FATFS文件系统详解

在早期计算机刚发展的时候，那时候硬盘大小、flash设备容量都比较小，随着技术的不断迭代更新，硬盘容量越来越大。在早期，面对小容量的硬盘/flash，往往采用对应地址存放对应数据的方案，由于数据量不大，操作起来尚还可以。但是发展到今天，随着硬盘/flash容量不断增大，存储的数据也越来越多，早期单一的对应地址存放对应数据的方案已经无法满足我们的需求，操作硬盘/flash会变得异常的困难复杂。

因此针对上述问题，一群大佬们便开始设计文件系统这样一个东西，用来管理硬盘/flash上的数据信息，像我们电脑上打开文件夹，访问里面的文件，这其实就是基于文件系统访问电脑硬盘上数据的一个操作。

发展至今，文件系统已有众多版本，本文主要分享 关于FAT文件系统的详细设计， FAT文件系统适用于嵌入式设备，如SD卡、SD nand、spi nor flash等众多存储设备，同时基于此文件系统的文件亦能被电脑正常读取。

在研究文件系统之前，我们需要首先弄清楚关于内存这块的几个基本概念：

扇区（sector）：flash可操作的最小单元，通常指我们擦除的最小单元大小，以sd nand举例，通常最小为512Byte

块（block） 以及 簇（cluster）：其实这是两个相同的概念，只是由于历史原因，在不同系统上的不同称呼，在windows中称簇，而在linux中称块。一个簇/块由多个扇区组成，由于一个扇区的空间较小，因此文件系统通过会将多个扇区组合在一起形成一个簇，并以簇为单位进行读写操作！ 一个簇通常可以由 2、4、8、… 、2的n次方个扇区组成。

Fat文件系统官方文档：http://elm-chan.org/docs/fat_e.html

FAT文件系统在flash上的布局如下图所示，总共由四个区域组成：

接下来，我们对一张格式化为FAT格式的SD卡进行分析，理解FAT文件系统的实现细节：

此处由于SD nand（SD卡）大小原因，默认采用FAT16进行了格式化！因此在下文中我们先以FAT16进行分析，之后再重新格式化为FAT32进行分析，就很容易懂了！

注意，FAT文件系统数据均采用小端格式！

a) 首先是FAT12/16/32公共部分，（偏移值 0 - 35）：

b) 接下来是FAT12/16特有字段（偏移值36）

c) 如果是FAT32，则采用FAT32特有字段解析（偏移值和FAT12/16特有字段一致为36）

虽然此处我们的是FAT16格式，不过此处也将FAT的字段进行描述，方便理解。

以上就是引导扇区内容的详细分析了，通过引导扇区的内容，我们即可知道FAT文件系统依赖的硬件存储空间大小、簇大小、扇区大小以及以及FAT系统版本等重要信息。

同时通过引导扇区的内容，我们便可计算出对应的FAT的四个区域的大小及起始偏移位置等重要信息，接下来计算FAT四个分区的起始位置及大小。

FAT卷总共分为以下四个区域：

各分区偏移地址及大小如下：

此外，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：

关于FAT的类型是FAT12/16/32确认：FAT类型由数据区内簇的数量决定，除此之外无其他办法！

簇的数量计算公式：CountofClusters = DataSectors / BPB_SecPerClus; 如我们这里：CountofClusters = 242176 / 4 = 60544，所以为 FAT16！

当簇的大小从 512 ~ 32768字节的各种条件下，不同类型FAT对应卷的大小范围如下：

FAT区由一条条FAT条目构成，关于 FAT[N] 对应的条目具体位置计算如下：

格外需要注意的是，不同格式，对应的FAT条目的长度和格式不一样：

此外对于FAT32格式，高4位是保留位，只有低28位有效！

具体如下图所示：

那么文件和簇之间的相互关系又是怎样的呢？我们又是如何准确的找到存放在flash上的文件的呢？接下来让我们看下文件与簇之间的关系映射。

在FAT卷上文件通过目录管理，目录是一个32字节数组组成的目录条目结构，此目录结构包含：文件名、文件大小、时间戳以及文件所在的第一个簇号。

簇号为0和1的簇被保留，由参数BPB_RootClus可知，有效簇从第2号簇开始。FAT[2](2号簇)对应数据区的第一个簇。

因此第N个簇的位置计算公式如下： FirstSectorofCluster = DataStartSector + (N - 2) * BPB_SecPerClus

每个条目所在的位置，对应一个簇。当文件长度大于一个簇长度时，条目内的值为下一个条目的索引，直到文件所在的最后一个簇，由此构成簇链！文件所在的最有一个簇所对应的FAT条目内的值由一个特殊的值（EOC）组成，它永远不会匹配任何有效的簇号，如下：

