Windows文件系统

　　微软在Dos/Windows系列操作系统中共使用了6种不同的文件系统（包括即将在windows的下一个版本中使用的Winfs）。它们分别是：FAt12、FAT16、FAT32、NTFS、NTFS5.0和WINFS。其中FAt12、FAT16、FAT32均是FAT文件系统。是File Allocation Table的简称。

1. FAT12

　　这是伴随着Dos诞生的“老”文件系统了。它采用12位文件分配表，并因此而得名。而以后的FAT系统都按照这样的方式在命名。在DOS3.0以前使用。但是在现在，我们都还能找得到这个文件系统：用于软盘驱动器。当然，其他地方的确基本上不使用这个文件系统了。FAT12可以管理的磁盘容量是8M。这在当时，没有硬盘的情况下，这个磁盘管理能力是非常大的。

　　以3.5英寸的1.44M标准格式化的FAT12文件系统的软盘为例，当软盘被标准格式化后，每磁头80个柱面(磁道)，每个柱面有18个扇区，每个扇区有512字节空间。所以标准软盘的总空间(容量)为：2*80*18*512=1474560B=1440K=1.44M

但是1.44M的软盘格式化可以不是1.44M，可以大于也可以小于；格式化的文件系统也可以不是FAT12。为什么会出现正常的1.44M软盘格式化后可大可小的情况呢？从软盘及软盘驱动器原理出发，软盘的寻址方式（可以认为是读取数据的方式）是：CHS，C = Cylinder（柱面）,H = Header（磁头）,S = Sector（扇区）。标准地格式化后，磁盘将被格式化为 每面80磁道（80个同心圆，柱面），每个磁道有18个扇区，每个扇区是 512字节，那么高密3.5英寸软盘的容量为：2×80×18×512 ＝ 1474560 Byte = 1440 KB = 1.44 MB。然而，软盘可以不格式为80磁道，每个磁道也可以不是18扇区。

FAT12文件系统将按照下表所示的方式划分全部的容量，即文件系统数据结构：

FAT12 2880扇区 (1474560B)	逻辑扇区	占用扇区	内容	磁盘CHS参数(磁头/柱面/扇区)
	0	1(512B)	引导程序	起：0/0/1
	1	9(4608B)	FAT文件分配表1	起：0/0/2 止：0/0/10
	10	9(4608B)	FAT文件分配表2	起：0/0/11 止：1/0/1
	19	14(9728B)	根目录
	33	14(9728B)	文件数据区

操作系统之所以认识FAT12格式的磁盘，其秘密就在于逻辑0扇区这512B上。如果这512字节的最后两个字节的内容分别是55和AA（0xAA55低字节在前，高字节在后)的话，BIOS在启动时会将这个扇区读取到0:7C00h-0:7DFFh处，然后跳转到0:7C00h处继续执行指令，操作系统即用此来达到引导系统的目的，而这个磁盘就称为可引导磁盘。操作系统标识FAT12文件系统是因为在逻辑0扇区(即引导扇区)处还存储着一个特定的数据结构，此结构有固定的格式，在操作系统将此磁盘格式化时自动生成，具体数据结构如下表所示：

标识	偏移量	类型	大小	说明	默认值
	0	db	3	跳转指令
BS_OEMName	3	db	8	OEM字符串，必须为8个字符，不足以空格填空	MSWIN4.1
BPB_BytsPerSec	11	dw	2	每扇区字节数	200h
BPB_SecPerClus	13	db	1	每簇占用的扇区数	1
BPB_RsvdSecCnt	14	dw	2	保留扇区数	1
BPB_NumFATs	16	db	1	FAT表的记录数	2
BPB_RootEntCnt	17	dw	2	最大根目录文件数	0e0h
BPB_TotSec16	19	dw	2	逻辑扇区总数	0b40h
BPB_Media	21	db	1	媒体描述符	0f0h
BPB_FATSz16	22	dw	2	每个FAT占用扇区数	9
BPB_SecPerTrk	24	dw	2	每个磁道扇区数	12h
BPB_NumHeads	26	dw	2	磁头数	2
BPB_HiddSec	28	dd	4	隐藏扇区数	0
BPB_TotSec32	32	dd	4	如果BPB_TotSec16是0，则在这里记录扇区总数	0
BS_DrvNum	36	db	1	中断13的驱动器号	0
BS_Reserved1	37	db	1	未使用	0
BS_BootSig	38	db	1	扩展引导标志	29h
BS_VolID	39	dd	4	卷序列号	0
BS_VolLab	43	db	11	卷标，必须是11个字符，不足以空格填充
BS_FileSysType	54	db	8	文件系统类型，必须是8个字符，不足填充空格	FAT12
	62			引导代码，由偏移0字节处的短跳转而来
	510	dw	2	系统引导标识	0aa55h

