[原创] FAT32文件系统详细分析 (格式化SD nand/SD卡)
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 楼主 | 发布于 2023-10-27 | 只看楼主
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FAT32文件系统详细分析 (续FAT文件系统详解)

1. 前言

2. 格式化SD nand/SD卡

3. FAT32文件系统分析

3.1 保留区分析

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS区分析

3.1.2 FSInfo 结构扇区分析

3.1.3 引导扇区剩余扇区

3.1.4 备份引导扇区

3.1.5 保留区剩余区域

3.2 分区偏移及大小计算

3.3 FAT区分析:

3.3.1 FAT1

3.3.2 FAT2

3.4 数据区分析:

4. 总结

1. 前言

续上一篇文章 : FATFS文件系统详解:关于如SD卡、SD nand、spi nor flash等众多存储设备

在上一篇文章,我们已经对FAT文件系统有了一个详细的介绍,但由于FAT文件系统由历史发展,存在FAT12/16/32三种系统,在上一篇文章中采用的是FAT16系统作为实例进行的分析,而FAT32系统存在些许差异,且FAT32文件系统在当前应用广泛,因此特补充此篇博文,完善FAT32的示例分析。

2. 格式化SD nand/SD卡

申请到雷龙发展代理的CS创世 贴片 SD Card (SD NAND) 样品,做出测试,分享一下,该公司SD NAND 二代产品介绍可以参考如下地址http://longsto.com/product/list-39.html,有1Gb,4Gb,32Gb,64Gb的容量可选,我这里申请到的是两片32Gb的芯片和测试板.

2.1 格式化SD nand / SD卡,强制采用FAT32格式,分配每个簇大小为2048Byte,同时为了避免其他原有数据干扰,我们此处取消快速格式化。

2.2 使用 WinHex 打开分析

3. FAT32文件系统分析

FAT文件系统布局图如下,和FAT16上有些许差别:

3.1 保留区分析

保留区分为引导扇区、备份引导扇区及其他字段,具体数据段分析如下。

3.1.1 BPB(BIOS Parameter Block) 及BS区分析

BPB及BS参数内容数据如下:

  • EB 58 90 :BS_JmpBoot,跳转指令
  • 4D 53 44 4F 53 35 2E 30:BS_OEMName,MSDOS 5.0,一个名字,指示创建此卷的操作系统,无其他作用`
  • 00 02:BPB_BytsPerSec,扇区大小 512 字节
  • 04:BPB_SecPerClus,每次操作的最小扇区数,簇 Cluster,4 (与格式化时选择的大小匹配 2048 = 512 * 4)
  • 16 11:BPB_RsvdSecCnt,保留区的扇区数,0x1116=4374 (通过此可计算,FAT区起始地址为 4374 * 512 = 0x22 2C00)
  • 02:BPB_NumFATs,FATs的个数,2(一般此值为2,多一个用来做冗余备份,解决系统异常导致第一个损坏时,增大恢复的可能性,表示FAT区有两个FATs备份)
  • 00 00:BPB_RootEntCnt,0,在FAT12/16系统中,此字段表示根目录中32字节目录条目数量,设置此值时需注意对齐,为了最大的兼容性,FAT16系统上此值应设置为512,FAT32系统上此值应设置为0
  • 00 00:BPB_TotSec16,16位大小区域描述FAT卷扇区总数,0。当FAT12/16系统扇区数 ≥0x10000(65536)时,此字段应设置为0,真实值存放在 BPB_TotSec32 字段;对于FAT32系统,此值必须为0。(此处由于我们的总扇区数=118.510241024/512 = 242688 > 65536,所以此字段为0)
  • F8:BPB_Media 媒体类型
  • 00 00:BPB_FATSz16,00,一个FAT占用的扇区数,此字段仅在FAT12/16系统使用;FAT32系统,此字段必须为0,使用BPB_FATSz32字段替代。
  • 3F 00:BPB_SecPerTrk,每个磁道的扇区数,此字段仅与具有几何形状且仅用于 IBM PC 的磁盘 BIOS 的介质相关,不用管。
  • FF 00:BPB_NumHeads,头数量,此字段仅与具有几何形状且仅用于 IBM PC 的磁盘 BIOS 的介质相关,不用管。
  • 00 00 00 00:BPB_HiddSec,0,FAT 卷之前的隐藏物理扇区数(当磁盘被分区之后,当前分区并不一定是从扇区头开始的)
  • 00 08 0F 00:BPB_TotSec32,0x0F0800 = 985088(整个卷空间大小),32位大小区域描述FAT卷扇区总数。 FAT12/16系统,扇区总数小于0x10000时,此字段必须为0,真实值存放在BPB_FATSz16;FAT32系统,此字段一直有效。(481M = 512 * 985088)

