FAT 32 文件系统学习

1、本文的目标

本文将通过实际读取一个FAT32格式的U盘来简单了解和学习FAT32文件系统的格式。虽然目前windwos操作系统的主流文件系统格式是NTFS，但是FAT32由于其兼容性原因，还是有一定的学习价值。为了能做出一个窗体程序提供直观的感觉，本文的代码采用c#编写，对应的c++代码也会附上。

2、本文目录

1、本文的目标

2、什么是FAT32

FAT32是Windwos系统硬盘格式分区的一种。这种格式采用32位的文件分配表，使其对磁盘的管理能力大大增强，突破了FAT16对配一个分区的容量只有2GB的限制。虽然目前已被更优异的NTFS分区格式所取代^[1]。其实说白了就是FAT表的每一项长度都是32位，所以叫做FAT32。至于每一项存放的内容是什么，下面的内容会慢慢进行分析。

FAT32的构成

FAT32 文件系统将逻辑盘的空间划分为三部分，依次是引导区（BOOT区）、文件分配表区（FAT区）、数据区（DATA区）^[2]。引导区和文件分配表区又合称为系统区。本文将简单学习引导区的内容，文件分配表区和数据区将在下一篇文章中学习。

3、引导区

读取引导扇区

引导区从第一扇区开始，保存了每个扇区的字节数，一个簇的扇区数，FAT表的起始位置，FAT表的个数以及FAT表的扇区数等信息。之后还留有若干保留扇区。首先我们先看一下如何从一个U盘当中读取引导区（这里只读取第一个扇区，接下来的读取方法相同）。为了直接读取磁盘的逻辑扇区，我们需要用到windows api当中的几个函数，分别是CreateFile（这里用来创建磁盘的句柄），ReadFile(这里用于读取磁盘扇区)。首先来看一下这两个函数的定义：

 HANDLE WINAPI CreateFile(

   _In_      LPCTSTR lpFileName,                          // 要打开的文件的名或设备名。

   _In_      DWORD dwDesiredAccess,                       // 指定类型的访问对象。

   _In_      DWORD dwShareMode,                           // 文件共享模式

   _In_opt_  LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,  // 定义了文件的安全特性

   _In_      DWORD dwCreationDisposition,

   _In_      DWORD dwFlagsAndAttributes,

   _In_opt_  HANDLE hTemplateFile                         // 返回句柄

 );

这个函数在msdn上可以查到，这里需要说明一下的是，dwShareMode需要指定为FILE_SHARE_WRITE才能读取扇区的数据（这里是为什么我也不太清楚为什么，希望高人指教）。dwCreationDisposition需要制定为OPEN_EXISTING ，表示文件必须已经存在，由设备提出要求。函数如执行成功，则返回文件句柄。否则返回的句柄 = INVALID_HANDLE_VALUE表示出错，会设置GetLastError。具体失败原因可以查询ErrorCode。

第二个函数是ReadFile，其定义如下：

 BOOL ReadFile(

     HANDLE hFile,               //文件的句柄

     LPVOIDl pBuffer,            //用于保存读入数据的一个缓冲区

     DWORD nNumberOfBytesToRead, //要读入的字节数

     LPDWORD lpNumberOfBytesRead,//指向实际读取字节数的指针

     LPOVERLAPPED lpOverlapped

     //如文件打开时指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED，那么必须，用这个参  数引用一个特殊的结构。

     //该结构定义了一次异步读取操作。否则，应将这个参数设为NULL

 );

该函数用于读取文件，这里指的是读取U盘扇区。其中lpOverlapped设为NULL即可。需要特别注意的是，由于磁盘是以扇区为单位进行读写的，所以这里读取的字节数必须是512的倍数！其他参数注释写的很明白，这里就不再解释了。配合SetFilePointer函数可以读取指定起始位置上指定字节的数据。

