android usb挂载分析---FAT文件系统原理详细介绍

FAT 文件起源于 70 年代末 80 年代初，用于微软的 MS-DOS 操作系统。它开始被设计成一个简单的文件系统用于小于 500K 的软件盘。后来被功能被大大增强用于支持越来越大的媒质。现在的文件系统有 FAT12 ， FAT16 和 FAT32 三种子类。

FAT12 是最早的一版，主要用于软盘，它对簇的编址采用 12bit 宽度的数，所以称为 FAT12 。 12bit 的地址可以寻址 4096 个簇，事实上在 FAT12 中只能寻址 4078 个簇（在 Linux 下可寻址 4084 个簇），有一些簇号是不能用的，在后面会给出具体的说明。磁盘的扇区是用 16bit 的数进行计算的，所以磁盘的容量就被局限在 32M 空间之内。

在 FAT16 中，采用了 16bit 宽的簇地址， 32bit 宽扇区地址。虽然 32bit 的扇区地址可以寻址 2^32*512 ，约 2 个 TB 的容量， 但于由规定每簇最大的容量不超过 1024*32 ，所以 FAT16 文件系统的容量也就限制到了 2^16*1024*32 ，大约 2.1GB 的空量，并且实际还达不到这个值。

FAT32 文件系统使用了 32bit 宽的簇地址，所以称为 FAT32 。但在微软件的文件系统中只使用了低 28 位，最大容量为 2^28*1024*32, 约 8.7TB 的空量。有的人认为 32bit 全用，最大容量为 2^32*1024*32 ，这种说法是不正确的。

虽然 FAT32 具有容纳近乎 8.7TB 的容量，但实际应用中通常不使用超过 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，但不推荐这样做。

下面是一个 FAT 分区的构成概况

引导扇区

其他保留扇区（可选）

FAT 表 1

FAT 表 2

根目录区 （仅 FAT12/16 ）

数据区 （用于文件和目录）

需要说明的是：

1 ．引导扇区和其他保留扇区一起称为保留扇区，而其他保留扇区是可选的，当没有时候，引导扇区后紧跟的就是 FAT 表 1

2 ．根目录区是仅 FAT12/16 才有， FAT32 的目录项位于数据区。由于 FAT12/16 的根目录区是一个固定的区域，所以它的根目录的项数是有限制的，意即不能在根录建立超过这个定数的目录项数。

（一）引导扇区与 BPB

BPB （ BIOS Parametre Block ）是 FAT 文件系统中第一个重要的数据结构，它位于该 FAT 分区的第一个扇区，同时也属于 FAT 文件系统基本区域的保留区，

 

        在下面的描述中。凡名称以 BPB_ 开头的都是 BPB 的一部分，凡名称与 BS_ 开头的项都是启动扇区的一部分，而不是属于 BPB 的内容，以下是启动扇区的结构

