FAT16存储原理

只看该作者 · 2015-12-19 20:33

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$2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，64K。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

只看该作者 · 2015-12-19 20:34

图4.3.12 Fat16的组织形式
引导扇区	FAT1	FAT2(重复的)	根文件夹	其他文件夹及所有文件	剩余扇区
1扇区	实际情况取大小	同FAT1	32个扇区	开始簇编号(从2开始)	不足一簇

表9 FAT16分区大小与对因簇大小
分区空间大小	每个簇的扇区	簇空间大小
0MB-32MB	1	512个字节
33MB-64MB	2	1k
65MB-128MB	4	2k
129MB-225MB	8	4k
256MB-511MB	16	8k
512MB-1023MB	32	16k
1024MB-2047MB	64	32k
2048MB-4095MB	128	64k

只看该作者 · 2015-12-19 20:34

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。。。
格式化FAT16分区时，格式化程序根据分区的大小确定簇的大小，然后根据保留扇区的数目、根目录的扇区数目、数据区可分的簇数与FAT表本身所占空间来确定FAT表所需的扇区数目，然后将计算后的结果写入DBR的相关位置。
（FAT16 DBR参数的偏移0x11和0x12，内容：00 02。转换一下，就是0200H，表示根目录项数(Root Entries) 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512，一般根目录的扇区数为32个扇区））。偏移0x16和0x17记录了FAT1一个表所占扇区的数据。偏移0x10记录了FAT表的副本数目。系统在得到这几项参数以后，就可以确定数据区的开始扇区偏移了。

只看该作者 · 2015-12-19 20:35

FAT16文件系统从根目录所占的32个扇区之后的第一个扇区开始以簇为单位进行数据的处理，这之前仍以扇区为单位。对于根目录之后的第一个簇，系统并不编号为第0簇或第1簇 (可能是留作关键字的原因吧)，而是编号为第2簇，也就是说数据区顺序上的第1个簇也是编号上的第2簇。
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。
FAT表实际上是一个数据表，以2个字节为单位，我们暂将这个单位称为FAT记录项，通常情况其第1、2个记录项(前4个字节)用作介质描述。从第三个记录项开始记录除根目录外的其他文件及文件夹的簇链情况。根据簇的表现情况FAT用相应的取值来描述，见表10

只看该作者 · 2015-12-19 20:36

表10 FAT16记录项的取值含义(16进制)
FAT16记录项的取值	对应簇的表现情况
0000	未分配的簇
0002~FFEF	已分配的簇
FFF0~FFF6	系统保留
FFF7	坏簇
FFF8~FFFF	文件结束簇一般为FFFF

文件的结束符为0D0A。

只看该作者 · 2015-12-19 20:37

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。
相对偏移0x4~0x5偏移为第2簇(顺序上第1簇)，此处为FF,表示存储在第2簇上的文件(目录)是个小文件，只占用1个簇便结束了。

只看该作者 · 2015-12-19 20:38

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。
   FAT文件系统的目录结构其实是一颗有向的从根到叶的树，这里提到的有向是指对于FAT分区内的任一文件(包括文件夹)，均需从根目录寻址来找到。可以这样认为：目录存储结构的入口就是根目录。
   FAT文件系统根据根目录来寻址其他文件(包括文件夹)，故而根目录的位置必须在磁盘存取数据之前得以确定。FAT文件系统就是根据分区的相关DBR参数与DBR中存放的已经计算好的FAT表(2份)的大小来确定的。格式化以后，跟目录的大小和位置其实都已经确定下来了：位置紧随FAT2之后，大小通常为32个扇区。根目录之后便是数据区第2簇。

只看该作者 · 2015-12-19 20:40

FAT文件系统的一个重要思想是把目录(文件夹)当作一个特殊的文件来处理，FAT32甚至将根目录当作文件处理(旁：NTFS将分区参数、安全权限等好多东西抽象为文件更是这个思想的升华)，在FAT16中，虽然根目录地位并不等同于普通的文件或者说是目录，但其组织形式和普通的目录(文件夹)并没有不同。FAT分区中所有的文件夹(目录)文件，实际上可以看作是一个存放其他文件(文件夹)入口参数的数据表。所以目录的占用空间的大小并不等同于其下所有数据的大小，但也不等同于0。通常是占很小的空间的，可以看作目录文件是一个简单的二维表文件。其具体存储原理是：
不管目录文件所占空间为多少簇，一簇为多少字节。系统都会以32个字节为单位进行目录文件所占簇的分配。这32个字节以确定的偏移来定义本目录下的一个文件(或文件夹)的属性，实际上是一个简单的二维表。
这32个字节的各字节偏移定义如表11：

只看该作者 · 2015-12-19 20:41

表11 FAT16目录项32个字节的表示定义
字节偏移(16进制)	字节数	定义
0x0~0x7	8	文件名
0x8~0xA	3	扩展名
0xB	1	属性字节	00000000(读写)
			00000001(只读)
			00000010(隐藏)
			00000100(系统)
			00001000(卷标)
			00010000(子目录)
			00100000(归档)
0xC~0x15	10	系统保留
0x16~0x17	2	文件的最近修改时间
0x18~0x19	2	文件的最近修改日期
0x1A~0x1B	2	表示文件的首簇号
0x1C~0x1F	4	表示文件的长度（字节为单位）

只看该作者 · 2015-12-19 20:42

对表11中的一些取值进行说明：
   (1)、对于短文件名，系统将文件名分成两部分进行存储，即主文件名+扩展名。0x0~0x7字节记录文件的主文件名，0x8~0xA记录文件的扩展名，取文件名中的ASCII码值。不记录主文件名与扩展名之间的"." 主文件名不足8个字符以空白符(20H)填充，扩展名不足3个字符同样以空白符(20H)填充。0x0偏移处的取值若为00H，表明目录项为空；若为E5H，表明目录项曾被使用，但对应的文件或文件夹已被删除。(这也是误删除后恢复的理论依据)。文件名中的第一个字符若为“.”或“..”表示这个簇记录的是一个子目录的目录项。“.”代表当前目录；“..”代表上级目录(和我们在dos或windows中的使用意思是一样的，如果磁盘数据被破坏，就可以通过这两个目录项的具体参数推算磁盘的数据区的起始位置，猜测簇的大小等等，故而是比较重要的)
   (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。

只看该作者 · 2015-12-19 20:43

(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。
   (6)、0x1A~0x1B存放文件或目录的表示文件的首簇号，系统根据掌握的首簇号在FAT表中找到入口，然后再跟踪簇链直至簇尾，同时用0x1C~0x1F处字节判定有效性。就可以完全无误的读取文件(目录)了。
   (7)、普通子目录的寻址过程也是通过其父目录中的目录项来指定的，与数据文件(指非目录文件)不同的是目录项偏移0xB的第4位置1，而数据文件为0。
   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。

只看该作者 · 2015-12-19 20:45

MBR	DBR（启动）保留区	FAT1区	FAT2区	目录	第二簇	第三簇	剩余扇区
系统引导区与DBR同属于保留区	0xe和0xf确定大小，从EB 3C（58） 90开始	0x16和0x17确定大小	0x16和0x17确定大小	一般为32个扇区	目录区之后	第二簇之后	不足一簇的部分

只看该作者 · 2016-1-31 14:30

谢谢分享:handshake

只看该作者 · 2016-1-31 15:30

fat16支持的文件大小还是有限的啊

只看该作者 · 2016-2-3 20:10

fat16用到sd卡这种小型存储设备上是不是很好啊