参考资料：分析FAT32内部结构-入门篇- - RYZZ - 博客园这篇文章写得不错，我在此基础上加入了一些自己的理解。

1、簇

2、FAT32总体结构

2、DBR区域的结构

3、FAT（File Allocation Table）

4、目录的存储

5、文件的存储

6、文件系统的操作接口

7、写文件时突然断电的后果

文件在硬盘、SD卡等存储，而里面存储的都是二进制数据，驱动程序是如何从这堆二进制数据中，解析出目录层次、文件列表、文件内容的呢？这就必须要了知道FAT32文件系统在存储介质中的组织方式了。所谓组织方式，就是一种约定或规定，大家都按这套规则来读写就好了。

1、簇

“簇”是以前的名字，现在叫“分配单元”。但格式化一个U盘或硬盘分区时，会看到下图有个分配单元大小，就是这个东西。他是一个逻辑概念，代表了文件系统的最小存储单位。例如下图是4096字节=4K，你如果要存储一个1kb的文件，他也会占用一个4K的存储单元，后面3k都是浪费的。显然格式化时，把存储单元设置的更大，将有利于大文件的读写速度，但是也会造成存储小文件时的空间浪费，利弊共存，根据你的个人需求合理设置即可。

如下图所示，查看一个小文件的属性，其大小只有167字节，但是占用空间却是4K=4096。占用空间总是“分配单元”的整数倍。

2、FAT32总体结构

FAT32文件系统中的内容共分4个部分如下图

DBR（DOS BOOT RECORD）：该分区的引导程序，在DBR的结尾部分会有一些重要的保留扇区（这些保留扇区属于DBR，图中未画出）

FAT1：FAT的首要文件分配表

FAT2：文件分配表的备份

DATA：数据区（最小单位为簇(cluster)，一般2个扇区为1簇，是微软规定的一种磁盘存储单位，与Linux的block概念类似）。所谓的存储单元，就在这里了。

2、DBR区域的结构

FAT32的DBR结构图：

红色：跳转指令，将当前执行流程跳转到引导程序处，占2字节，对应汇编JUMP 58H; NOP;

蓝色：OEM代号，由创建该文件系统的厂商规定，占8字节，一般为”MSDOS5.0”

绿色：BPB(BIOS Paramter Block)，从DBR的第12个字节开始共占用79字节，记录了文件系统的重要信息，相关字段参数见下表

粉红色：DBR引导程序，如果该分区没安装操作系统那么这段程序是没用的。

黄色：DBR结束标记

BPB表：
偏移	字节	含义
BH	2	每扇区的字节个数
DH	1	每簇扇区数
EH	2	保留的扇区个数
10H	1	FAT个数
11H	2	不使用（根目录数量，FAT32已突破此限制，已无效，一般为0）
13H	2	不使用（扇区总数，小于32M时才使用）
15H	1	存储介质描述符
16H	2	不使用（FAT占的扇区数，小于32M时才使用）
18H	2	每磁道扇区个数
1AH	2	磁头数
1CH	4	隐藏扇区
20H	4	扇区总数（大于32M时使用）
24H	4	FAT占的扇区数（大于32M时使用）
28H	2	扩展标记
2AH	2	版本，一般为0
2CH	4	根目录的首簇号
30H	2	文件系统整体信息扇区号
32H	2	DBR备份所在的扇区号
34H	12	保留，固定为0
40H	1	BIOS驱动器号
41H	1	不使用，一般为0
42H	1	扩展引导标记
43H	4	卷序列号
47H	11	卷标
52H	8	文件系统类型名，固定为”FAT32 ”

FAT32文件系统在DBR的保留扇区中有一个文件系统信息扇区，用以记录数据区中空闲簇的数量及下一个空闲簇的簇号，该扇区一般在分区的LAB1扇区，也就是紧跟着DBR后的一个扇区，其内如下：

