znFAT学习笔记01（对FAT的理解）_2014_11_14

只看该作者 · 2014-11-14 16:00

本帖最后由 petp 于 2014-11-14 16:32 编辑

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学习背景
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FATFS是开发板上最常用的文件系统，流行的STM32开发板基本都采用FATFS；增强型51开发板也会用文件系统，FATFS和 znFAT都有。相较而言，FATFS的应用更广，但是缺少介绍的书籍，而znFAT有比较详尽的介绍，所以用来FAT入门还是不错的，不过znFAT的例程是少的可怜。

文件系统一般都是移植好的（直接复制，改些接口参数就好用了），所以从应用角度看，没有必要为了偶尔一次的应用而学习FAT。所以学习FAT，可能就是用文件系统的频率比较高，或者感兴趣。

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文件诞生的环境

首先看一下的FAT32 文件系统整体结构。

这样看，有些枯燥，更改一下形式，

这些扇区、表、簇等结构的定义，要熟悉，才能继续，

MBR DBR 和 FSINFO 的大小都是一个扇区，而保留扇区是若干扇区组成，FAT表也是由若干扇区（与SD容量正相关）组成，簇一般是8个扇区。与示意图的比例不一致，示意图重点在于表明相互联系。

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先看MBR （对于《znFAT》的第五章）

《znFAT》首先利用WinHex 软件查看 SD卡的0扇区（即MBR）。
我自己也模仿了一下，

测试报告：
总计容量: 3,904,897,024 字节 = 3.6 GB

柱面数: 474
磁头数: 255
扇区/磁道: 63
字节/扇区: 512
总计扇区数: 7,626,752
剩余扇区: 11,942 扇区
SMART: 函数不正确。

分区 1
扇区2,048 - 7,626,751
分区表: 扇区0
文件系统: FAT32
名称: 系统
总计容量: 3,903,848,448 字节 = 3.6 GB
总计扇区数: 7,624,704
可用扇区: 7,608,320
第一数据扇区: 16,384
字节/扇区: 512
字节/簇: 4,096
剩余簇: 951,038 = 100% 空闲
总计簇: 951,040
FAT1 = FAT2

于是，配合 znFAT 的两个结构体，就可以理解 MBR的内容了。
结构体都是用的 UINT8，不只这两个结构用UINT8，大部分znFAT的结构都使用UINT8 变量。原因是因为大端和小端变换。

所以，MBR使用了两个结构体表达，MBR结构体代表了整个扇区，DPT_Item 代表了其中的分区记录。

怎样读取，书上给了部分代码示意，其实MBR的作用主要是引出 DBR，所以在 znFAT 只初始化时出现。

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更重要的DBR （对于第六章）

DBR重要的原因是母凭子贵，它有BPB

可以看出，BPB 包含可以用来定位的信息（相对计算）
在初始化函数中，涉及到的计算大多和BPB有关，例如：

要找到FAT表，找到首目录，都需要 BPB 中的数据来定位。

书上除了使用WinHex 分析外，还讲了利用这些知识识别假U 盘。

书上的DBR结构体代码主要是示意，用来理解DBR还是适合的。

不过，要注意：
UINT32 BPB_Sector_No; //DBR(BPB)所在扇区号
UINT32 Total_SizeKB; //磁盘的总容量，单位为KB
UINT32 BytesPerSector;       //每个扇区的字节数
可以利用MBR计算出

UINT32 FATsectors;    //FAT表所占扇区数
UINT32 SectorsPerClust; //每簇的扇区数
UINT32 FirstFATSector;       //第一个FAT表所在扇区
UINT32 FirstDirSector;       //第一个目录所在扇区
可以利用 BPB 计算出