首先是跳转指令，偏移0处的跳转指令必须是合法的可执行的基于x86的CPU指令，如：jmp start，这样可以生成3字节长的指令，（加关键字short的短跳转指令的长度是2字节），指向操作系统引导代码部分。Windows和MS-DOS生成的FAT12启动扇区中的跳转指令是短跳转，如：jmp short start，然后加一个nop的空指令来保持3字节的长度。

接着是位于偏移3处的OEM字符串，它必须是一个8字节长的字符串，标识了格式化此磁盘的操作系统的名称和版本号，为了保留与MS-DOS的兼容性，通常Windows 2000系统格式化的磁盘上在此记录中的字符串是“MSDOS5.0”，在Windows 95系统格式化的磁盘上在此记录中的字符串是“MSWIN4.0”，在Windows 95 OSR2和Windows 98系统上格式化的磁盘上在此记录中的字符串是“MSWIN4.1”。

　　

　　接下来是每扇区的字节数，类型是双字节长，标准分区上的每扇区字节数一般是512B，但也可以是其它的数字，如1024,2048和4096，FAT12的格式下设置为512(200h)。

　　偏移13处的是每簇所占用的扇区，类型是字节，簇是数据存储的最小单位，此字段的值取决于分区的大小，在FAT12格式下一般为1，即每簇只有1个扇区(512字节)，簇越大，那么分区的容量也就越大，通过增加簇的扇区数，可以支持更大的磁盘分区，标准的簇大小为1、2、4、8、16、32、64和128，FAT12格式下只能管理2^12个簇(4096)，所以在FAT12格式下能管理和分配的最大空间为：4096*1*512=2097152B=2M，所以FAT12一般只适合3.5寸高密度软盘(1.44M)。

保留扇区指的是在第一个FAT文件分配表之前的引导扇区，一般情况下只保留1个扇区(512B)。

接下来是类型为1字节长的FAT表的总数，默认情况下此字段的值为2，也就是有两个FAT表，FAT1和FAT2的内容相同，当FAT1表出错的时候可以使用FAT2来恢复文件分配表。

位于偏移17处的字段是类型为双字节长的能够储存在根目录下的最大文件(包含子目录)数量，默认为224，每个目录或文件名占用32B的空间，因此根目录的大小为：224*32=7168B=7KB，如果使用长文件名的话，根目录文件数还可能无法达到224的数量。

接下来是位于偏移19处的逻辑扇区总数，类型是双字节，如果此磁盘的逻辑扇区总数大于2^16位(65536)的话，就设置此字段为0，然后使用偏移32处的双字来表示逻辑总扇区数。

位于偏移21处的是单字节长的磁盘类型标识符，使用0f0h表示3.5寸高密码软盘，用0f8h来表示硬盘。此字段主要用于FAT12或FAT16的分区格式中，在Windows 2000中未使用。

偏移22处双字节长的是每个FAT文件分配表所占用的扇区数，操作系统用这个字段和FAT表数量以及隐藏扇区数量来计算根目录所在的扇区。还可以根据最大根目录数来计算用户数据区从哪里开始。

根目录扇区位置=FAT表数量*FAT表所占用的扇区数量+隐藏扇区数量

用户数据开始位置=根目录扇区位置+根目录所占用扇区(FAT12格式下为224*32/512)

此处所说的扇区指的是逻辑(线性)扇区，需要通过转换才能得到CHS磁盘参数，然后通过CHS参数来读写磁盘扇区。

接下来是位于偏移24处的每磁道扇区总数，类型是双字节长，软盘的默认值为18，即每个磁道有18个扇区。

然后是双字节长的磁头数，磁头数指的是磁盘面数，每面都有一个磁头，软盘都是2面的，所以在FAT12格式下此字段固定为2。

接下来是的位于偏移28处类型为双字(4B)长的隐藏扇区数，指的在引导扇区之前的隐藏扇区，在FAT12格式上此字段默认为0，即不隐藏任何扇区，此字段参与计算根目录区和用户数据区位置。

