Skip to content

Latest commit

 

History

History
226 lines (163 loc) · 12.8 KB

fat.md

File metadata and controls

226 lines (163 loc) · 12.8 KB
Raw

FAT32

保留区

BPB

在 FAT 没有明确的 SuperBlock 的概念，发挥和 SuperBlock 概念类似的是 BPB（BIOS Parameter Block）。在 FAT卷（“卷”是“文件系统”的同义词）中第一个扇区是 Boot Sector（引导扇区），上面的数据统称为 Boot Record（引导记录），引导记录的一部分是 BPB，这个部分并没有从头开始，而是在 BR 的中间部分，当我们阐述偏移量的时候，是相对于 Boot Sector 的首地址的偏移，而不是 BPB 的首地址的偏移。

BPB 中存储着关于 FAT 卷的配置参数，比较有用的记录如下：

field 偏移（字节） 大小（字节） 解释
bytsPerSec 11 2 一个扇区的字节数，一般是 512
secPerClus 13 1 一个簇的扇区数。需要是 2 的幂次
rsvdSecCnt 14 2 保留区域的总扇区数，保留区域是 FAT 卷的第一个区域
numFATs 16 1 FAT 表的个数，恒为 2
totSec 32 4 FAT 卷的扇区总数。 该值是包括卷的所有三个区域在内的扇区总数
FATsz 36 4 每个 FAT 的扇区数
rootClus 44 4 根目录（也就是数据区域）的第一个簇的编号。 它通常设置为 2，即卷的第一个簇

计算参数

根据 BPB 中记录的参数，我们可以计算出一些有用的参数，方便之后的计算。需要注意这些参数都并不存在 FAT 系统内。

首先介绍 FAT 的结构

image-20230505152650101

FAT 区：

因为 FAT 区域紧邻着保留区域，所以 FAT 的起始扇区号是保留区域的大小

fatBeginSec = bpb.rsvdSecCnt;

而 FAT 区域的大小（以扇区为单位）是 FAT 表的数量和每个 FAT 表的扇区数

FatSectors = bpb.FATSz * bpb.numFATs;

数据区：

数据区在 FAT 区域之后，所以 FAT 的起始扇区号是 FAT 起始扇区与 FAT 区域大小的加和

dataBeginSec = fatBeginSec + FatSectors = bpb.rsvdSecCnt + bpb.FATSz * bpb.numFATs;

数据区的大小（以扇区为单位）是总的扇区数减去前面两个区域的扇区数，也就是减去数据区的起始扇区

dataSectors = bpb.totSec - dataBeginSec;

FAT 表

簇

FAT 是用簇来管理数据区的（但是对于保留区和 FAT 表，依然是用扇区进行管理的）。 簇是由多个连续的扇区组成的，我们为某个文件分配数据区的一片区域时，只能分配一个簇而不能分配一个扇区或者一个字节，这是因为扇区或者字节这样的单位过于细小，对其逐个编号十分浪费空间。

簇被组织成链表的形式，每个文件或者目录都对应一个链表簇。链表的 next 域被记录在 FAT 表中。文件通过目录项记录自己的起始簇号（也就是链表头）。

其结构如图所示：

image-20230525172511089

FAT 表项

FAT 表项是 FAT 表的组成成分，FAT 表是一个 FAT 表项的一维数组，一个 FAT 表条目对应数据区域的一个簇，比如说第 33 个簇，他对应的表项就是 FAT[33] 。这个表项有以下几种可能的值：

  • 链中下一个簇的地址

  • 一个特殊的簇链结束符（EOC，End Of Cluster-chain，或称 End Of Chain）符号指示链的结束

  • 一个特殊的符号标示坏簇

  • 一个特殊的符号标示保留簇

  • 0 来表示空闲簇

数据区

根目录

在 FAT 文件系统中，目录是一种特殊的文件，同样记录在磁盘上。目录的本质是一个“目录条目数组”，一个或者多个目录条目（一个目录条目可能无法表示全部信息）对应该目录下的一个文件。

每个（或者每组）目录条目中记录着文件的属性、起始簇号和时间戳。我们可以根据起始簇号去查询 FAT 表，然后就可以查询到文件的所有簇（以链表形式），进而读取文件的所有内容。