UINT32 FSINFO_Sec; //FSINFO扇区所在的扇区

UINT32Free_nCluster; //空闲簇的个数

UINT32Next_Free_Cluster; //下一空簇

FSINFO的信息还要利用 FSINFO 扇区才行。

先不加入FSINFO，初始化函数就可以写出来了，

struct znFAT_Init_Args *pInit_Args; //初始化参数结构体指针，用以指向某一存储设备的初始化参数集合

UINT8 znFAT_Init(void)
{
struct DBR *pdbr;

znFAT_Device_Read_Sector(MBR_SECTOR,znFAT_Buffer);

if(znFAT_Buffer[0]!=DBR_MARK) //检测0扇区是否为DBR扇区
{
  pInit_Args->BPB_Sector_No=Bytes2Value(((((struct MBR *)(znFAT_Buffer))->Part[0]).StartLBA),4);
}
else
{
  pInit_Args->BPB_Sector_No=0;
}

znFAT_Device_Read_Sector((pInit_Args->BPB_Sector_No),znFAT_Buffer); //读取DBR扇区
pdbr=(struct DBR *)znFAT_Buffer;

if(!IS_FAT32_TYPE((pdbr->BS_FilSysType1))) return FSTYPE_NOT_FAT32; //FAT32文件系统类型检验

pInit_Args->FATsectors    =Bytes2Value((pdbr->BPB_FATSz32) ,4);//装入FAT表占用的扇区数到FATsectors中
pInit_Args->BytesPerSector  =Bytes2Value((pdbr->BPB_BytesPerSec),2);//装入每扇区字节数到BytesPerSector中
pInit_Args->SectorsPerClust =pdbr->BPB_SecPerClus;//装入每簇扇区数到SectorsPerClust 中
pInit_Args->FirstFATSector  =Bytes2Value((pdbr->BPB_RsvdSecCnt) ,2)+pInit_Args->BPB_Sector_No;//装入第一个FAT表扇区号到FirstFATSector 中
pInit_Args->FirstDirSector  =(pInit_Args->FirstFATSector)+(pdbr->BPB_NumFATs)*(pInit_Args->FATsectors); //装入第一个目录扇区到FirstDirSector中
pInit_Args->Total_SizeKB =Bytes2Value((pdbr->BPB_TotSec32),4)/2;  //磁盘的总容量，单位是KB
}

代码看起来有些复杂，但是逻辑关系是很清楚的。

如上图示意，利用指针把 MBR和DBR 关联起来。

只看该作者 · 2014-11-14 17:19

本帖最后由 petp 于 2014-11-14 17:38 编辑

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形同虚设的 FSINFO 扇区

FSINFO扇区没有想当然的出现在第七章，而是出现在下册第二章。原因就在于这个扇区没有多大意义，而且容易误导。

感兴趣的是，

UINT32 Free_nCluster; //空闲簇的个数
UINT32 Next_Free_Cluster; //下一空簇

但实际情况是，除了下一空簇和实际不一致外（不能使用），还要维护这个扇区。

另外，还要多出来一个函数用来找到 FSINFO扇区，
UINT32 FSINFO_Sec; //FSINFO扇区所在的扇区

UINT8 Find_FSINFO_Sec(UINT32 *fsinfosec) //寻找FSINFO扇区，里面有剩余簇数与可用的空簇

一般来说FSINFO扇区在DBR扇区的后一个扇区，但不乏有特殊情况，因此这里对DBR+1到 FAT1的前一个扇区进行遍历，以FSINFO扇区的标志字作为认定是FSINFO扇区的条件。

这个扇区会在写操作的时候，再来理解。现在如果只读的话，用处不大。

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文件目录项，没有按顺序先介绍FAT表，直接到簇了。
对应书上第七章。

这部分内容比较简单，以WinHex 验证为主，

最有用的是文件（或目录）的开始簇，至此文件就被定位找到了。感觉比游戏找宝物简单，只是枯燥些。

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FAT表

利用类似链表的结构，可以指向下一个文件所在的簇号，这样一个文件的存放位置从头到尾就被记录起来了。结点也称为表项，占4个字节。

至此，FAT32 五大（含FSINFO）结构已经全部登场了。下一步就可以看实例读取数据了。

只看该作者 · 2014-11-15 20:10

本帖最后由 petp 于 2014-11-15 20:13 编辑

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直面《znFAT》这本书的缺点 —— 缺少入门例子

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把FAT 结构都理解后，下一步就是实例了，一步一步来感觉不错。不过看到第九章之后，会发现入门的例子都哪去了，被谁给拿走了，只剩下 znFAT 和MP3读取的伪代码。不是说这个例子不好，是这个例子出现的位置不恰当，这个例子属于对于FAT已经很熟悉了，然后到优化 FAT 的阶段了，那么还是缺少入门的例子。

