FAT文件系统原理.docx

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FAT文件系统原理

FAT文件系统原理

一、硬盘的物理结构：

硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。

硬盘由一个或几个表面镀有磁性物质的金属或玻璃等物质盘片以及盘片两面所安装的磁头和相应的控制电路组成（图1），其中盘片和磁头密封在无尘的金属壳中。

硬盘工作时，盘片以设计转速高速旋转，设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读取出来。

当系统向硬盘写入数据时，磁头中“写数据”电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变，并在写电流磁场消失后仍能保持，这样数据就存储下来了；当系统从硬盘中读数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化，经相关电路处理后还原成数据。

因此只要能将盘片表面处理得更平滑、磁头设计得更精密以及尽量提高盘片旋转速度，就能造出容量更大、读写数据速度更快的硬盘。

这是因为盘片表面处理越平、转速越快就能越使磁头离盘片表面越近，提高读、写灵敏度和速度；磁头设计越小越精密就能使磁头在盘片上占用空间越小，使磁头在一张盘片上建立更多的磁道以存储更多的数据。

二、硬盘的逻辑结构。

硬盘由很多盘片（platter）组成，每个盘片的每个面都有一个读写磁头。

如果有N个盘片。

就有2N个面，对应2N个磁头（Heads），从0、1、2开始编号。

每个盘片被划分成若干个同心圆磁道（逻辑上的，是不可见的。

）每个盘片的划分规则通常是一样的。

这样每个盘片的半径均为固定值R的同心圆再逻辑上形成了一个以电机主轴为轴的柱面（Cylinders），从外至里编号为0、1、2……每个盘片上的每个磁道又被划分为几十个扇区（Sector），通常的容量是512byte，并按照一定规则编号为1、2、3……形成Cylinders×Heads×Sector个扇区。

这三个参数即是硬盘的物理参数。

我们下面的很多实践需要深刻理解这三个参数的意义。

三、磁盘引导原理。

3.1MBR（MasterBootRecord）扇区：

计算机在按下power键以后，开始执行主板bios程序。

进行完一系列检测和配置以后。

开始按bios中设定的系统引导顺序引导系统。

假定现在是硬盘。

Bios执行完自己的程序后如何把执行权交给硬盘呢。

交给硬盘后又执行存储在哪里的程序呢。

其实，称为mbr的一段代码起着举足轻重的作用。

MBR（masterbootrecord）,即主引导记录，有时也称主引导扇区。

位于整个硬盘的0柱面0磁头1扇区（可以看作是硬盘的第一个扇区），bios在执行自己固有的程序以后就会jump到mbr中的第一条指令。

将系统的控制权交由mbr来执行。

在总共512byte的主引导记录中，MBR的引导程序占了其中的前446个字节（偏移0H~偏移1BDH），随后的64个字节（偏移1BEH~偏移1FDH）为DPT（DiskPartitionTable，硬盘分区表），最后的两个字节“55AA”（偏移1FEH~偏移1FFH）是分区有效结束标志。

MBR不随操作系统的不同而不同，意即不同的操作系统可能会存在相同的MBR，即使不同，MBR也不会夹带操作系统的性质。

具有公共引导的特性。

我们来分析一段mbr。

下面是用winhex查看的一块希捷120GB硬盘的mbr。

你的硬盘的MBR引导代码可能并非这样。

不过即使不同，所执行的功能大体是一样的。

我们看DPT部分。

操作系统为了便于用户对磁盘的管理。

加入了磁盘分区的概念。

即将一块磁盘逻辑划分为几块。

磁盘分区数目的多少只受限于C～Z的英文字母的数目，在上图DPT共64个字节中如何表示多个分区的属性呢?