根目录就是数据区的第一个文件，通过读取这个文件，就可以获得根目录下希望访问的文件，通过这个文件的起始簇号，查找 FAT 表，就可以获得文件内容。这个过程中 FAT 的三个区域均有参与，以查找 /home/test.txt 的 offset 偏移后的内容为例，其流程如下：

proces

目录项

目录项是一个 32 bit 的元素，用来表示目录里的文件。它分为两种：短目录项（short name entry, sne）和长目录项（long name entry, lne），一个文件可以对应 1 个 sne，或者对应 1 个 sne 和多个 lne（这种情况发生在文件名比较长的情况，无法用一个 sne 表示）。

目录项的结构如下：

/**
 * @brief 短文件名目录项
 *
 */
typedef struct short_name_entry
{
    // name[0] 的值如果是 0xe5 EMPTY_ENTRY 和 0x00 END_OF_ENTRY, 是有特殊含义的
    // 它和 LNE 的 order 字符在同一个内存位置
    char name[CHAR_SHORT_NAME]; // 文件名，最多 11 个字符，如果文件名不足 11 个字符，则用空格填充
    u8 attr;                    // 文件属性，用于标识该目录项对应的是文件还是目录
    u8 _nt_res;                 // 保留字段，未使用
    u8 _crt_time_tenth;
    u16 _crt_time;
    u16 _crt_date;
    u16 _lst_acce_date;
    u16 fst_clus_hi; // 文件起始簇号的高 16 位
    u16 _lst_wrt_time;
    u16 _lst_wrt_date;
    u16 fst_clus_lo; // 文件起始簇号的低 16 位
    u32 file_size;   // 文件大小，以字节为单位
} __attribute__((packed, aligned(4))) short_name_entry_t;

/**
 * @brief 长文件名目录项
 *
 */
typedef struct long_name_entry
{
    u8 order;       // 长文件名目录项的顺序号，从 1 开始递增
    wchar name1[5]; // 文件名的前 5 个字符，以 Unicode 编码方式存储
    // 这里是第 11 个字节，和 SNE 的第 11 个字节相同
    u8 attr;          // 文件属性，用于标识该目录项对应的是文件还是目录
    u8 _type;         // 文件名类型，用于标识该目录项是长文件名还是短文件名
    u8 checksum;      // 校验和，用于检测长文件名目录项是否被修改
    wchar name2[6];   // 文件名的中间 6 个字符，以 Unicode 编码方式存储
    u16 _fst_clus_lo; // 文件起始簇号的低 16 位
    wchar name3[2];   // 文件名后两个字符
} __attribute__((packed, aligned(4))) long_name_entry_t;

/**
 * @brief 是联合体！可以是 short_name_entry，也可以是 long_name_entry
 * - 短文件名目录项（`sne`）：用于存储文件的短文件名，最多 11 个字符，通常用于 DOS 和 Windows 系统下的文件命名。
 *   短文件名目录项的结构比较简单，只包含了文件名、文件属性、时间戳、起始簇号和文件大小等基本信息。
 * - 长文件名目录项（`lne`）：用于存储文件的长文件名，最多 255 个字符，通常用于支持 Unicode 字符集的文件系统中。
 * 长文件名目录项的结构比较复杂，包含了文件名的各个部分、文件属性、校验和和起始簇号等信息。
 */
typedef union dentry
{
    short_name_entry_t sne;
    long_name_entry_t lne;
} Dentry;

