硬盤是用來存儲數據的，爲了使用和管理方便，這些數據以文件的形式存儲在硬盤上。任何操作系統都有自己的文件管理系統，不同的文件系統又有各自不同的邏輯組織方式。例如：常見的文件系統有FAT，NTFS，EXT，UFS，HFS+等等。作者後面的文章會一一講到，下面就來學習一下基於Windows的FAT32文件系統。
FAT32文件系統由DBR及其保留扇區，FAT1，FAT2和DATA四個部分組成，其機構如下圖：
這些結構是在分區被格式化時創建出來的，含義解釋如下：
DBR及其保留扇區：DBR的含義是DOS引導記錄，也稱爲操作系統引導記錄，在DBR之後往往會有一些保留扇區。
FAT1：FAT的含義是文件分配表，FAT32一般有兩份FAT，FAT1是第一份，也是主FAT。
FAT2：FAT2是FAT32的第二份文件分配表，也是FAT1的備份。
DATA：DATA也就是數據區，是FAT32文件系統的主要區域，其中包含目錄區域。
一、分析FAT32文件系統的DBR
FAT32文件系統的DBR有5部分組成，分別爲跳轉指令，OEM代號，BPB，引導程序和結束標誌。如下圖是一個完整的FAT32文件系統的DBR。
跳轉指令：本身佔2字節它將程序執行流程跳轉到引導程序處。
OEM代號：這部分佔8字節，其內容由創建該文件系統的OEM廠商具體安排。
BPB：FAT32的BPB從DBR的第12個字節開始，佔用79字節，記錄了有關該文件系統的重要信息，各參數解釋如下表：
FAT32文件系統在DBR的保留扇區中安排了一個文件系統信息扇區，用以記錄數據區中空閒簇的數量及下一個空閒簇的簇號，該扇區一般在分區的1號扇區，也就是緊跟着DBR後的一個扇區，其內如下：
各參數解釋如下：
引導程序代碼：FAT32的DBR引導程序佔用420字節，對於沒有安裝操作系統的分區來說這段程序是沒有用處的。
結束標誌：DBR的結束標誌與MBR，EBR的結束標誌相同，爲“55 AA”。
二、分析FAT32文件系統的FAT表
FAT1的內容如下：
由於分區格式化之後沒有寫入太多的數據，所以FAT項很少。
FAT表結構及作用
1、FAT32文件一般有兩份FAT，他們由格式化程序在對分區進行格式化時創建，FAT1是主，FAT2是備份。
2、FAT1跟在DBR之後，其具體地址由DBR的BPB參數中指定，FAT2跟在FAT1的後面。
3、FAT表由FAT表項構成，我們把FAT表項簡稱FAT項，每個FAT項佔用4字節。
4、每個FAT項都有一個固定的編號，這個編號從0開始。
5、FAT表項的前兩個FAT項爲文件系統保留使用，0號FAT爲介質類型，1號FAT爲文件系統錯誤標誌。
6、分區的數據區中每個簇都會映射到FAT表中的唯一一個FAT項，因爲0號FAT和1號FAT被系統佔用，用戶的數據從2號FAT開始記錄。
7、如果某個文件佔用很多個簇，則第一個FAT項記錄下一個FAT項的編號（既簇號），如果這個文件結束了，則用“0F FF FF FF”表示。
8、分區格式化後，用戶文件以簇爲單位存放在數據區中，一個文件至少佔用一個簇。
9、FAT的主要作用是標明分區存儲的介質以及簇的使用情況。
定位FAT絕對位置的方法如下：
1、首先從MBR的分區表中得知分區的起始扇區，偏移到此扇區。
2、從DBR的BPB中得知DBR的保留扇區數，FAT表的個數，FAT表的大小。
3、因此FAT1=分區起始扇區+DBR保留扇區，FAT2=分區起始扇區+DBR保留扇區+FAT1。
三、分析FAT32文件系統的數據區
數據區的位置在FAT2的後面，具體定位方式如下；
1、通過MBR中的分區表信息得知分區的起始位置。
2、通過分區中DBR得知DBR的保留扇區數以及FAT表的大小，FAT表的個數。
3、通過上面的信息就可以找到數據區的起始位置，根目錄=數據區的起始扇區+（簇大小*2）。
數據區的類容主要由三部分組成：根目錄，子目錄和文件內容。在數據區中是以“簇”爲單位進行存儲的，2號簇被分配給根目錄使用。
根目錄的定位方式爲：根目錄=分區起始扇區+DBR保留扇區+（FAT表*2）+（簇大小*2）
FAT32文件系統中，分區根目錄下的文件和目錄都放在根目錄區中，子目錄中的文件和目錄都放在子目錄區中，並且沒每32個字節爲一個目錄項，每個目錄項紀錄着一個目錄或文件（也可能是多個目錄項記錄一個文件或目錄），如上圖所示就是一個目錄項。
在FAT32文件系統中，目錄項可以分爲四類：卷標目錄項、“.”和“..”目錄項、短文件名目錄項、長文件名目錄項。
卷標目錄項：卷標就是分區的名字，可以在格式化分區時創建，也可以隨意修改，長度爲11字節。
“.”和“..”目錄項：“.”表示當前目錄，“..”表示上一層目錄。這兩個目錄項多存在子目錄中。
短文件名目錄項：所謂短文件名既文件名的“8.3”格式，此格式支持主文件名不能超過8字節，擴展名不能超過3字節。短文件名目錄始終存放在一個目錄項中。
短文件名的各參數解釋如下：
其中關於時間的表達方式如下：
關於日期的表達方式如下：
長文件名目錄項：由於短文件名“8.3”的格式遠遠不能滿足現實中的需求，所以就出現了長文件名，長文件名其實就是將文件名進行分段，分成若干個短文件名進行存儲。
長文件名在進行分段存儲的時候，遵循一下三個處理原則：
1、系統取長文件名的前6個字符加上“~1”形成短文件名，其擴展名不變；
2、如果已存在這個名字的文件，則符號“~”後的數字自動增加；
3、如果文件名內存在windows非法的字符，則以下劃線“_”代替；
4、長文件名目錄項採用倒敘的方式進行記錄，如上圖。
如下：是長文件名目錄的各參數的解釋
FAT32文件系統總結
上述的內容已經簡單的介紹了FAT32文件系統，下面根據定位某個文件來詳細的瞭解FAT32文件系統是如何存儲數據的。
1、根據磁盤0號扇區MBR的分區表得知分區的起始位置，既DBR；
2、根據DBR中BPB記錄的信息，得知DBR保留扇區數，FAT的大小，FAT的個數；
3、根據上述信息可以算出數據的起始位置，數據區=分區起始扇區+DBR保留扇區+（FAT表*2）；
4、計算根目錄所在的絕對位置，根目錄=數據區的起始扇區+（簇大小*2）；
5、根據根目錄中的目錄項信息得知，根目錄下的文件以及子目錄等所對應的簇；
6、根據文件的簇號就可以找到文件內容的絕對扇區；
7、如果一個文件佔用多個簇，則需要根據FAT表項得知下一個數據簇的簇號。
7、如果根目錄下的目錄項是子目錄的話，則根據子目錄中的文件目錄項得知文件內容的簇號；
8、如果子目錄中還有子目錄的話，則根據這種方法一直找下去即可。
至此FAT32文件系統就簡紹完畢了，希望對那些喜歡數據底層的朋友們有所幫助。
作者：鄧奇
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