以上是FAT12/16/32公共字段,接下来是FAT32独有字段

  • 75 07 00 00:BPB_FATSz32,1909,一个FAT占用的扇区数,FAT区总大小等于 BPB_FATSz?? * BPB_NumFATs 扇区。(由此可计算FAT区总大小:1909 * 2 = 3818扇区 = 3818 * 512Byte = 0x1D D400 Byte)
  • 00 00: BPB_ExtFlags,扩展标识字段,bit7=0,表示所有FAT都是镜像的和活跃的;bit7=1,表示只有bit3-0表示的FAT是有效的。
  • 00 00:BPB_FSVer:FAT32版本,高字节是主版本号,低字节是次版本号。
  • 02 00 00 00:BPB_RootClus,2, 根目录的第一个簇号,此值通常为2,因为前两个簇一般用于保留。
  • 01 00:BPB_FSInfo,1,FSInfo结构扇区与FAT32卷顶部的偏移扇区值。此值通常为1,因为其通常位于引导扇区旁边。
  • 06 00:BPB_BkBootSec,6, 备份引导扇区与FAT32卷顶部的偏移扇区值。此值通常为6,考虑最大的兼容性,此值不建议为其他值。
  • 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00:BPB_Reserved,0,保留
  • 80:BS_DrvNum,IBM PC 的磁盘 BIOS 使用的驱动器号,00h代表软盘,80h代表固定磁盘
  • 00:BS_Reserved,保留字段,0
  • 29:BS_BootSig,扩展引导签名,表示以下存在三个字段
  • 30 D1 B5 78:BS_VolID,与 BS_VolLab 一起构成卷序列号,一般在格式化的时候结合时间生成
  • 4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20:(解析为:"NO NAME “),BS_VolLab,11byte卷标,当卷标不存在时,此值应设置为"NO NAME”
  • 46 41 54 33 32 20 20 20:BS_FilSysType,始终为"FAT32 ",对FAT类型的确定没有任何影响。
  • 33 C9 ... B9 01 00 00:BS_BootCode32,引导启动程序,与平台有关,不使用时填充为0
  • BS_BootSign:0xAA55,引导签名,指示这是一个有效的引导扇区当扇区大小大于512字节时,剩余的字段应全部使用0x0填充。

3.1.2 FSInfo 结构扇区分析

FSInfo 数据结构为FAT32系统所特有,其目的是记录FAT32系统上剩余的簇数量以及下一个空闲簇数据;以避免扫描整个磁盘搜索导致的时间浪费。

FSInfo数据偏移可从引导扇区内的 BPB_FSInfo 参数获取,此处为 1,因此 FSInfo 数据偏移为1个扇区,对应512Byte,0x200地址处。FSInfo数据结构如下:

内容如下:

3.1.3 引导扇区剩余扇区

FAT32引导扇区总共有三个512Byte的扇区构成。BPB、BS、FSInfo字段已使用了2个扇区,还剩有一个扇区未使用,字段为0,如下图所示,需要注意的是,此扇区在偏移值510处依旧存在尾部签名0xAA55。

引导扇区剩余字段,为非有效字段,采用0x00填充。

3.1.4 备份引导扇区

相比FAT12/16,FAT32系统上存在引导扇区的备份,此块区域偏移参考引导扇区内BPB_BkBootSec字段,当前引导扇区内此参数值为6, 因此在当前文件系统内,备份引导扇区的偏移为 6号扇区,对应偏移地址为 BPB_BkBootSec * BPB_BytsPerSec = 6 * 512Byte = 3072Byte = 0xC00

3.1.5 保留区剩余区域

在FAT32系统中,保留区除了 BPB区域、FSInfo区域以及这两个区域的备份区域外,还有一部分区域,目前我没找到此区域的作用,我理解为此块区域是作为某种引导程序,数据内容如下:

关于此块区域,欢迎大家在评论区讨论!

此外,还有一处区域的存在也欢迎大家讨论,即FSInfo扇区后面的一个扇区,只有看到尾部签名,其他数据为空,目前也未找到此处有关说明,后续清楚后会在此补充,亦欢迎大家在评论区讨论!

3.2 分区偏移及大小计算

知道BPB参数内容之后,便可以进行分区偏移及大小计算了!

各分区偏移地址及大小如下:

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:

注意:在FAT32系统中,根目录区不存在,但依旧存在根目录,不过是根目录作为数据区的一部分!

3.3 FAT区分析:

FAT32系统与FAT12/16系统在FAT区数据一个显著差别是:FAT32每条FAT条目占32bit,FAT16占16个bit,FAT12占12bit。关于此部分更详细描述,可参考上一篇:FAT文件系统详解(点击跳转!) 的 4.3 章节!

3.3.1 FAT1

FAT1偏移地址:0x22 2C00

数据内容如下:

3.3.2 FAT2

FAT2是FAT1的备份,偏移地址:0x31 1600
数据内容与FAT1一致,如下:

3.4 数据区分析:

偏移地址:0x40 0000
由参数BPB_RootClus可知,数据区第一个簇是2号簇。

打开数据区的第一个簇,里面存放的内容便是根目录的内容!这也就是为什么FAT32没有根目录区,但依旧存在根目录的实现方式。数据内容如下:

之后我们看到3号簇的内容:
数据字段如下图所示,由于在上一篇博文中已对长短文件名每个字段进行过细致分析,此处不再做过度分析,仅抽取关键字段进行分析,如下图所示:

之后切换到4号簇和5号簇,可以查看到对应数据:

从6号簇开始便没有在使用,均为空闲簇,对应上 FSInfo 结构内 FSI_Nxt_Free 字段的内容。

4. 总结

相比FAT16系统,FAT32文件系统在保留区有了更多的设计:

1)增加了引导扇区的备份,异常掉电等情况下可恢复性更强;

2)增加了FSInfo结构,对于大容量flash访问将更加高效;

此外FAT32系统取消了根目录区,将根目录移至数据区,根目录与普通目录本来就没有什么区别,确实也不用单独分一个区存放,提高了一致性。

关于数据的存储思想,依旧保持不变:FAT区内的FAT条目通过簇链记录扇区使用情况及文件占用的扇区情况;数据区内目录和文件都作为文件,通过目录这一类特殊文件,描述文件属性以及实际文件内容存放的簇的方式,将整个文件管理起来。

综上,便是FAT32格式文件系统的详细解析,欢迎大家评论区进行积极讨论与反馈!!!

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