即可。也就是：0x16字节的0~4位是以2秒为单位的量值；0x16字节的5~7位和0x17字节的0~2位是分钟；0x17字节的3~7位是小时。

(5)、0x18~0x19中的日期=(年份-1980)*512+月份*32+日。得出的结果换算成16进制填入即可。也就是：0x18字节0~4位是日期数；0x18字节5~7位和0x19字节0位是月份；0x19字节的1~7位为年号，原定义中0~119分别代表1980~2099，目前高版本的Windows允许取0~127，即年号最大可以到2107年。

对于整个FAT分区而言，簇的分配并不完全总是分配干净的。如一个数据区为99个扇区的FAT系统，如果簇的大小设定为2扇区，就会有1个扇区无法分配给任何一个簇。这就是分区的剩余扇区，位于分区的末尾。有的系统用最后一个剩余扇区备份本分区的DBR，这也是一种好的备份方法。

早的FAT16系统并没有长文件名一说，Windows操作系统已经完全支持在FAT16上的长文件名了。FAT16的长文件名与FAT32长文件名的定义是相同的，关于长文件名，在FAT32部分再详细作解释。

3 FAT32存储原理：

FAT32是个非常有功劳的文件系统,Microsoft成功地设计并运用了它,直到今天NTFS铺天盖地袭来的时候,FAT32依然占据着Microsoft Windows文件系统中重要的地位.FAT32最早是出于FAT16不支持大分区、单位簇容量大以致空间急剧浪费等缺点设计的。实际应用中，FAT32还是成功的。

FAT32与FAT16的原理基本上是相同的，图4.3.12标出了FAT32分区的基本构成。

FAT32在格式化的过程中就根据分区的特点构建好了它的DBR，其中BPB参数是很重要的，可以回过头来看一下表4和表5。首先FAT32保留扇区的数目默认为32个，而不是FAT16的仅仅一个。这样的好处是有助于磁盘DBR指令的长度扩展，而且可以为DBR扇区留有备份空间。上面我们已经提到，构建在FAT32上的win98或win2000、winXP，其操作系统引导代码并非只占一个扇区了。留有多余的保留扇区就可以很好的拓展OS引导代码。在BPB中也记录了DBR扇区的备份扇区编号。备份扇区可以让我们在磁盘遭到意外破坏时恢复DBR。

FAT32的文件分配表的数据结构依然和FAT16相同，所不同的是，FAT32将记录簇链的二进制位数扩展到了32位，故而这种文件系统称为FAT32。32位二进制位的簇链决定了FAT表最大可以寻址2T个簇。这样即使簇的大小为1扇区，理论上仍然能够寻址1TB范围内的分区。但实际中FAT32是不能寻址这样大的空间的，随着分区空间大小的增加，FAT表的记录数会变得臃肿不堪，严重影响系统的性能。所以在实际中通常不格式化超过32GB的FAT32分区。WIN2000及之上的OS已经不直接支持对超过32GB的分区格式化成FAT32，但WIN98依然可以格式化大到127GB的FAT32分区，但这样没必要也不推荐。同时FAT32也有小的，FAT32卷必须至少有65527个簇，所以对于小的分区，仍然需要使用FAT16或FAT12。

分区变大时，如果簇很小，文件分配表也随之变大。仍然会有上面的效率问题存在。既要有效地读写大文件，又要最大可能的减少空间的浪费。FAT32同样规定了相应的分区空间对应的簇的大小，见表12：

簇的取值意义和FAT16类似，不过是位数长了点罢了，比较见表13：

说明：

当创建一个长文件名文件时，系统会自动加上对应的短文件名，其一般有的原则：

(1)、取长文件名的前6个字符加上"~1"形成短文件名，扩展名不变。

(2)、如果已存在这个文件名，则符号"~"后的数字递增，直到5。

(3)、如果文件名中"~"后面的数字达到5，则短文件名只使用长文件名的前两个字母。通过数学操纵长文件名的剩余字母生成短文件名的后四个字母，然后加后缀"~1"直到最后(如果有必要，或是其他数字以避免重复的文件名)。

(4)、如果存在老OS或程序无法读取的字符，换以"_"

假设文件名11个字符组成字符串shortname[],校验和用chknum表示。得到过程如下：

int i，j,chknum=0;

for (i=11; i>0; i--)

chksum = ((chksum & 1) ? 0x80 : 0) + (chksum >> 1) + shortname[j++];

如果通过短文件名计算出来的校验和与长文件名中的0xD偏移处数据不相等。系统无论如何都不会将它们配对的。