不过入门的例子还是有的，而且还是免费的。例子摘自这本书，PDF下载地址，（注：本来是个链接，不允许发布。网上搜 STC单片机入门_c，李友全）。

前提：SD卡如何读取，不在这里分析了（上面这本书已经很详细了），这里只理解 znFAT 的基本应用。

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例子 1：读取 FAT 基本数据。
执行效果如下：

struct znFAT_Init_Args idata Init_Args; // 初始化参数集合
unsigned int res=0;
UART_Init();
UART_Send_Str("串口设置完毕\r\n");
znFAT_Device_Init(); // 存储设备初始化
UART_Send_Str("SD卡初始化完毕\r\n");
znFAT_Select_Device(0,&Init_Args); // 选择设备
res=znFAT_Init(); // 文件系统初始化
if(!res) // 文件系统初始化成功
{
UART_Send_Str("Suc. to init FS\r\n");
UART_Send_StrNum("BPB_Sector_No:",Init_Args.BPB_Sector_No);
UART_Send_StrNum("Total_SizeKB:",Init_Args.Total_SizeKB);
UART_Send_StrNum("BytesPerSector:",Init_Args.BytesPerSector);
UART_Send_StrNum("FATsectors:",Init_Args.FATsectors);
UART_Send_StrNum("SectorsPerClust:",Init_Args.SectorsPerClust);
UART_Send_StrNum("FirstFATSector:",Init_Args.FirstFATSector);
UART_Send_StrNum("FirstDirSector:",Init_Args.FirstDirSector);
UART_Send_StrNum("FSsec:",Init_Args.FSINFO_Sec);
UART_Send_StrNum("Next_Free_Cluster:",Init_Args.Next_Free_Cluster);
UART_Send_StrNum("FreenCluster:",Init_Args.Free_nCluster);
}
else // 文件系统初始化失败
{
UART_Send_StrNum("Fail to init FS , Err Code:",res);
}

还有印象吗？ Init_Args，

如果以后要用 znFAT，无论简单还是复杂功能，下面三个函数是必须提前执行的（要背下来的，因为的后面的例子都要用到）：
struct znFAT_Init_Args idata Init_Args; // 初始化参数集合
znFAT_Device_Init(); // 存储设备初始化
znFAT_Select_Device(0,&Init_Args); // 选择设备
res=znFAT_Init(); // 文件系统初始化
if(!res) // 文件系统初始化成功
{
。。。。。
}
else
{
。。。。
}

znFAT_Device_Init(); // 存储设备初始化
这个函数是底层的，和SD卡联系密切，这里不再分析，如果会SD卡操作，理解这个函数非常简单。现在，只需认为底层已经配置好了。

初始化函数，是理解后面操作的基础，这个函数不理解，后面的理解就好出现困难。
在znFAT.c 文件中，定义了这个结构体
struct znFAT_Init_Args *pInit_Args; //初始化参数结构体指针，用以指向某一存储设备的初始化参数集合
                                 //使用之前*必须*先指向结构化变量

/*****************************************************************************
功能：选定一个存储设备
形参：devno:设备号 pinitargs:指向存储设备所对应的文件系统初始化参数集合的指针
返回：0
详解：znFAT是支持多设备的，因此在对设备进行文件系统相关操作之前，必须要先选定
   一个存储设备。此函数对Dev_No这个全局的用于区分存储设备驱动的变量进行设
   定，同时将pInit_Args指向存储设备相应的文件系统初始化参数集合
*****************************************************************************/
UINT8 znFAT_Select_Device(UINT8 devno,struct znFAT_Init_Args *pinitargs) //选择设备并指定参数集合结构指针
{
pInit_Args=pinitargs; //将znFAT的初始化参数集合指针指向设备的初始化参数集合

