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FAT32文件系统结构研究

时间:2012-06-28 23:17来源:未知 点击:
关键字: 硬盘专题
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系统结构研究
摘 要:Windows98 操作系统引入了FAT32 文件系统,它解决了FAT16 文件系统存在的诸多问题. 但有关FAT32 文件系统技术实质的文章尚不多见. 本文对FAT32 文件系统的结构和技术实质进行了详细分析,揭示了FAT32 文件系统存储和管理文件的算法. 掌握FAT32文件系统的内部结构,可以使读者在更高层次上发挥操作系统的功能.
关键词: 文件分配表;文件目录表;文件系统;操作系统
 
1. 引言
     FAT32 是个非常有功劳的文件系统,Microsoft 成功地设计并运用了它,直到今天NTFS铺天盖地袭来的时候,FAT32 依然占据着Microsoft Windows 文件系统中重要的地位。FAT32最早是出于FAT16 不支持大分区、单位簇容量大以致空间急剧浪费等缺点设计的。文件系统总体上与FAT16 文件系统变化不大,现将有关变化部分简介如下:
   
       (1) 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) 。引导区和文件分配表区又合称为系统区。
       (2) 引导区从第一扇区开始,使用了三个扇区,保存了该逻辑盘每扇区字节数,每簇对应的扇区数等等重要参数和引导记录。之后还留有若干保留扇区。而FAT16 文件系统的引导区只占用一个扇区,没有保留扇区。
       (3)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. 为了彻底了解FAT32 文件系统对操作系统的哪些方面进行了改变, 本文对FAT32 文件系统的完整结构进行了深入分析,其中包括对构成FAT32 文件系统的主引导扇区(分区扇区) 、分区引导扇区、FAT 和FDT 表4 个结构的分析.FAT32 文件系统带来了很多好处,随着大容量硬盘的日益普及,使用FAT32 文件系统将是大势所趋.
2. 对FAT32 文件系统主引导扇区的分析
        主引导扇区是硬盘独有的一个磁盘控制数据存储区域,是硬盘独有的一个磁盘控制数据存储区域,其首要功能是存储有关硬盘分区的数据,它通常位于硬盘的0 磁头0 柱面1 扇区。由于主引导扇区存放硬盘分区的有关数据,因此又称为分区扇区。分区数据对硬盘是至关重要的,分区数据的丢失或破坏将导致硬盘上的逻辑磁盘不能被系统识别,当然也就无法访问磁盘上存储的文件和数据。
2.1 主引导扇区的传统功能与作用
        通过对硬盘主引导扇区程序的分析,其中存储的数据主要由以下3 个部分构成:
       1) 引导系统启动的程序代码
       2) 硬盘的分区数据
       3) 主引导扇区的有效标志
       主引导扇区的首要功能是存储有关硬盘分区的数据, 保存了该逻辑盘每扇区字节数,每簇对应的扇区数等等重要参数和引导记录,这些分区数据对硬盘是至关重要的. 分区数据的丢失或破坏将导致硬盘上的逻辑磁盘不能被系统识别,当然也就无法访问磁盘上存储的文件和数据.
2.2 FAT32 文件系统对主引导扇区的改变
       根据对 FAT32 文件系统主引导扇区的分析可知,FAT32 文件系统的主引导扇区在保持与FAT16 文件系统主引导扇区兼容的基础上,针对FAT32 文件系统的特点作了适当扩展。FAT32文件系统主引导扇区对分区表数据结构的扩展仅限于增加了3 个标识32 位分区的类型标志,这3 个增加的分区类型标志分别为0BH、0CH 和0EH,用于描述FAT32 文件系统的三种分区情况。对于扩展分区,则增加了一个类型标志0FH,表示Windows 98 操作系统扩展分区。类型标志为0BH 表示分区是FAT32 分区,最大分区容量可以达到2047GB;为0CH 表示的意义与0BH 相同,但是对于INT 13H 指令使用扩展的逻辑块地址(LBA)方式;为0EH 表
示的意义与06H 相同,但是对于INT 13H 指令使用扩展的逻辑块地址(LBA)方式;为0FH表示的意义与05H 相同(扩展分区),但是同样对于INT 13H 指令使用扩展的逻辑块地址方式。使用扩展的逻辑块地址方式是为了支持容量超过8GB 的大容量硬盘。由于文件系统转化为FAT32 后,分区的类型标志变化为0BH、0CH 和0EH,这些新的类型标志是原来FAT16文件系统所不能识别的,所以当用户使用MS-DOS 操作系统的软盘启动系统后,机器不能识别硬盘的分区数据,当然也不能对硬盘的数据进行访问。
3. 对FAT32 文件系统分区引导扇区的分析
       硬盘的主引导扇区,分区表,分区引导扇区(MBR、DPT、DBR、BPB)是电脑BIOS 自检完成后,操作系统开始引导系统前整个电脑运作过程中需要检查的重要参数,硬盘的主引导扇区,分区表,分区引导扇区(MBR、DPT、DBR、BPB)参数错误可能导致系统无法启动或存储的数据丢失,硬盘的0 柱面、0 磁头、1 扇区称为主引导扇区(也叫主引导记录MBR),该记录占用512 个字节,它用于硬盘启动时将系统控制权转给用户指定的、在分区表中登记了某个操作系统分区。MBR 的内容是在硬盘分区时由分区软件(如FDISK)写入该扇区的,MBR 不属于任何一个操作系统,不随操作系统的不同而不同,即使不同,MBR 也不会夹带操作系统的性质,具有公共引导的特性。但安装某些多重引导功能的软件或LINUX 的LILO时有可能改写它;它先于所有的操作系统被调入内存并发挥作用,然后才将控制权交给活动主分区内的操作系统.