首先先来看一下用c++是如何读取引导扇区的数据的。

     // 笔者的U盘盘符为G

     WCHAR szDiscFile[] = _T("\\\\.\\G:");

     // 打开设备句柄

     HANDLE hDisc = CreateFile(szDiscFile, GENERIC_READ,  FILE_SHARE_WRITE, NULL, OPEN_EXISTING, , NULL);

     if (hDisc == INVALID_HANDLE_VALUE)

     {

         // 打开设备失败

         return ;

     }

     // 从第一个扇区起始位置开始读取

     SetFilePointer(hDisc, , , FILE_BEGIN);

     // 需要读取字节数

     DWORD dwNumber2Read = ;

     // 实际读取的字节数

     DWORD dwRealNumber;

     // 分配缓冲区

     char* buffer = new char[];

     bool bRet = ReadFile(hDisc, buffer, dwNumber2Read, &dwRealNumber, NULL);

     // 扫尾工作，释放缓冲区，关闭句柄

     delete[] buffer;

     CloseHandle(hDisc);

如果我们在21行处下各断点的话可以看到buffer在内存中的数据，这里为了方便，笔者直接把这512个字节的数据保存到了文件中，用二进制文件读取软件打开来看了下，部分数据如下图所示：

BPB参数

好了，接下来重点来了。首先，最开始的3各字节的数据分别是跳转指令与空指令，因为在汇编当中0xEB是跳转指令，0x58是跳转的地址，而0x90则是空指令。至于为什么要在这里放上一句跳转指令呢，这个还得从启动区开始讲起，为了节约篇幅，我就简单介绍一下：一般第一个扇区叫做启动区，cpu把扇区当中的数据当作指令来执行，当读取到EB 58 这个指令时，遍跳转到0x58这个地址并继续读取指令来执行，而0x58地址之后的内容通常都是载入操作系统的指令。如果希望知道详细内容的读者不妨去看一下《30天自制操作系统》这本书，第一天结尾部分有很详细的说明。总之这边的话FAT32规定这个3各字节的内容必须是EB 58 90，只要记住就行了（笑）。(如1L所说，EB 58 90 对应汇编代码即为JUMP 0x58; NOP;)。

而从0x03~0x0A这8个字节的数据表示OEM，这里即为“MSDOS5.0”。

我们把从0x000B开始的79个字节的数据叫做BPB（BIOS Paramter Block），关于BPB的详细说明请参见下表^[5]：

BPB参数信息
偏移量	字节数	含义	值
0x00B	2	每扇区字数	0x0200
0x00D	1	每簇扇区数	0x08
0x00E	2	保留扇区数	0x03F8
0x010	1	FAT个数	0x02
0x011	2	根目录项数，FAT32以突破该限制，无效	0x0000
0x013	2	扇区总数，小于32M使用	0x0000
0x015	1	存储介质描述负	0x0F8
0x016	2	每FAT表占用扇区数，小于32M使用	0x0000
0x018	2	逻辑每磁道扇区数	0x003F
0x01A	2	逻辑磁头数	0x00FF
0x01C	4	系统隐含扇区数	0x00000080
0x020	4	扇区总数，大于32M使用	0x00784F80
0x024	4	每FAT表扇区数，大于32M使用	0x00001E04
0x028	2	标记	0x0000
0x02A	2	版本 (通常为零)	0x0000
0x02C	4	根目录起始簇	0x00000002
0x030	2	Boot占用扇区数	0x0001
0x032	2	备份引导扇区位置	0x0006
0x034	14	保留	14个字节的0x00
0x042	1	扩展引导标记	0x29
0x043	4	序列号	0x6A9C4125
0x047	10	卷标	转成字符即“NO NAME”
0x052	8	文件系统	转成字符即“FAT32”