microsoft通过链接的方法解决了这个问题。

在DPT共64个字节中，以16个字节为分区表项单位描述一个分区的属性。

也就是说，第一个分区表项描述一个分区的属性，一般为基本分区。

第二个分区表项描述除基本分区外的其余空间，一般而言，就是我们所说的扩展分区。

这部分的大体说明见表1。

表1图2分区表第一字段

字节位移字段长度值字段名和定义

0x01BEBYTE0x80引导指示符（BootIndicator）指明该分区是否是活动分区。

0x01BFBYTE0x01开始磁头（StartingHead）

0x01C06位0x01开始扇区（StartingSector）只用了0~5位。

后面的两位（第6位和第7位）被开始柱面字段所使用

0x01C110位0x00开始柱面（StartingCylinder）除了开始扇区字段的最后两位外，还使用了1位来组成该柱面值。

开始柱面是一个10位数，最大值为1023

0x01C2BYTE0x07系统ID（SystemID）定义了分区的类型，详细定义，请参阅图4

0x01C3BYTE0xFE结束磁头（EndingHead）

0x01C46位0xFF结束扇区（EndingSector）只使用了0~5位。

最后两位（第6、7位）被结束柱面字段所使用

0x01C510位0x7B结束柱面（EndingCylinder）除了结束扇区字段最后的两位外，还使用了1位，以组成该柱面值。

结束柱面是一个10位的数，最大值为1023

0x01C6DWORD0x0000003F相对扇区数（RelativeSectors）从该磁盘的开始到该分区的开始的位移量，以扇区来计算

0x01CADWORD0x00DAA83D总扇区数（TotalSectors）该分区中的扇区总数

注：

上表中的超过1字节的数据都以实际数据显示，就是按高位到地位的方式显示。

存储时是按低位到高位存储的。

两者表现不同，请仔细看清楚。

以后出现的表，图均同。

也可以在winhex中看到这些参数的意义：

说明：

每个分区表项占用16个字节，假定偏移地址从0开始。

如图3的分区表项3。

分区表项4同分区表项3。

1、0H偏移为活动分区是否标志，只能选00H和80H。

80H为活动，00H为非活动。

其余值对microsoft而言为非法值。

2、重新说明一下（这个非常重要）：

大于1个字节的数被以低字节在前的存储格式格式（littleendianformat）或称反字节顺序保存下来。

低字节在前的格式是一种保存数的方法，这样，最低位的字节最先出现在十六进制数符号中。

例如，相对扇区数字段的值0x3F000000的低字节在前表示为0x0000003F。

这个低字节在前的格式数的十进制数为63。

3、系统在分区时，各分区都不允许跨柱面，即均以柱面为单位，这就是通常所说的分区粒度。

有时候我们分区是输入分区的大小为7000M，分出来却是6997M，就是这个原因。

偏移2H和偏移6H的扇区和柱面参数中,扇区占6位（bit），柱面占10位（bit），以偏移6H为例，其低6位用作扇区数的二进制表示。

其高两位做柱面数10位中的高两位，偏移7H组成的8位做柱面数10位中的低8位。

由此可知，实际上用这种方式表示的分区容量是有限的，柱面和磁头从0开始编号,扇区从1开始编号,所以最多只能表示1024个柱面×63个扇区×256个磁头×512byte=8455716864byte。