	offset （ byte ）	长度（ byte ）	描述
BS_jmpBoot	0x00	3	跳转指令，指向启动代码
BS_OEMName	0x03	8	建议值为“ MSWIN4.1”。有些厂商的FAT 驱动可能会检测此项，所以设为“ MSWIN4.1”可以尽量避免兼容性的问题
BPB_BytsPerSec	0x0b	2	每扇区的字节数，取值只能是以下几种： 512 ， 1024 ， 2048 或是 4096 。设为 512 会取得最好的兼容性，目前有很多 FAT 代码都是硬性规定每扇区的字节数为 512 ，而不是实际的检测此值。但微软的操作系统能够很好支持 1024 ， 2048 或是 4096
BPB_SecPerClus	0x0d	1	每簇的扇区数，其值必须中 2 的整数次方（该整数必须 >=0 ），同时还要保证每簇的字节数不能超过 32K ，也就是 1024*32 字节
BPB_RsvdSecCnt	0x0e	2	保留扇区的数目，此域不能为 0 ， FAT12/FAT16 必须为 1 ， FAT32 的典型值取为 32 ，，微软的系统支持任何非 0 值
BPB_BumFATs	0x10	1	分区中 FAT 表的份数，，任何 FAT 格式都建议为 2
BPB_RootEntCnt	0x11	2	对于 FAT12 和 FAT16 此域包含根目录中目录的个数（每项长度为 32bytes ），对于 FAT32 ，此项必须为 0 。对于 FAT12 和 FAT16 ，此数乘以 32 必为 BPB_BytesPerSec 的偶数倍，为了达到更好的兼容性， FAT12 和 FAT16 都应该取值为 512
BPB_ToSec16	0x13	2	早期版本中 16bit 的总扇区，这里总扇区数包括 FAT 卷上四个基本分区的全部扇区，此域可以为 0 ，若此域为 0 ，那么 BPB_ToSec32 必须为 0 ，对于 FAT32 ，此域必为 0 。对于 FAT12/FAT16 ，此域填写总扇区数，如果该值小于 0x10000 的话， BPB_ToSec32 必须为 0
BPB_Media	0x15	1	对于“固定”（不可移动）存储介质而言， 0xF8 是标准值，对于可移动存储介质，经常使用的数值是 0xF0 ，此域合法的取值可以取 0xF0,0xF8,0xF9,0xFA,0xFC,0xFD,0xFE,0xFF 。另外要提醒的是，无沦此域写入什么数值，同时也必须在 FAT[0] 的低字节写入相同的值，这是因为早期的 MSDOS 1.x 使用该字节来判定是何种存储介质
BPB_FATz16	0x16	2	FAT12/FAT16 一个 FAT 表所占的扇区数，对于 FAT32 来说此域必须为 0 ，在 BPB_FATZ32 中有指定 FAT 表的大小
BPB_SecPerTrk	0x18	2	每磁道的扇区数，用于 BIOS 中断 0x13 ，此域只对于有“特殊形状”（由磁头和柱面每分割为若干磁道）的存储介质有效，同时必须可以调用 BIOS 的 0x13 中断得到此数值
BPB_NumHeads	0x1A	2	磁头数，用于 BIOS 的 0x13 中断，类似于上面的 BPB_ SecPerTrk ，只对特殊的介质才有效，此域包含一个至少为 1 的数值，比如 1,4M 的软盘此域为 2
BPB_HidSec	0x1C	4	在此 FAT 分区之前所隐藏的扇区数，必须使得调用 BIOS 的 0x13 中断可以得到此数值，对于那些没有分区的存储介质，此域必须为 0 ，具体使用什么值由操作系统决定
BPB_ToSec32	0x20	4	该卷总扇区数（ 32bit ），这里的扇区总数包括 FAT 卷四个个基本分的全部扇区，此域可以为 0 ，若此域为 0 ， BPB_ToSec16 必须为非 0 ，对 FAT32 ，此域必须是非 0 。对于 FAT12/FAT16 如果总扇区数大于或等于 0x10000 的话，此域就是扇区总数，同时 BPB_ToSec16 的值为 0 。

FAT32 的 BPB 的内容和 FAT12/16 的内容在地址 36 以前是完全一样的，从偏移量 36 开始，他们的内容有所区别，具体的内容要看 FAT 类型为 FAT12/16 还是 FAT32 ，这点保证了在启动扇区中包含一个完整的 FAT12/16 或 FAT32 的 BPB 的内容，这么做是为了达到最好的兼容性，同时也为了保证所有的 FAT 文件系统驱动程序能正确的识别和驱动不同的 FAT 格式，并让他们良好地工作，因为他们包含了现有的全部内容

从 offset 36 开始 FAT12/FAT16 的内容开始区别于 FAT32 ，下面分两个表格列出，下表为 FAT12/FAT16 的内容

名称	offset （ byte ）	长度（ byte ）	描述
BS_drvNum	0x24	1	用于 BIOS 中断 0x13 得到磁盘驱动器参数，（ 0x00 为软盘， 0x80 为硬盘）。此域实际上由操作系统决定
BS_Reseved1	0x25	1	保留（供 NT 使用），格式化 FAT 卷时必须设为 0
BS_VolID	0x26	1	扩展引导标记（ 0x29 ）用于指明此后的 3 个域可用
BS_BootSig	0x27	4	卷标序列号，此域以 BS_VolLab 一起可以用来检测磁盘是否正确， FAT 文件系统可以用此判断连接的可移动磁盘是否正确，引域往往是由时间和日期组成的一个 32 位的值
BS_VolLab	0x2B	11	磁盘卷标，此域必须与根目录中 11 字节长的卷标一致。 FAT 文件系统必须保证在根目录的卷标文件列改或是创建的同时，此域的内容能得到时的更新，当 FAT 卷没有卷标时，此域的内容为“ NO NAME ”
BS_FilSysType	0x36	8	以下的几种之一：“ FAT12 ”，“ FAT16 ”，“ FAT32 ” 不少人错误的认为 FAT 文件系统的类型由此域来确认，他细点你就能发现此域并不是 BPB 的一部分，只是一个字符串而已，微软的操作系统并不使用此此域来确定 FAT 文件的类型，；因为它常常被写错或是根本就不存在。