Dev_No=devno; //设置设备号
return 0;
}

UINT8 znFAT_Init(void)
{
struct DBR *pdbr;

znFAT_Device_Read_Sector(MBR_SECTOR,znFAT_Buffer);

if(znFAT_Buffer[0]!=DBR_MARK) //检测0扇区是否为DBR扇区
{
  pInit_Args->BPB_Sector_No=Bytes2Value(((((struct MBR *)(znFAT_Buffer))->Part[0]).StartLBA),4);
}
else
{
  pInit_Args->BPB_Sector_No=0;
}

znFAT_Device_Read_Sector((pInit_Args->BPB_Sector_No),znFAT_Buffer); //读取DBR扇区
pdbr=(struct DBR *)znFAT_Buffer;

if(!IS_FAT32_TYPE((pdbr->BS_FilSysType1))) return FSTYPE_NOT_FAT32; //FAT32文件系统类型检验

pInit_Args->FATsectors    =Bytes2Value((pdbr->BPB_FATSz32) ,4);//装入FAT表占用的扇区数到FATsectors中
pInit_Args->BytesPerSector  =Bytes2Value((pdbr->BPB_BytesPerSec),2);//装入每扇区字节数到BytesPerSector中
pInit_Args->SectorsPerClust =pdbr->BPB_SecPerClus;//装入每簇扇区数到SectorsPerClust 中
pInit_Args->FirstFATSector  =Bytes2Value((pdbr->BPB_RsvdSecCnt) ,2)+pInit_Args->BPB_Sector_No;//装入第一个FAT表扇区号到FirstFATSector 中
pInit_Args->FirstDirSector  =(pInit_Args->FirstFATSector)+(pdbr->BPB_NumFATs)*(pInit_Args->FATsectors); //装入第一个目录扇区到FirstDirSector中
pInit_Args->Total_SizeKB =Bytes2Value((pdbr->BPB_TotSec32),4)/2;  //磁盘的总容量，单位是KB

if(Find_FSINFO_Sec(&(pInit_Args->FSINFO_Sec))) //查找FSINFO信息扇区
{
  return ERR_FAIL;
}

znFAT_Device_Read_Sector((pInit_Args->FSINFO_Sec),znFAT_Buffer);
pInit_Args->Free_nCluster=Bytes2Value(((struct FSInfo *)znFAT_Buffer)->Free_Cluster,4); //获取剩余簇数

if(0XFFFFFFFF==pInit_Args->Free_nCluster) //如果一个磁盘格式化后没有卷标，则其存储空间就没有一点占用，此时FSINFO记录的剩余空簇数为0XFFFFFFFF
{
  pInit_Args->Free_nCluster=(((pInit_Args->Total_SizeKB*2)-(pInit_Args->FirstDirSector))/(pInit_Args->SectorsPerClust))-1;
}

if(Search_Free_Cluster_From_Start(&(pInit_Args->Next_Free_Cluster)))//遍历整个FAT表，搜索可用的空闲簇
{                                                                //此操作可能会耗费较多时间，但没有办法
  return ERR_FAIL;                                                 //FSINFO中的空闲簇参考值并不保证正确
}                                                                //修正和维护它反而会更加麻烦

#ifdef RT_UPDATE_FSINFO //及时将FSINFO扇区进行更新
Update_FSINFO();
#endif

#ifndef RT_UPDATE_CLUSTER_CHAIN
#ifndef USE_ALONE_CCCB
Memory_Set((UINT8 *)pcccb_buf,sizeof(UINT32)*CCCB_LEN,0);
#endif
#endif

#ifdef USE_EXCHANGE_BUFFER
#ifndef USE_ALONE_EXB
Memory_Set(pexb_buf,512,0);
#endif
#endif

return ERR_SUCC;
}

作为入门的例子，现在只需理解蓝色的代码。
这些蓝色的代码很容易理解，只需要复习：

对新手来说，代码太长，原因在于大端和小端的变换，例如
pInit_Args->FATsectors    =Bytes2Value((pdbr->BPB_FATSz32) ,4);//装入FAT表占用的扇区数到FATsectors中

如果不涉及大端和小端，那就非常简单了，pInit_Args->FATsectors    = pdbr->BPB_FATSz32;

另外涉及到简单的运算，例如第一个FAT表开始扇区号=DBR 扇区号+保留扇区数
如果不涉及大端和小端，就是  pInit_Args->FirstFATSector  =pdbr->BPB_RsvdSecCnt+pInit_Args->BPB_Sector_No;
当然，这里需要大端和小端变换，所以最终就是 pInit_Args->FirstFATSector  =Bytes2Value((pdbr->BPB_RsvdSecCnt) ,2)+pInit_Args->BPB_Sector_No;

虽然例子中提到了 FSINFO，这里暂时不加入，等写文件时在开始理解。

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这样就可以理解入门的例子了。