3.1 FAT16 文件系统的分区引导扇区
       FAT16 文件系统分区引导扇区是由引导系统启动的程序代码、逻辑磁盘参数和分区引导扇区有效标志3 个部分构成. 在分区引导扇区中最重要的部分是逻辑磁盘读写(称为I/ O)参数,引导系统启动的程序代码将使用这些参数来访问存储在磁盘上各文件的数据. I/ O 参数从扇区偏移地址O3H 开始存放,共有18 个数据项,占用58 个字节(从扇区偏移地址03H到3DH) .
3.2 FAT32 文件系统的分区引导扇区     
       在Windows 操作系统中,当文件系统从FAT16 转化为FAT32 后,分区引导扇区的功能和作用并没有改变,但是考虑到FAT32 文件系统的特性和为了解决FAT16 文件系统存在的问题,操作系统对FAT32 文件系统的分区引导扇区进行了扩展.
3.2.1 分区引导扇区所占的扇区数从1 个扇区扩展为6 个扇区
       分区扇区的核心功能是通过磁盘读写参数加载启动操作系统的文件,为了使加载文件的操作更加灵活,加上FAT32 文件系统采用“活动”的FDT 表,需要对分区引导扇区的引导程序代码进行重新的设计. 同时考虑到引导程序的代码量和为今后发展保留适量的余量,FAT32文件系统将分区引导扇区所占的扇区数从1 个扇区扩展为6 个扇区. 当前版本的Windows98使用了前3 个扇区作为系统的分区引导扇区,其余3 个扇区保留暂未使用.
3.2.2 采用双重分区引导扇区
       根据对分区引导扇区功能和作用的研究,我们知道分区引导扇区对于操作系统的启动和磁盘文件的访问具有至关重要的作用. 引导程序代码的损坏将导致操作系统不能正常启动,磁盘读写参数的破坏将造成存储在磁盘上的文件不能正常读写.由于分区引导扇区的重要性,FAT32 文件系统借鉴系统处理FAT 表的经验,在磁盘保留了两份分区引导扇区,并且在启动时操作系统可以对两份引导扇区进行比较,以便选择正确的引导扇区来引导系统. 由于在磁盘正常工作过程中系统不再对引导扇区的程序和数据进行修改,因此备份的分区引导扇区损坏的可能性非常小.