即通常的8.4GB（实际上应该是7.8GB左右）限制。

实际上磁头数通常只用到255个（由汇编语言的寻址寄存器决定）,即使把这3个字节按线性寻址，依然力不从心。

在后来的操作系统中，超过8.4GB的分区其实已经不通过C/H/S的方式寻址了。

而是通过偏移CH～偏移FH共4个字节32位线性扇区地址来表示分区所占用的扇区总数。

可知通过4个字节可以表示2^32个扇区，即2TB=2048GB，目前对于大多数计算机而言，这已经是个天文数字了。

在未超过8.4GB的分区上，C/H/S的表示方法和线性扇区的表示方法所表示的分区大小是一致的。

也就是说，两种表示方法是协调的。

即使不协调，也以线性寻址为准。

（可能在某些系统中会提示出错）。

超过8.4GB的分区结束C/H/S一般填充为FEHFFHFFH。

即C/H/S所能表示的最大值。

有时候也会用柱面对1024的模来填充。

不过这几个字节是什么其实都无关紧要了。

虽然现在的系统均采用线性寻址的方式来处理分区的大小。

但不可跨柱面的原则依然没变。

本分区的扇区总数加上与前一分区之间的保留扇区数目依然必须是柱面容量的整数倍。

（保留扇区中的第一个扇区就是存放分区表的MBR或虚拟MBR的扇区，分区的扇区总数在线性表示方式上是不计入保留扇区的。

如果是第一个分区，保留扇区是本分区前的所有扇区。

3.2扩展分区：

扩展分区中的每个逻辑驱动器都存在一个类似于MBR的扩展引导记录（ExtendedBootRecord,EBR），也有人称之为虚拟mbr或扩展mbr，意思是一样的。

扩展引导记录包括一个扩展分区表和该扇区的标签。

扩展引导记录将记录只包含扩展分区中每个逻辑驱动器的第一个柱面的第一面的信息。

一个逻辑驱动器中的引导扇区一般位于相对扇区32或63。

但是，如果磁盘上没有扩展分区，那么就不会有扩展引导记录和逻辑驱动器。

第一个逻辑驱动器的扩展分区表中的第一项指向它自身的引导扇区。

第二项指向下一个逻辑驱动器的EBR。

如果不存在进一步的逻辑驱动器，第二项就不会使用，而且被记录成一系列零。

如果有附加的逻辑驱动器，那么第二个逻辑驱动器的扩展分区表的第一项会指向它本身的引导扇区。

第二个逻辑驱动器的扩展分区表的第二项指向下一个逻辑驱动器的EBR。

扩展分区表的第三项和第四项永远都不会被使用。

通过一幅4分区的磁盘结构图可以看到磁盘的大致组织形式。

如图5：

关于扩展分区，如图6所示，扩展分区中逻辑驱动器的扩展引导记录是一个连接表。

该图显示了一个扩展分区上的三个逻辑驱动器，说明了前面的逻辑驱动器和最后一个逻辑驱动器之间在扩展分区表中的差异。

除了扩展分区上最后一个逻辑驱动器外，表2中所描述的扩展分区表的格式在每个逻辑驱动器中都是重复的：

第一个项标识了逻辑驱动器本身的引导扇区，第二个项标识了下一个逻辑驱动器的EBR。

最后一个逻辑驱动器的扩展分区表只会列出它本身的分区项。

最后一个扩展分区表的第二个项到第四个项被使用。

表2扩展分区表项的内容

扩展分区表项分区表项的内容

第一个项包括数据的开始地址在内的与扩展分区中当前逻辑驱动器有关的信息

第二个项有关扩展分区中的下一个逻辑驱动器的信息，包括包含下一个逻辑驱动器的EBR的扇区的地址。

如果不存在进一步的逻辑驱动器的话，该字段不会被使用

第三个项未用

第四个项未用

扩展分区表项中的相对扇区数字段所显示的是从扩展分区开始到逻辑驱动器中第一个扇区的位移的字节数。

总扇区数字段中的数是指组成该逻辑驱动器的扇区数目。

总扇区数字段的值等于从扩展分区表项所定义的引导扇区到逻辑驱动器末尾的扇区数。

有时候在磁盘的末尾会有剩余空间，剩余空间是什么呢？

我们前面说到，分区是以1柱面的容量为分区粒度的，那么如果磁盘总空间不是整数个柱面的话，不够一个柱面的剩下的空间就是剩余空间了，这部分空间并不参与分区，所以一般无法利用。

照道理说，磁盘的物理模式决定了磁盘的总容量就应该是整数个柱面的容量，为什么会有不够一个柱面的空间呢。

在我的理解看来，本来现在的磁盘为了更大的利用空间，一般在物理上并不是按照外围的扇区大于里圈的扇区这种管理方式，只是为了与操作系统兼容而抽象出来CHS。

可能其实际空间容量不一定正好为整数个柱面的容量吧。

四、FAT分区原理。

先来一幅结构图：

现在我们着重研究FAT格式分区内数据是如何存储的。

FAT分区格式是MICROSOFT最早支持的分区格式，依据FAT表中每个簇链的所占位数（有关概念，后面会讲到）分为fat12、fat16、fat32三种格式"变种"，但其基本存储方式是相似的。

仔细研究图7中的fat16和fat32分区的组成结构。

下面依次解释DBR、FAT1、FAT2、根目录、数据区、剩余扇区的概念。

提到的地址如无特别提示均为分区内部偏移。

4.1关于DBR.