我来解释一下其中的几个参数。首先是保留扇区数，它可以理解为是FAT表的起始位置。我们可以先来看一下下面这张图，有助于更好的理解保留扇区数的意思。

可以看到引导扇区后面紧跟这若干保留扇区，至于保留扇区的作用会在下一篇中分析，这里先跳过。而保留扇区的后面紧跟着的是FAT1和FAT2。所以FAT1表的起始地址是（引导扇区+保留扇区）*扇区字节数？不对。这里有个需要注意的地方是，保留扇区数这个参数其实已经包含了引导扇区了，所以在计算FAT1表位置的时候直接通过保留扇区数这个参数来计算偏移就行了。这一点需要特别注意。（这里笔者看了几篇文献的说法不一，有说需要加上保留扇区的，有说不用加的，可能是版本不一样的关系。但是笔者亲自实践之后发现是不需要加上的。）

至于FAT表留到下一篇再讲，这里说明一下为什么FAT会有两张。文件分配表区共保存了两个相同的文件分配表，因为文件所占用的存储空间（簇链）及空闲空间的管理都是通过FAT实现的，FAT如此重要，保存两个以便第一个损坏时，还有第二个可用^[^4]。这样FAT表个数这个参数也解释了。

程序实现

为了用窗体程序直观的显示各个参数，接下来把上面的程序改写为c#。众所周知，c#调用系统函数大多都需要靠间接调用c的动态库来实现，这里的CreateFile和ReadFile也不例外。下面我们先编写一个FileReader类来提供这些系统api调用。部分代码如下，完整的FileReader点我下载

class FileReader

{

　　[System.Runtime.InteropServices.DllImport("kernel32", SetLastError = true, ThrowOnUnmappableChar = true, CharSet = System.Runtime.InteropServices.CharSet.Unicode)]

    static extern unsafe System.IntPtr CreateFile

    (

        string FileName,          // file name

        uint DesiredAccess,       // access mode

        uint ShareMode,           // share mode

        uint SecurityAttributes,  // Security Attributes

        uint CreationDisposition, // how to create

        uint FlagsAndAttributes,  // file attributes

        int hTemplateFile         // handle to template file

    );

　　public bool Open(string FileName)

    {

        // open the existing file for reading

        handle = CreateFile

        (

            FileName,

            GENERIC_READ,

            FILE_SHARE_WRITE,

            ,

            OPEN_EXISTING,

            ,

        );

        if (handle != System.IntPtr.Zero)

        {

            return true;

        }

        else

        {

            return false;

        }

    ｝
｝

由于本文的重点不是学习c#窗体编程，所以略过这部分，直接通过调用FileReader提供的系统API并编写窗体程序，效果如下图所示(本程序参考[3])，需要完整工程的读者可以点我下载，请我VS2012及以上打开。

好了，今天这篇文章就先写到这边。由于笔者才疏学浅，对于FAT32也是刚开始学习，如果有错误的地方欢迎批评指正。同时这也是我第一次发随笔，如果排版等方面有不妥的地方也欢迎提出。接下来会继续学习接下去的FAT表区和数据区并继续更新接下来的学习心得。

参考文献：

1、http://baike.baidu.com/view/45233.htm?fr=aladdin

2、FAT32文件格式 http://blog.csdn.net/shrekmu/article/details/5950414

3、读写U盘(FAT32)引导扇区 http://blog.csdn.net/zhanglei8893/article/details/5912903

4、FAT32文件系统格式详解 http://wenku.baidu.com/link?url=zrGv8nld-bc-7KT_TKbo2vWplaiIHhmJ9_ydRZBZdZ4zy8odQFwS6komz2gz1AHX36T_EN1CKZ_16d19upW9pDauno6zEmpw10wlTSTwcoi

5、基于U盘FAT32文件系统的分析 http://wenku.baidu.com/link?url=cIKgrwV66y4CoyuOEB1-OhjRY9tnXtIAoZuYEwDCjxbyRomSIiJgBAXGxq6LudfwuopUpYhiVd8TjxrBFoVyPs0NX3OqbnoWjyn4ZAx60Wi