3.2.3 根据FAT32 文件系统的特点对磁盘读写参数作了进一步的扩展
       FAT32 文件系统的磁盘读写参数在部分保持与FAT16 文件系统磁盘读写参数兼容的基础上,为了适应FAT32 文件系统的需要,对磁盘读写参数作了适当的扩展,所使用的字节数也从FAT16 文件系统的58 个字节扩展为87 个字节. FAT32 文件系统的磁盘读写参数占用扇区偏移地址03H 至59H 的存储空间,各参数的含义如表1 所示:
表1 FAT32 文件系统磁盘读写参数
编号 起始偏移地址 占字节数 意义
1 03H 8 操作系统的版本号
2 0BH 2 每个扇区的字节数
3 0DH 1 每簇扇区数
4 0EH 2 为操作系统保留的扇区数
5 10H 1 FAT 表的个数
6 11H 2 是否为FAT32
7 13H 2 未使用
8 15H 1 磁盘介质标志
9 16H 2 未使用
10 18H 2 每个磁道的扇区数
11 1AH 2 磁盘的磁头个数
12 1CH 4 分区隐藏扇区个数
13 20H 4 逻辑磁盘扇区总数
14 24H 4 每个FAT 表所占的扇区数
15 28H 2 FAT 表镜像标志
16 2AH 2 文件系统主次版本
17 2CH 4 磁盘根目录的起始簇号
18 30H 2 文件系统参数的扇区号
19 32H 2 备份分区引导扇区的逻辑扇区号
20 34H 12 保留,
21 40H 2 磁盘物理驱动器号
22 42H 1 磁盘读写参数扩展标志
23 43H 4 磁盘卷的序列号
24 47H 11 磁盘卷标号
25 52H 8 文件系统的标识号
4. 对FAT32 文件系统分区引导扇区的分析
        FAT 表是一张磁盘空间分配情况登记表,它以簇号的方式记录了簇的分配情况. 在FAT16文件系统中,通常用2 个字节来标记簇号分配的链表. 对于FAT32 文件系统来讲,其核心的改变就是使用4 个字节来标记簇号分配的链表. FAT32 文件系统的命名就源自系统采用32位的FAT 表结构, 但是FAT 表的变化反而不如其它磁盘控制区域数据的变化大. 除了采用32 位4 个字节作为一个簇的记录项和标记项等参数略有改变外,FAT 表中没有任何其它变化.根据FAT32 文件系统的特点,32 位的FAT 表中以下数据发生了变化.
4.1 保留簇的改变
        在 FAT16 文件系统中, FAT 表中前4 个字节为保留值,其中第1 个字节作为磁盘的标志.采用4 个字节作为保留值的理论依据来源于系统将编号为0 和1 的两个簇作为保留,文件数据区从第2 个簇开始,故根据簇号链的计算公式:
       (簇号入口地址= 簇号×2) ,FAT 表的前4 个字节就设计为保留值.
       使用与FAT16 文件系统相同的原理,32 位FAT表也将0 簇和1 簇作为保留簇,故FAT 表的前8 个字节为保留值,其中第1 个字节仍然作为磁盘标记. 同时,为了满足特殊文件系统的要求,FAT32 文件系统将第2 个簇也同时作为保留簇,用于记录FDT 表的空间分配簇链登记项.
4.2 登记项的改变
       32 位的FAT 表用“00000000” 项表示对应的簇号未分配; 用“0FFFFFF8H” 至“0FFFFFFFH”表示对应的簇是文件分配的最后一簇;而“0FFFFFF7H”则表示已损坏不能分配的簇.由于FAT 表中登记项的32 位值中高4 位为保留(总是0) ,故理论上FAT32 文件系统可以表示的最大簇号为268 435 450 (228) ,即用于实际描述簇号的位数为28 位,用前述公式读者不难计算出FAT32 文件系统可以表示的最大磁盘空间.
5. 对FAT32 文件系统FDT 表的深入分析
       FDT 表的作用是记录文件的主名、扩展名、日期、属性、起始簇号和长度等信息,从记录的内容来看,除了文件的起始簇号外,其它参数没有任何变化. 另外,从文件系统的结构来看.FDT 表本身将从磁盘控制区域内的固定位置变化为磁盘数据区中的浮动空间位置,以解决磁盘根目录文件数量受到FDT 表空间限制的问题. 因此,下面我们重点对浮动的FDT 表和目录登记项中的起始簇号参数进行讨论.
       在 FAT16 文件系统中,记录根目录文件参数的FDT 表位于磁盘上FAT 表和文件数据存储区之间的固定位置中,通常为32 个或38 个扇区,可以记录512 个或608 个文件的数据. 由于存放根目录文件FDT 表的空间是固定的,因此根目录上存储的文件或文件夹的数量是有限的. 对于各子目录下的FDT 表,操作系统采用文件管理的方式管理FDT 表,即使用FAT 表来管理各子目录下FDT 表所需要的存储空间,当子目录下的文件数量超出当前FDT 表允许的登记项的数量时,操作系统为FDT 表再分配一个簇,用于存储目录项参数,并同时在系统FAT表中登记上FDT 表的分配簇链. 所以,从理论上讲,子目录下存放的文件除了受到磁盘空间的限制外,不受其它任何条件的限制.FAT32 文件系统为了解决根目录FDT 表空间受到限制的问题,借鉴了子目录下FDT 表的经验,将根目录FDT 表也以文件的形式来管理,从而形成浮动的根目录FDT 表.浮动FDT 表的结构实际上是固定部分和动态部分的有机结合,其中固定部分通常为1 个簇. 在FAT32 文件系统中,1 个簇通常由8 个扇区4 KB 的存储空间构成,所以固定部分可以记录的最大目录项数为128 个. 当然由于受长文件名附加目录项的影响实际允许记录的文件目录项将大大低于理论上的128 个,但这部分固定的FAT 表空间确实可以满足基本的系统需要. 根目录FDT 表的固定部分同FAT16 文件系统一样,仍然位于最后一个FAT 表的后面与数据存储空间之间的磁盘存储区域中.