DBR区（DOSBOOTRECORD）即操作系统引导记录区的意思，通常占用分区的第0扇区共512个字节（特殊情况也要占用其它保留扇区，我们先说第0扇）。

在这512个字节中，其实又是由跳转指令，厂商标志和操作系统版本号，BPB（BIOSParameterBlock），扩展BPB，os引导程序，结束标志几部分组成。

以用的最多的FAT32为例说明分区DBR各字节的含义。

见图8。

图8的对应解释见表3

表3FAT32分区上DBR中各部分的位置划分

字节位移字段长度字段名对应图8颜色

0x003个字节跳转指令　

0x038个字节厂商标志和os版本号　

0x0B53个字节BPB　

0x4026个字节扩展BPB　

0x5A420个字节引导程序代码　

0x01FE2个字节有效结束标志

图9给出了winhex对图8DBR的相关参数解释：

根据上边图例，我们来讨论DBR各字节的参数意义。

MBR将CPU执行转移给引导扇区，因此，引导扇区的前三个字节必须是合法的可执行的基于x86的CPU指令。

这通常是一条跳转指令，该指令负责跳过接下来的几个不可执行的字节（BPB和扩展BPB），跳到操作系统引导代码部分。

跳转指令之后是8字节长的OEMID，它是一个字符串，OEMID标识了格式化该分区的操作系统的名称和版本号。

为了保留与MS-DOS的兼容性，通常Windows2000格式化该盘是在FAT16和FAT32磁盘上的该字段中记录了“MSDOS5.0”，在NTFS磁盘上（关于ntfs，另述），Windows2000记录的是“NTFS”。

通常在被Windows95格式化的磁盘上OEMID字段出现“MSWIN4.0”，在被Windows95OSR2和Windows98格式化的磁盘上OEMID字段出现“MSWIN4.1”。

接下来的从偏移0x0B开始的是一段描述能够使可执行引导代码找到相关参数的信息。

通常称之为BPB（BIOSParameterBlock），BPB一般开始于相同的位移量，因此，标准的参数都处于一个已知的位置。

磁盘容量和几何结构变量都被封在BPB之中。

由于引导扇区的第一部分是一个x86跳转指令。

因此，将来通过在BPB末端附加新的信息，可以对BPB进行扩展。

只需要对该跳转指令作一个小的调整就可以适应BPB的变化。

图9已经列出了项目的名称和取值，为了系统的研究，针对图8，将FAT32分区格式的BPB含义和扩展BPB含义释义为表格，见表4和表5。

表4FAT32分区的BPB字段

字节位移字段长度（字节）图8对应取值名称和定义

0x0B20x0200扇区字节数（BytesPerSector）硬件扇区的大小。

本字段合法的十进制值有512、1024、2048和4096。

对大多数磁盘来说，本字段的值为5120x0D10x08每簇扇区数（SectorsPerCluster）,一簇中的扇区数。

由于FAT32文件系统只能跟踪有限个簇（最多为4294967296个），因此，通过增加每簇扇区数，可以使FAT32文件系统支持最大分区数。

一个分区缺省的簇大小取决于该分区的大小。

本字段的合法十进制值有1、2、4、8、16、32、64和128。

Windows2000的FAT32实现只能创建最大为32GB的分区。

但是，Windows2000能够访问由其他操作系统（Windows95、OSR2及其以后的版本）所创建的更大的分区0x0e20x0020保留扇区数（ReservedSector）第一个FAT开始之前的扇区数，包括引导扇区。