 

下表为 FAT32 的内容

名称	offset （ byte ）	长度（ byte ）	描述
BPB_FATSz32	0x24	4	一个 FAT 表所占的扇区数，此域为 FAT32 特有，同时 BPB_FATSz16 必须为 0
BPB_Flags	0x28	2	此域 FAT32 特有。 Bits0-3: 不小于 0 的 FAT （ active FAT ）数目，只有在镜像（ mirrorig ）禁止时才有效。 Bits 4-6:  保留 Bits 7 ：  0 表示 FAT 实时镜像到所有的 FAT 表中         1  表示只有一个活动的 FAT 表。这个表就是 Bits0-3 所指定的那个 Bits8-15 ： 保留
BPB_FSVer	0x2A	2	此域为 FAT32 特有， 高位为 FAT32 的主版本号，低位为次版本号，这个版本号是为了以后更高级的 FAT 版本考虑，假设当前的操作系统只能支持的 FAT32 版本号为 0.0 。那么该操作系统检测到此域不为 0 时，它便会忽略 FAT 卷，因为它的版本号比系统能支持的版式本要高
BPB_RootClus	0x2C	4	根目录所在第一个簇的簇号，通常该数值为 2 ，但不是必须为 2 磁盘工具在改变根目录位置时，必须想办法让磁盘上第一个非坏簇作为根目录的第一个簇（比如第 2 簇，除非它已经被标记为坏簇），这样的话，如果此域正好为 0 的话磁盘检测工具也能轻松的找到根目录所在簇的位置
BPB_FSIfo	0x30	2	保留区中 FAT32 卷 FSINFO 结构所占的扇区数，通常为 1 在 Backup Boot  中会有一个 FSINFO 的备份，但该备份只是更新其中的指针，也就是说无论是主引导记录还是备份引导记录都是指向同一个 FSINFO 结构
BPB__BkBootSec	0x32	2	如果不为 0 ，表示在保留区中引导记录的备数据所占的扇区数，通常为 6 。同时不建议使用 6 以外的其他数值
BPB_Reserved	0x34	12	用于以后 FAT 扩展使用，对 FAT32 。此域用 0 填充
BS_DrvNum	0x40	1	与 FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
BS_Reserved1	0x41	1	与 FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
BS_BootSig	0x42	1	与 FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
BS_VolID	0x43	4	与 FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
BS_FilSysType	0x47	11	与 FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
BS_FilSysType	0x52	8	通常设置为“ FAT32 ”，请参照 FAT12/16 此部分的陈述。

关于 FAT 启动扇区还有一点重要的说明，我们假设里面的内容是按字节排序的，那么扇区 [510] 的内容一定 0x55 ，扇区 [511] 的内容一定是 0xAA

很多 FAT 资数文档会把 0xAA55 说成是“启动扇区最后两字节的内容”，这样的陈述是正确的 — 仅仅是如果 —BPB_BytsPerSec 的值为 512 的话。若 BPB_BytsSec 的值大于 512 ，该标记的位置并没有改变（虽然在启动扇区的最后两个字节写 0xAA55 并没有问题）

关于 BPB_ToSec16/32 这里再作一点补充：假设一现在我们有一块磁盘或一个分区，它的扇区数为 DskSz ，如果 BPB_aToSec(BPB_ToSec16 或是 BPB_ToSec32 基中不为 0 的那个 ) 的值小于或等于 DskSz 并不会使该 FAT 卷在使用中出现什么错误，实际上 BPB_ToSec16/32 的值不要比 DskSz 小得离谱就不会有什么错误