         在磁盘格式化时格式化程序将自动创建固定部分的FDT 表,如果系统是从FAT16 文件系统转换为FAT32 文件系统,由于原来的FDT 表已经位于该位置,所以FDT 表的固定部分也将优先建立在紧接FAT 表的位置.浮动FDT 表主要体现在其动态部分,即当根目录上存储的文件超过固定部分所能记录的数量后,操作系统将为根目录的FDT 表增加1 个簇或多个簇的存储空间,这部分新增加的存储空间不在原来固定部分的后面(那一部分存储空间早已分配给其它文件了) ,而是磁盘数据存储区域中的任意一个未使用的存储空间. 同时系统在FAT 表的第3 项(扇区偏移地址08H) 处记录了动态部分第一个簇的簇号,动态部分其它簇的簇号则由操作系统根据FAT 表的簇链登记准则进行相应的登记. 由于动态部分实际上已经是一个可以按FAT 簇链进行访问的文件,因此从理论上分析,根目录FDT 表中允许登记的项数也就除了受磁盘空间限制外,没有其它的任何限制了. 但是,为了避免由于根目录中登记项太多造成系统文件访问性能的下降(文件管理系统必须通过FAT 表查找整个FDT 表的存储间) ,Windows 操作系统规定根目录中的文件登记项数不能超过65 535 个,也就是根目录FDT表的存储空间不超过4 096 个扇区.另外,值得特别关注的是,在分区引导扇区的磁盘读写参
数表中也同时存储了FDT 表在FAT 表中起始簇号的位置(参见表1 中的第17 项) ,因此操作系统完全可以改变FDT 表的位置,不使用FDT 表的固定部分.
5.2 32 位的文件存储空间起始簇号
        FDT 表中另一个重要的参数是文件的起始簇号. 在操作系统访问文件的数据时,将通过FDT 表中存储的文件起始簇号计算出文件后续存储空间在FAT 表中的偏移地址,并通过FAT表按顺序计算出存储文件数据的所有簇,然后才能对文件的数据进行读写操作.Windows 操作系统中实际采用的是一套折衷解决办法,即在FDT 表的32 字节目录项中寻找未使用的空间作为4 个字节起始簇号的高16 位,而将原有的2 个字节起始簇号作为新的起始簇号的低16 位,两者组合构成32 位的起始簇号.这种在现有存储空间中寻找补充字节,该方案的优点在于完全保持了与原有文件系统的兼容性,操作系统内核和文件系统不必做大的改变,也不必增加系统的资源开销. 其缺点是文件的起始簇号没有在连续的字节空间中存放,而是分隔在两处,使用户不易理解,同时也不可能解决FDT 表固有的问题和不能给FDT 表融入新的特性.从Windows 操作系统FDT 表的结构来看,每个32 字节的目录项中只有1 处还有两个连续的字节空间尚未使用,这两个字节就是目录项中的第21 和第22 字节,即位于记录文件修改日期和时间前面的2 个字节. FAT32 文件系统就使用了这两个字节作为文件起始簇号的高16位,它们与原有的起始簇号(位于第27 和第28 字节) 一起组合成32 字节的文件起始簇号.