本字段的十进制值一般为320x1010x02FAT数（NumberofFAT）该分区上FAT的副本数。

本字段的值一般为2

0x1120x0000根目录项数（RootEntries）只有FAT12/FAT16使用此字段。

对FAT32分区而言,本字段必须设置为00x1320x0000小扇区数（SmallSector）（只有FAT12/FAT16使用此字段）对FAT32分区而言，本字段必须设置为0

0x1510xF8媒体描述符（MediaDescriptor）提供有关媒体被使用的信息。

值0xF8表示硬盘，0xF0表示高密度的3.5寸软盘。

媒体描述符要用于MS-DOSFAT16磁盘，在Windows2000中未被使用0x1620x0000每FAT扇区数（SectorsPerFAT）只被FAT12/FAT16所使用,对FAT32分区而言，本字段必须设置为00x1820x003F每道扇区数（SectorsPerTrack）包含使用INT13h的磁盘的“每道扇区数”几何结构值。

该分区被多个磁头的柱面分成了多个磁道

0x1A20x00FF磁头数（NumberofHead）本字段包含使用INT13h的磁盘的“磁头数”几何结构值。

例如，在一张1.44MB3.5英寸的软盘上，本字段的值为2

0x1C40x0000003F隐藏扇区数（HiddenSector）该分区上引导扇区之前的扇区数。

在引导序列计算到根目录的数据区的绝对位移的过程中使用了该值。

本字段一般只对那些在中断13h上可见的媒体有意义。

在没有分区的媒体上它必须总是为0

0x2040x007D043F总扇区数（LargeSector）本字段包含FAT32分区中总的扇区数

0x2440x00001F32每FAT扇区数（SectorsPerFAT）（只被FAT32使用）该分区每个FAT所占的扇区数。

计算机利用这个数和FAT数以及隐藏扇区数（本表中所描述的）来决定根目录从哪里开始。

该计算机还可以从目录中的项数决定该分区的用户数据区从哪里开始

0x2820x00扩展标志（ExtendedFlag）（只被FAT32使用）该两个字节结构中各位的值为：

位0-3：

活动FAT数（从0开始计数，而不是1）.

只有在不使用镜像时才有效

位4-6：

保留

位7：

0值意味着在运行时FAT被映射到所有的FAT

1值表示只有一个FAT是活动的

位8-15：

保留

0x2A20x0000文件系统版本（FileystemVersion）只供FAT32使用,高字节是主要的修订号，而低字节是次要的修订号。

本字段支持将来对该FAT32媒体类型进行扩展。

如果本字段非零，以前的Windows版本将不支持这样的分区

0x2C40x00000002根目录簇号（RootClusterNumber）（只供FAT32使用）根目录第一簇的簇号。

本字段的值一般为2，但不总是如此

0x3020x0001文件系统信息扇区号（FileSystemInformationSectorNumber）（只供FAT32使用）FAT32分区的保留区中的文件系统信息（FileSystemInformation,FSINFO）结构的扇区号。

其值一般为1。

在备份引导扇区（BackupBootSector）中保留了该FSINFO结构的一个副本，但是这个副本不保持更新

0x3420x0006备份引导扇区（只供FAT32使用）为一个非零值，这个非零值表示该分区保存引导扇区的副本的保留区中的扇区号。

本字段的值一般为6，建议不要使用其他值

0x361212个字节均为0x00保留（只供FAT32使用）供以后扩充使用的保留空间。

本字段的值总为0

表5FAT32分区的扩展BPB字段

字节位移字段长度（字节）图8对应取值字段名称和定义

0x4010x80物理驱动器号（PhysicalDriveNumber）与BIOS物理驱动器号有关。

软盘驱动器被标识为0x00，物理硬盘被标识为0x80，而与物理磁盘驱动器无关。

一般地，在发出一个INT13hBIOS调用之前设置该值，具体指定所访问的设备。

只有当该设备是一个引导设备时，这个值才有意义

0x4110x00保留（Reserved）FAT32分区总是将本字段的值设置为0

0x4210x29扩展引导标签（ExtendedBootSignature）本字段必须要有能被Windows2000所识别的值0x28或0x29

0x4340x33391CFE分区序号（VolumeSerialNumber）在格式化磁盘时所产生的一个随机序号，它有助于区分磁盘

0x4711"NONAME"卷标（VolumeLabel）本字段只能使用一次，它被用来保存卷标号。

现在，卷标被作为一个特殊文件保存在根目录中

0x528"FAT32"系统ID（SystemID）FAT32文件系统中一般取为"FAT32"