短目录项

Field name 字段名 Offset 偏移 Size 大小 Description 描述
DIR_Name 0 11 对象的短文件名（sne）。
DIR_Attr 11 1 文件属性，由以下标志组合而成。 高 2 位保留，必须为零。 0x01: ATTR_READ_ONLY (Read-only) 0x02: ATTR_HIDDEN (Hidden) 0x04: ATTR_SYSTEM (System) 0x08: ATTR_VOLUME_ID (Volume label) 0x10: ATTR_DIRECTORY (Directory) 0x20: ATTR_ARCHIVE (Archive) 0x0F: ATTR_LONG_FILE_NAME (lne entry)
DIR_NTRes 12 1 可选标志。
DIR_CrtTimeTenth 13 1 可选的亚秒信息对应于 DIR_CrtTime。 DIR_CrtTime 的时间分辨率为2秒，因此该字段给出亚秒计数，其有效值范围为 0 到 199，单位为 10 毫秒。 如果不支持，请设置为零，之后不要更改。
DIR_CrtTime 14 2 可选的文件创建时间。 如果不支持，请设置为零，之后不要更改。
DIR_CrtDate 16 2 可选的文件创建日期。 如果不支持，请设置为零，之后不要更改。
DIR_LstAccDate 18 2 可选的上次访问日期。 没有关于上次访问时间的时间信息，因此最后访问时间的分辨率为1天。 如果不支持，请设置为零，之后不要更改。
DIR_FstClusHI 20 2 起始簇号的高 16 位。 FAT12/16 卷始终为零。
DIR_WrtTime 22 2 对文件进行任何更改时的上次时间（通常在关闭时）。
DIR_WrtDate 24 2 对文件进行任何更改时的最后数据（通常在关闭时）。
DIR_FstClusLO 26 2 起始簇号的低 16 位。 如果文件大小为零，则始终为零。
DIR_FileSize 28 4 文件大小，以字节为单位。 当它是目录时不使用，值必须始终为零。

DIR_Name 字段的第一个字节 DIR_Name[0] 是一个重要数据，用于指示目录条目的状态。当值为 0xE5 时，表示该条目未被使用（新分配可用）。 当值为 0x00 时，表示该条目未被使用（与 0xE5 相同），此外，在此之后没有分配的条目（在此之后的所有条目中的所有 DIR_Name[0] 也被设置到 0）。 DIR_Name[0] 中的任何其他值表示正在使用的条目。 标题字符为 0xE5 的文件名有一个例外。 在这种情况下，改为设置 0x05。

DIR_Name 字段是一个 11 字节的字符串，分为两部分，正文和扩展。 文件名以 8 字节正文 + 3字节扩展名存储。 在目录条目上，文件名中用于分隔正文和扩展名的句点要删除。 如果名称的任何部分与该部分不匹配，则该部分中的剩余字节用空格(0x20)填充。文件名使用的代码页取决于系统。如图所示：

sne

以下是一些示例：

FileName           DIR_Name[]       Description
"FILENAME.TXT"    "FILENAMETXT"     Dot is removed.
"DOG.JPG"         "DOG     JPG"     Each part is padded with spaces.
"file.txt"        "FILE    TXT"     Each character is upper-case converted.
"蜃気楼.JPG"      "・気楼  JPG"     The first byte of "蜃", 0xE5, is replaced with 0x05
"NOEXT"           "NOEXT      "     No extension
".cnf"                              (illegal) Any name without body is not allowed
"new file.txt"                      (illegal) Space is not allowed.
"file[1].2+2"                       (illegal) [ ] + are not allowed.
"longext.jpeg"                      (illegal) Out of 8.3 format.
"two.dots.txt"                      (illegal) Out of 8.3 format.

长目录：

lne 始终与相应的 sne 相关联，以便将 lne 添加到文件中。 lne 从不独立于 sne 存在。 因此，每个文件只有 sne 或者 sne 和 lne。 lne 条目只包含其中的名称信息，而没有关于该文件的任何其他信息。 如果存在没有与 sne 条目关联的 lne 条目，则这种杂散 lne 条目无效并被视为垃圾。 这是为了向后兼容旧系统。 如果为文件指定了lne，则 lne 是文件的主要名称，sne 是另一种选择。

Location First byte Name field Attribute Content
DIR[N-3] 0x43 ary.pdf –VSHR LFN 3rd part (lfn[26…38])
DIR[N-2] 0x02 d System Summ –VSHR LFN 2nd part (lfn[13…25])
DIR[N-1] 0x01 MultiMediaCar –VSHR LFN 1st part (lfn[0…12])
DIR[N] ‘M’ MULTIM~1PDF A----- Associated SFN entry

此外，校验和用于确保 LFN 和 SFN 之间的相关性。 每个 LFN 条目都具有 LDIR_Chksum 中相关 SFN 的校验和。 校验和在下面显示的算法中生成。

static u8 calChecksum(uchar *shortname)
{
    u8 sum = 0;
    for (int i = CHAR_SHORT_NAME; i != 0; i--)
    {
        sum = ((sum & 1) ? 0x80 : 0) + (sum >> 1) + *shortname++;
    }
    return sum;
}

sne 和 lne 配合如图：

lne