存在一些特殊的值被用来做损坏簇的标记，如下：

不过此处需要注意，在FAT12/16系统上，上述特殊值绝不会和任何有效簇匹配，但是在FAT32上有可能，因此为了防止混淆，你在创建FAT32系统的时候应该避免这种情况发生！因此FAT32系统上簇的上限为268435445（大于256M个簇）

FAT条目初始化的时候，FAT[2] 及以后的数据应被初始化为0，指示未被使用处于空闲状态，如果值不为0，则意味着簇被损坏或被使用状态。在FAT12/16系统上，空闲簇的数量未被记录，而在FAT32系统上，FAT32支持FSInfo结构体，里面记录了空闲簇的数量。

关于FAT[0]和FAT[1]：

此两个保留的条目，没有与任何簇有联系；不过具有其他意义，如下：

FAT[0]中的?? 与 BPB_Media 相同；

FAT[1] 记录了错误历史记录：卷脏标志（FAT16：bit15、FAT32：bit31），系统在启动的时候清除此位，正常关闭的时候恢复。 如果此位已经清除，表明上次未被正常关闭，可能存在逻辑卷错误；硬件错误标志（FAT16：bit14、FAT32：bit30）当出现无法恢复的读写错误时清除，表明需要进行全面检查。

关于FAT区域，有两个重点注意事项：

下表展示了不同FAT类型中FAT值所对应的含义解释：

此部分内容只在FAT32系统上存在，对于FAT12系统FAT区域大小最大6KB，对于FAT16系统FAT区域最大128KB，但是在FAT32系统上FAT区域通常上达数MB，这是因为FAT32系统支持FSInfo数据结构。

在FAT32系统上新增FSInfo数据结构的原因是：在FAT12/16系统上，想要知道flash上剩余的簇数需要扫描整个FAT区才能计算出来，但随着flash容量的不断扩大，扫描花费的时长越来越长，为了避免扫描浪费过多的时间，因此在FAT32系统上增加了FSInfo结构，用于记录flash上剩余的簇数。

FSInfo数据结构如下：

注意：当扇区大小大于512字节时， 剩余空间采用0x00填充

FAT目录分为长文件名目录（LFN）以及短文件名目录（SFN），长文件目录是在短文件名目录上的一个扩展，具体采用长文件名还是短文件名由读取FAT文件系统的操作系统决定，如windows；设置长文件名时短文件名也被设置，具有兼容性。

此外，有一个很重要的概念：在FAT文件系统上目录也是一个文件，只是此文件的属性不一样而已。

在所有目录中，有一个比较特殊的是根目录，且根目录作为顶层目录必须存在。

在FAT12/16系统中，根目录不是一个文件，且放在根目录区，根目录的最大条目数由 BPB_RootEntCnt 参数指示；

在FAT32系统中，根目录与子目录没有什么区别，且根目录的起始簇由 BPB_RootClus 参数指示。

根目录与子目录的另外一个区别是，根目录不包含 . .. 此两个点目录，且它可以包含卷标（具有ATTR_VOLUME_ID属性的条目）

目录条目结构如下：

关于目录结构的第一个字段 DIR_Name 的第一个元素 DIR_Name[0] 在目录表中有着特殊作用，如下：

这么设计的意义是什么呢？将 DIR_Name[0] 用作特殊字符，其目录在于方便文件删除！当我们删除一个文件的时候，文件系统并不会将此文件所对应的数据全部删除，因为那样太费时间了，也没有必要，而是直接将对应文件的目录项中的 DIR_Name[0] 修改为 0xE5 即可！

关于文件名字段 DIR_Name，在FAT文件系统中还有如下规定：

以下为文件名存储示例：

长文件名是文件名的另外一种存储方式，由于SFN短文件名具有长度、字符等限制，在一些场景下不能很好的满足需求，因此就需要使用到长文件名，关于长文件名的具体内容如下：

长文件名是一个具有特殊属性的目录条目。长文件名目录属性 DIR_Attr 字段的值 ATTR_LONG_NAME = (ATTR_READ_ONLY | ATTR_HIDDEN | ATTR_SYSTEM | ATTR_VOLUME_ID) = 0x0F； 关于长文件名的目录属性如下：

关于长文件名，有以下几点重要概念：

下图是官方关于一个名为 “MultiMediaCard System Summary.pdf” 的长文件名在flash上的长文件名条目，如下所示，一眼没看明白也没关系，后文有实例说明，对长文件名有概念了就行！ 关于长文件名的checksum字段和计算，算法如下：