DBR的偏移0x5A开始的数据为操作系统引导代码。

这是由偏移0x00开始的跳转指令所指向的。

在图8所列出的偏移0x00~0x02的跳转指令"EB5890"清楚地指明了OS引导代码的偏移位置。

jump58H加上跳转指令所需的位移量，即开始于0x5A。

此段指令在不同的操作系统上和不同的引导方式上，其内容也是不同的。

大多数的资料上都说win98,构建于fat基本分区上的win2000,winxp所使用的DBR只占用基本分区的第0扇区。

他们提到，对于fat32，一般的32个基本分区保留扇区只有第0扇区是有用的。

实际上，以FAT32构建的操作系统如果是win98,系统会使用基本分区的第0扇区和第2扇区存储os引导代码；以FAT32构建的操作系统如果是win2000或winxp,系统会使用基本分区的第0扇区和第0xC扇区（win2000或winxp,其第0xC的位置由第0扇区的0xAB偏移指出）存储os引导代码。

所以，在fat32分区格式上，如果DBR一扇区的内容正确而缺少第2扇区（win98系统）或第0xC扇区（win2000或winxp系统），系统也是无法启动的。

如果自己手动设置NTLDR双系统，必须知道这一点。

DBR扇区的最后两个字节一般存储值为0x55AA的DBR有效标志，对于其他的取值，系统将不会执行DBR相关指令。

上面提到的其他几个参与os引导的扇区也需以0x55AA为合法结束标志。

FAT16DBR：

FAT32中DBR的含义大致如此，对于FAT12和FAT16其基本意义类似，只是相关偏移量和参数意义有小的差异。

我将FAT16的扇区参数意义列表。

和FAT32大同小异的。

表6一个FAT16分区上的引导扇区段

字节位移字段长度（字节）字段名称

0x003跳转指令（JumpInstruction）

0x038OEMID

0x0B25BPB

0x2426扩展BPB

0x3E448引导程序代码（BootstrapCode）

0x01FE4扇区结束标识符（0x55AA）

表7FAT16分区的BPB字段

字节位移字段长度（字节）例值名称和定义

0x0B20x0200扇区字节数（BytesPerSector）硬件扇区的大小。

本字段合法的十进制值有512、1024、2048和4096。

对大多数磁盘来说，本字段的值为512

0x0D10x40每簇扇区数（SectorsPerCluster）一个簇中的扇区数。

由于FAT16文件系统只能跟踪有限个簇（最多为65536个）。

因此，通过增加每簇的扇区数可以支持最大分区数。

分区的缺省的簇的大小取决于该分区的大小。

本字段合法的十进制值有1、2、4、8、16、32、64和128。

导致簇大于32KB（每扇区字节数*每簇扇区数）的值会引起磁盘错误和软件错误

0x0e20x0001保留扇区数（ReservedSector）第一个FAT开始之前的扇区数，包括引导扇区。

本字段的十进制值一般为1

0x1010x02FAT数（NumberofFAT）该分区上FAT的副本数。

本字段的值一般为2

0x1120x0200根目录项数（RootEntries）能够保存在该分区的根目录文件夹中的32个字节长的文件和文件夹名称项的总数。

在一个典型的硬盘上，本字段的值为512。

其中一个项常常被用作卷标号（VolumeLabel），长名称的文件和文件夹每个文件使用多个项。

文件和文件夹项的最大数一般为511，但是如果使用的长文件名，往往都达不到这个数

0x1320x0000小扇区数（SmallSector）该分区上的扇区数，表示为16位（<65536）。

对大