偏移32处的是类型为双字(4B)长的逻辑扇区总数，如果此分区或磁盘的逻辑扇区总数大于65536则用这个字段来表示逻辑扇区总数，否则设置此字段为0后用位于偏移19处的双字节字段来表示。

偏移36处的是物理驱动器号，类型是字节长，它与BIOS物理驱动器相关，在磁盘中断Int13h相关的操作中使用，第一个软盘驱动器设置为0，第一个硬盘驱动器设置为80h，第二个硬盘驱动器设置为81h，以此类推。此字段的值可以在系统引导时用dl寄存器得到。

位于偏移37处的字节没有使用，保留并设置为0。

位于偏移38处的是扩展引导标识，类型是字节，操作系统用它来识别引导信息，值可以是28h或29h。

接下来的是位于偏移39处的卷标号，类型是双字(4B)长，在格式化磁盘时所产生的一个随机序号，有助于区分磁盘，可以为0。

然后是位于偏移43处的卷标，长度必须是11字节长(不足以空格20h填充)，此字段只能使用一次，用来保存磁盘卷的标识符，再次设置的时候被保存到根目录中作为一个特殊的文件来储存。

最后是位于偏移54处的是长度为8字节的文件系统类型标识符，不足8字节则以空格20h来填充。FAT12格式下此字段为“FAT12   ”，相应的还有“FAT16   ”和“FAT32   ”。但要注意的是，操作系统并不使用这个字段来识别此磁盘所用的文件系统。

我们先来看看文件分配表的数据格式，文件分配表所在的扇区应该是(隐藏扇区+保留扇区)=0+1=第1扇区处，从第1扇区开起到第9扇区结束，第一个文件分配表共占用9个扇区，第二个文件分配表从第10个扇区开始到第18扇区结束，在引导扇区的数据结构中明明确的指出了这些位置。

文件分配表数据结构如下图所示：

在FAT表开始扇区的第1字节是存储介质，0f0h代表软盘，0f8代表硬盘；第2、3这两个字节都是0ffh，代表了FAT文件分配表标识符，从第四个字节开始与用户数据区所有的簇一一对应，应该注意的是，用户数据区的第一个簇的序号是002，而不是000，因为储存介质和标识符占用了这两个序号。

在FAT12格式中用12比特位来代表一个簇的序号，我们知道，每个字节有8位比特，所以每个簇要占用1.5个字节，也就是说，占用了第1字节和第2字节的一半才能表示一个簇的序号，半字节的拆分办法按照下图的方式进行：

例如：在FAT表中开始位置储存的字节内容依次是F0 FF FF FF 4F 00 05 F0 FF，前面三个字节是储存介质和标识符，我们不管它，前面三个字节占用了0和1这两个簇序号，那么就应该从2簇开始了。经过转换得到的簇序号是：0fffh 004h 005h 0fffh，簇号是12位比特，第4字节(1111 1111)的作为第2簇号的低8位(0-7)，第5字节(4F)的低4位(1111)作为第2簇号的高4位(8-11)，这样就得到了第2簇号的内容为0fffh；然后第5字节的高4位(0100)作为第3簇号的低4位(0-3)，第6字节(0000 0000)作为第3簇号的高8位(4-11)，这样便得到了第3簇号的内容为004h；第7字节(0000 0101)作为第4簇号的低8位(0-7)，第8字节的低4位(0000)作为第4簇号的高4位(8-11)，这样可以得到第4簇号的内容为005h；第8字节的高4位(1111)作为第5簇号的低4位(0-3)，第9字节(1111 1111)作为第5簇号的高8位(4-11)，这样得到第5簇号的内容为0fffh。

　　Fat12文件系统的限制：
　　1)文件名：只能是8.3格式的文件名。 　　

　　2)磁盘容量：最多8M。（4096clusters×4sectors/clusters×512bytes、sectors） 　　

　　3)文件碎片严重。（只在磁盘上不存储在不连续的簇内。）