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FAT文件系统原理

作者:佚名   来源:本站原创   点击数:x  更新时间:2014年08月18日   【字体:

   主板BIOS程序运行,完成一系列的检测和配置后,将执行权力交予硬盘,跳到硬盘的第一个(主引导512字节)扇区上执行MBR,其中MBR的后64个字节为DPT(硬盘分区表,这里最多4个分区,以55 AA结束),DPT上表明了分区是否为活动分区、分区的起始/结束磁头、起始/结束柱面、起始/结束扇区等信息,(从这里看出硬盘内部就是以扇区为单元管理磁盘),接下来CPU找到活动分区,跳到活动分区去引导系统。

   我们已经了解了MBR,就可以知道磁盘的分区等信息,那么我们接下来再看看具体的分区中的结构;通过DPT找到一个分区,MBR将跳到活动分区,将执行权交给该分区的引导扇区(DBR,相当扇区编号为0),
每个分区的结构都是一样的,最开始的是引导扇区,然后是数据。
   DBR区(DOS BOOT RECORD)即操作系统引导记录区的意思,通常占用分区的第0扇区共512个字节(特殊情况也要占用其它保留扇区,我们先说第0扇)。在这512个字节中,第一部分是跳转指令,接下来是厂商标志和操作系统版本号,BPB(BIOS Parameter Block),扩展BPB,os引导程序,结束标志几部分组成。
   MBR将CPU执行转移给引导扇区,因此,引导扇区的前三个字节必须是合法的可执行的基于x86的CPU指令。这通常是一条跳转指令,该指令负责跳过接下来的几个不可执行的字节(BPB和扩展BPB),跳到操作系统引导代码部分。
   BPB(相对偏移字节0X0B),它包含了磁盘容量和几何结构变量等信息:硬件扇区大小(字节数)、每镞扇区数、文件系统版本等信息。
   扩展BPB也包含与文件系统等的相关各种信息。
   不论是硬盘还是各种flash,存储设备要通过文件系统管理存储,存储设备的粗线条存储规划都是这样的,使用不同的文件系统或不同的分区,也就是相关的描述信息不一样,数据区的存储格式不一样,但是粗线条的存储规划是一致的(如MBR,DBR,数据区,只是其中包含的信息不一样)。
   扩展分区可以被分区多个逻辑分区(逻辑驱动器),每个逻辑分区的结构是与主分区结构类似,但有区别,每个逻辑驱动器包含扩展引导记录(扩展分区表与结束符)、引导扇区、数据区。
   逻辑驱动器的扩展引导记录的第一项指向本驱动器的“引导扇区+数据区”,第二项指向下一个逻辑驱动器的扩展引导记录;然而每个引导扇区与主分区的引导扇区类似也有区别,具体在看文档。
   FAT16DBR之后没有留有任何保留扇区,其后紧随的便是FAT表。FAT表是FAT16用来记录磁盘数据区簇链结构的,FAT表以"F8 FF FF FF" 开头FAT表记录了磁盘数据文件的存储链表,对于数据的读取而言是极其重要的,以至于Microsoft为其开发的FAT文件系统中的FAT表创建了一份备份,就是我们看到的FAT2


1:硬盘的物理结构

   硬盘存储数据是根据电、磁转换原理实现的。硬盘由一个或几个表面镀有磁性物质的金属或玻璃等物质盘片以及盘片两面所安装的磁头和相应的控制电路组成(1),其中盘片和磁头密封在无尘的金属壳中。
    硬盘工作时,盘片以设计转速高速旋转,设置在盘片表面的磁头则在电路控制下径向移动到指定位置然后将数据存储或读取出来。当系统向硬盘写入数据时,磁头中写数据电流产生磁场使盘片表面磁性物质状态发生改变,并在写电流磁场消失后仍能保持,这样数据就存储下来了;当系统从硬盘中读数据时,磁头经过盘片指定区域,盘片表面磁场使磁头产生感应电流或线圈阻抗产生变化,经相关电路处理后还原成数据。因此只要能将盘片表面处理得更平滑、磁头设计得更精密以及尽量提高盘片旋转速度,就能造出容量更大、读写数据速度更快的硬盘。这是因为盘片表面处理越平、转速越快就能越使磁头离盘片表面越近,提高读、写灵敏度和速度;磁头设计越小越精密就能使磁头在盘片上占用空间越小,使磁头在一张盘片上建立更多的磁道以存储更多的数据。   
2:硬盘的逻辑结构

    硬盘由很多盘片(platter)组成,每个盘片的每个面都有一个读写磁头。如果有N个盘片。就有2N个面,对应2N个磁头(Heads),从012开始编号。每个盘片被划分成若干个同心圆磁道(逻辑上的,是不可见的。)每个盘片的划分规则通常是一样的。这样每个盘片的半径均为固定值R的同心圆再逻辑上形成了一个以电机主轴为轴的柱面(Cylinders),从外至里编号为012……每个盘片上的每个磁道又被划分为几十个扇区(Sector),通常的容量是512byte,并按照一定规则编号为123……形成Cylinders×Heads×Sector个扇区。这三个参数即是硬盘的物理参数。我们下面的很多实践需要深刻理解这三个参数的意义。