6.FAT32 文件系统特性分析
1  FAT16 和FAT32
      FAT32 与FAT16 相比, FAT32 能以更小的簇分配磁盘空间,这样就能更有效地利用磁盘空间,磁盘扇区是操作系统格式化磁盘的最小单位,一般扇区大小为512 字节, 几个扇区组成簇, 下面是FAT16 和FAT32 的对照表。
FAT32 FAT16
分区大小簇大小分区大小簇大小
〈260MB 512B 〈127MB 2KB
260MB - 8GB 4KB 128MB - 255MB 4KB
8GB - 16G 8KB 256MB - 511MB 8KB
16G- 32G 16KB 512MB - 1023MB 16KB
732GB 32KB 1G- 2G 32KB
    由上表看出, FAT16 的弊端主要有二个:一个是管理分区只能在2GB 以下,二是硬盘分区太大时所分配簇的大小不尽科学,即分区越大,损失也就越大。在大容量硬盘日渐普及的情况下,FAT16 已不能适应要求。FAT32 的出现是众望所归,其根本目的就是为了更有效地管理和利用硬盘驱动器上的空间。
2  FAT32 的兼容性
2. 1 磁盘管理工具
      FAT32 与基于FAT16 的程序和磁盘完全兼容。但是,许多现有的磁盘实用程序或修复工具,不能用于FAT32 的硬盘。Windows95 OSR2 中的磁盘工具,包括磁盘扫描程序、备份程序和磁盘碎片整理程序,则完全支持FAT32 的硬盘,但不能用DRIVESPACE 压缩FAT32 硬盘。
2. 2 启动系统
     除了Windows95 OSR2 以外,其他操作系统无法读写FAT32 硬盘上的信息。包括使用FAT16 的MS —DOS ,WINDOWS3. X 和WINDOWS95 等。因此安装了FAT32 的用户必须制成相应格式的系统启动盘,不能用DOS6. x 的系统软盘启动机器进入硬盘,而只能使用FAT32 格式化的系统盘进行启动。由于这个原因, 使用了FAT32 的硬盘不能实现WIN2DOWS95 OSR2 和DOS6. 22 的双启动。而使用FAT16 的硬盘则可以。
2. 3FAT32 的访问
     在WINDOWS95 OSR2 的模式下,可以对FAT32硬盘进行读写。另外,通过网络可以共享FAT32 硬盘,即使远程计算机不支持FAT32 它也能够象读写老式FAT 驱动器一样读写FAT32 硬盘。
3  FAT16 升级FAT32
3. 1 手工升级方法
     如果你使用的是品牌机器, 安装的是WIN-DOWS95 OSR2 很可能它使用了FAT32 文件系统。可用如下方法判断:在“我的电脑”中,用右键单击表示硬盘的图标,然后单击“属性”。在属性窗口的常规选项卡上,将显示当前正被使用的硬盘文件系统类型。由于WINDOWS95 OSR2 没有提供FAT16 向FAT32升级的工具,要在你的旧硬盘中安装FAT32 文件系统,可按如下方法手工进行。
3. 2 利用WIN98 提供的FAT32 转换器
     在WIN98 中提供一个FAT32 转换器,现在你可以在不破坏硬盘原有数据的基础上,把现有的FAT16转换成FAT32 了。具体操作如下:
     在“开始”菜单中选择“程序/ 附件/ 系统工具/FAT32 转换器”即可。但是该程序也会同样警告你:使用该工具进行转换后,将无法使用以前的操作系统对该硬盘分区进行访问。因此,要使用DOS 进行访问就不可能了。
3. 3 工具转换法
    通过使用其它一些工具软件的FAT32 转换实用程序可将FAT16 转换为FAT32 ,该方法的优点是不用事先备份硬盘上的数据,缺点是不能改变原硬盘分
区的大小。常用的分区格式转换软件有以下几种:
    1) Transx95 2. 04 它是一个硬盘复制软件,可以把WIN95 从一个硬盘快速拷贝到另一磁盘,除此之外,它具有将FAT16 安装转换为FAT32 的功能。
    2) Partition Magic 3. 03 这是硬盘无损分区软件,它也具有将FAT16 安全转换为FAT32 的功能。
    3) CVT. EXE 这是一个运行于DOS 环境的分区格式转换软件。
7. 总结
         根据本文对 FAT32 文件系统内部结构的分析可以知道,FAT32 文件系统对传统的FAT16文件系统进行了较为彻底地改造,除了通过减少每簇的容量降低了大容量磁盘存储空间的浪费外,同时也自动解决了FAT16 文件系统对根目录512 个文件记录项的限制,其优点是非常明显的. 另外,由于系统可以使用的簇号资源增加,也自然解决了操作系统对大容量硬盘的支问题. 虽然FAT32 文件系统不支持传统的MS DOS 操作系统,但在Windows 操作系统占绝对优势的今天,这个小小缺陷不可能阻碍FAT32 文件系统的普及. 可以预计,随着大容量硬盘的不断降价,FAT32 文件系统必将成为主流的文件系统. 因此,本文所分析的FAT32 文件系统的内部结构,不但可以使用户理解FAT32 文件系统的实现机理, 而且对高层次的用户开发直接访问FAT32 文件系统数据的软件也具有非常重要的意义.
(责任编辑:admin_kevinsky)
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