褐色：扩展引导标签，为52 52 61 41，ASCII为”RRaA”

青色：文件系统信息签名，为72 72 41 61，ASCII为”rrAa”

蓝色：空闲簇的数量，(1FBB0)=129968，每个簇1K，约等于127MB，即D盘的大小

紫色：下一个空闲簇的簇号

黄色：结束标记

其他字节：不使用，填充0

3、FAT（File Allocation Table）

文件分配表。DBR区域中存储着FAT的地址信息，根据这个地址我们就可以索引到FAT的内容了。FAT这块内容的大小跟存储介质的总容量和分配单元大小有关。

FAT中的内容是什么呢？光看“文件分配表”这个名字，让人摸不着头脑。其实，里面存储的是每个存储单元链接信息。FAT的内容我们将按4字节来解析，换句话说，我们可以把FAT区域看成一个uint32 [N]数组，数组的每个成员称为一个“表项”，

表：FAT表项内容的意义

0x0000 0000	空闲簇，可用簇
0x0000 0001	保留簇
0x0000 0002 ~ 0x0FFF FFEF	该簇已用，其值指向下一个簇号
0x0FFF FFF0 ~ 0X0FFF FFF6	这些值保留，不使用
0x0FFF FFF7	坏簇，当一个簇中有一个扇区损坏（如物理损坏、病毒感染）时称为坏簇，这个簇将不被FAT32使用
0x0FFF FFF8 ~ 0x0FFF FFFF	文件的最后一个簇

FAT的前2个元素，第0、第1表项是个固定值=0x0F FF FF F8。如下图所示。从表项2开始，它的值就代表了DATA区对应的存储单元的链接信息了。例如下图的F[2]=0x0F FF FF FF，代表DATA区的2号存储单元后续没有链接到下一个单元。如果F[2]=0x00 00 00 03，则代表2号存储单元的下一个存储单元是3号存储单元。显然，对于一个大文件，就是用这种链式方式存起来的，而且可以实现文件的不连续存储。可以预见，当我们不断地存储文件、删除文件时，会使得存储单元被占用、释放、占用、释放。。时间长了，从整个存储介质上来看，空闲的、占用的存储单元随机的零散的分布在整个介质上，以后新存的文件在U盘中就是支离破碎不连续的。驱动程序在寻找空闲存储单元时会非常耗时，这就是windows提供的“磁盘整理程序”要解决的问题。

显然，FAT的大小取决于存储介质的总容量和分配单元大小。例如一个8G的U盘，分配单元设为4K，那么整个U盘会被分配为8G/4K=2'000'000个存储单元，也即FAT表的大小为2000000≈2M。

4、目录的存储

目录又叫文件夹，文件夹本质上也是一个文件，只是这个文件里的内容是个文件信息列表而已。注意，这个文件信息列表的格式也已经被FAT32给约定好了，这个列表可不是一个简单的txt。从程序员角度来看，它的内容其实是一个结构体数组。这个数组的每一个成员都是一个结构体，每个结构体描述了一个对应文件的信息。这个结构体结构如下：

字节偏移	字节数		说明
0H	8		文件名
8H	3		后缀名，扩展名，类型名
BH	1	文件属性	0000 0000B, 0H 读写
			0000 0001B, 1H 只读
			0000 0010B, 2H 隐藏
			0000 0100B, 4H 系统
			0000 1000B, 8H 卷标
			0001 0000B, 10H 子目录
			0010 0000B, 20H 归档
CH	1		保留
DH	1		创建时间的10毫秒位
EH	2		创建时间
10H	2		创建日期
12H	2		最后一次访问的日期
14H	2		起始簇号的高16位
16H	2		最近一次修改的时间
18H	2		最近一次修改的日期
1AH	2		起始簇号的低16位
1CH	4		文件长度