这样做将造成磁盘空间的浪费，程序本身并不会认为该 FAT 卷存在什么错误，但是，如果 BPB_ToSec16/32 的值比 DskSz 大将会使 FAT 卷遭到严重的损坏，因为它超出了存储介质或是磁盘分区的边界。当 BPB_ToSec16/32 的值比 DskSz 大时，一些数据将不幸地被丢失

   

FAT文件系统数据结构C语言表示

FAT文件系统相关数据结构

struct fat_boot_sector {
    uint8_t    ignored[3];    /* 0x00 Boot strap short or near jump */
    int8_t    system_id[8];    /* 0x03 Name - can be used to special case
                   partition manager volumes */
    uint8_t    sector_size[2];    /* 0x0B bytes per logical sector */
    uint8_t    sectors_per_cluster;    /* 0x0D sectors/cluster */
    uint16_t    reserved;    /* 0x0E reserved sectors */
    uint8_t    fats;        /* 0x10 number of FATs */
    uint8_t    dir_entries[2];    /* 0x11 root directory entries */
    uint8_t    sectors[2];    /* 0x13 number of sectors */
    uint8_t    media;        /* 0x15 media code (unused) */
    uint16_t    fat_length;    /* 0x16 sectors/FAT */
    uint16_t    secs_track;    /* 0x18 sectors per track */
    uint16_t    heads;        /* 0x1A number of heads */
    uint32_t    hidden;        /* 0x1C hidden sectors (unused) */
    uint32_t    total_sect;    /* 0x20 number of sectors (if sectors == 0) */

    /* The following fields are only used by FAT32 */
    uint32_t    fat32_length;    /* 0x24=36 sectors/FAT */
    uint16_t    flags;        /* 0x28 bit 8: fat mirroring, low 4: active fat */
    uint8_t    version[2];    /* 0x2A major, minor filesystem version */
    uint32_t    root_cluster;    /* 0x2C first cluster in root directory */
    uint16_t    info_sector;    /* 0x30 filesystem info sector */
    uint16_t    backup_boot;    /* 0x32 backup boot sector */
    uint8_t    BPB_Reserved[12];    /* 0x34 Unused */
    uint8_t    BS_DrvNum;        /* 0x40 */
    uint8_t    BS_Reserved1;        /* 0x41 */
    uint8_t    BS_BootSig;        /* 0x42 */
    uint8_t    BS_VolID[4];        /* 0x43 */
    uint8_t    BS_VolLab[11];        /* 0x47 */
    uint8_t    BS_FilSysType[8];    /* 0x52=82*/

    /* */
    uint8_t    nothing[420];    /* 0x5A */
    uint16_t    marker;
} __attribute__ ((__packed__));

struct msdos_dir_entry {
    int8_t    name[8],ext[3];        /* 00 name and extension */
    uint8_t    attr;            /* 0B attribute bits */
    uint8_t    lcase;        /* 0C Case for base and extension */
    uint8_t            ctime_ms;    /* 0D Creation time, milliseconds */
    uint16_t    ctime;        /* 0E Creation time */
    uint16_t    cdate;        /* 10 Creation date */
    uint16_t    adate;        /* 12 Last access date */
    uint16_t        starthi;    /* 14 High 16 bits of cluster in FAT32 */
    uint16_t    time;           /* 16 time, date and first cluster */
        uint16_t        date;        /* 18 */
        uint16_t        start;        /* 1A */
    uint32_t    size;        /* 1C file size (in bytes) */
};

/* Up to 13 characters of the name */
struct msdos_dir_slot {
    uint8_t    id;            /* 00 sequence number for slot */
    uint8_t    name0_4[10];        /* 01 first 5 characters in name */
    uint8_t    attr;        /* 0B attribute byte */
    uint8_t    reserved;        /* 0C always 0 */
    uint8_t    alias_checksum;    /* 0D checksum for 8.3 alias */
    uint8_t    name5_10[12];    /* 0E 6 more characters in name */
    uint16_t   start;        /* 1A starting cluster number, 0 in long slots */
    uint8_t    name11_12[4];    /* 1C last 2 characters in name */
};

具体可以参考下面的资料：http://download.youkuaiyun.com/detail/new_abc/4184969