我们把第2个存储单元的内容读出来（如果第2个存储单元后面还有链接的后续单元，），也就得到了根目录下的文件和子目录信息。

下面我们根据一个实例，来看一下如何获取根目录下的所有文件和文件夹信息。

一般来说，根目录的内容被起始存储在第2个存储单元上，首先我们读取FAT的F[2]，并根据F[2]的内容把下一个链接的存储单元找到。。依次类推，直到下一个存储单元为0x0FFF FFF8 ~ 0x0FFF FFFF为止。假设我们找到的链表依次为：2->3->100->5->0x0FFF FFFF，这样我们就知道了，根目录的内容被依次存储在了第2、3、100、5个存储单元中。接下来我们按照链表顺序依次读出这4个存储单元的内容即可，然后把他们都读到内存里。

然后用结构体指针指向这块内存，就可以轻松读出根目录下的所有文件和子目录信息，包括文件名、文件夹名、创建时间、文件大小。文件的起始存储单元编号等。

5、文件的存储

与上面目录的存储如出一辙，一模一样，因为目录也是文件，只是是一个内容比较特殊的文件而已。

6、文件系统的操作接口

fopen，其代码的底层本质，就是找到这个文件所在的目录文件（以备修改文件信息）、找到文件内容所在的分配单元编号（也就等价于找到了它在介质中的物理地址），找到了地址就能做读写删等等各种对内容的操作了。

fseek(n)，其功能就是找到文件内容第n字节所在的物理地址，显然这个过程不是一个字节一个字节搜索过去的，而是先根据分配单元大小N，计算第n字节在分配单元链表的哪个位置，然后在最后一个分配单元中找这个字节。例如单元大小=4K，n=10002，那么10002除以4096，得到：商2余1810，也即第10002这个字节存储在了本文件的第(2+1)个存储单元的第1810地址处。可见，这个seek过程还是比较快的，耗时主要耗在存储单元的链表遍历上（从而避免了按字节遍历），时间复杂度是O(n)。不过如果驱动程序写的比较优秀的话，可以把这个过程优化成O(1)，思路是这样的，在fopen打开文件时，把这个文件的存储单元的链表直接载入到内存数组中，这样就不用遍历了，直接用数组索引就能找到第（商+1）个存储单元的地址。不知道windows里面是不是这么干的。不过这样也有副作用，fopen的时间就会变长了。

7、写文件时突然断电的后果

这种主要发生在突然拔掉U盘、台式机突然断电等情况下。对于拔U盘这种，如果没有发生读写操作，直接拔是不会损坏U盘文件的，那么何时会发生文件读写？一个是电脑读取U盘时，驱动程序会修改文件的访问时间，这等同于写U盘，向U盘写入文件时，自不必说，一定发生了U盘写入。U盘写入时断电，造成的后果，要看断电时刻，驱动程序在写什么。如果是在写文件内容时断了，那最多就是这个文件写入失败，重新插拔U盘，显示出的内容还是之前的样子。如果在修改文件信息时断电，这后果就严重了，大多存储介质不支持单字节读写（单片机、嵌入式程序员应该很清楚这一点），尤其是U盘这种flash闪存设备，要写入或修改前，必先擦除一整个page，可能刚擦完，就断电了。这个page里面存的是目录信息，那么整个目录就丢失了。如果在修改FAT表时断电，那可能整个盘就凉了，在写入文件时，如果发生了跨单元写入，必然涉及到FAT表的修改，如果新的单元对应的表项是0xFF FF FF FF还好，如果不是，那又会触发整个page的擦除（擦除的本质上就是把这个page全烧成FF，这是flash的物理特性, 0xFFFFFFFF等价于已擦除，可以直接写入），这时会导致FAT表的损坏，会丢失很多文件。如果恰好触发了根目录所在page的擦除，那基本上整个盘就凉了，这时只能用数据恢复软件从未被擦除的PAGE中寻找未损坏的FAT部分，来索引出幸存文件了，这就是数据恢复软件的原理。

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