3:磁盘引导原理
MBR(master boot record)扇区  
   计算机在按下power键以后,开始执行主板bios程序。进行完一系列检测和配置以后。开始按bios中设定的系统引导顺序引导系统。假定现在是硬盘。Bios执行完自己的程序后如何把执行权交给硬盘呢。交给硬盘后又执行存储在哪里的程序呢。其实,称为mbr的一段代码起着举足轻重的作用。MBR(master boot record),即主引导记录,有时也称主引导扇区。位于整个硬盘的0柱面0磁头1扇区(可以看作是硬盘的第一个扇区)bios在执行自己固有的程序以后就会jumpmbr中的第一条指令。将系统的控制权交由mbr来执行。在总共512byte的主引导记录中,MBR的引导程序占了其中的前446个字节(偏移0H~偏移1BDH),随后的64个字节(偏移1BEH~偏移1FDH)DPT(Disk PartitionTable,硬盘分区表),最后的两个字节“55 AA”(偏移1FEH~偏移1FFH)是分区有效结束标志。

    MBR不随操作系统的不同而不同,意即不同的操作系统可能会存在相同的MBR,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。我们来分析一段mbr。下面是用winhex查看的一块希捷120GB硬盘的mbr

    我们看DPT部分。操作系统为了便于用户对磁盘的管理。加入了磁盘分区的概念。即将一块磁盘逻辑划分为几块。磁盘分区数目的多少 只受限于CZ的英文字母的数目;
    在上图DPT的64个字节中,如何表示多个分区的属性呢? microsoft通过链接的方法【见下图】解决了这个问题。在DPT64个字节中,以16个字节为分区表项单位描述一个分区的属性。也就是说,第一个分区表项描述一个分区的属性,一般为基本分区。第二个分区表项描述除基本分区外的其余空间,一般而言,就是我们所说的扩展分区。这部分的大体说明见表1【也就是64个字节,每16个字节用来描述一个分区,所以64个字节做多描述4个分区,所以硬盘格式化分区的时候,主分区+扩展分区最多就4个:3+1,1+1,4+0,扩展分区可以用来划分逻辑分区】,下图就是一个16字节的分区描述字段。

说明: 每个分区表项占用16个字节,假定偏移地址从0开始。如图3的分区表项3。分区表项4同分区表项3
    1
0H偏移为活动分区是否标志,只能选00H80H80H为活动,00H为非活动。其余值对microsoft而言为非法值。
    2
、重新说明一下(这个非常重要):大于1个字节的数被以低字节在前的存储格式格式(little endian format)或称反字节顺序保存下来。低字节在前的格式是一种保存数的方法,这样,最低位的字节最先出现在十六进制数符号中。例如,相对扇区数字段的值0x3F000000的低字节在前表示为0x0000003F。这个低字节在前的格式数的十进制数为63
    3
系统在分区时,各分区都不允许跨柱面,即均以柱面为单位,这就是通常所说的分区粒度。有时候我们分区是输入分区的大小为7000M,分出来却是6997M,就是这个原因。 偏移2H和偏移6H的扇区和柱面参数中,扇区占6(bit),柱面占10(bit),以偏移6H为例,其低6位用作扇区数的二进制表示。其高两位做柱面数10位中的高两位,偏移7H组成的8位做柱面数10位中的低8位。由此可知,实际上用这种方式表示的分区容量是有限的,柱面和磁头从0开始编号,扇区从1开始编号,所以最多只能表示1024个柱面×63个扇区×256个磁头×512byte=8455716864byte。即通常的8.4GB(实际上应该是7.8GB左右)限制。实际上磁头数通常只用到255(由汇编语言的寻址寄存器决定),即使把这3个字节按线性寻址,依然力不从心。 在后来的操作系统中,超过8.4GB的分区其实已经不通过C/H/S的方式寻址了。而是通过偏移CH~偏移FH4个字节32位线性扇区地址来表示分区所占用的扇区总数。可知通过4个字节可以表示2^32个扇区,即2TB=2048GB,目前对于大多数计算机而言,这已经是个天文数字了。在未超过8.4GB的分区上,C/H/S的表示方法和线性扇区的表示方法所表示的分区大小是一致的。也就是说,两种表示方法是协调的。即使不协调,也以线性寻址为准。(可能在某些系统中会提示出错)。超过8。4GB的分区结束C/H/S一般填充为FEH FFH FFH。即C/H/S所能表示的最大值。有时候也会用柱面对1024的模来填充。不过这几个字节是什么其实都无关紧要了。
   
虽然现在的系统均采用线性寻址的方式来处理分区的大小。但不可跨柱面的原则依然没变。本分区的扇区总数加上与前一分区之间的保留扇区数目依然必须是柱面容量的整数倍。(保留扇区中的第一个扇区就是存放分区表的MBR或虚拟MBR的扇区,分区的扇区总数在线性表示方式上是不计入保留扇区的。如果是第一个分区,保留扇区是本分区前的所有扇区。
  

扩展分区

    扩展分区中的每个逻辑驱动器都存在一个类似于MBR的扩展引导记录( Extended Boot Record, EBR),也有人称之为虚拟mbr或扩展mbr,意思是一样的。扩展引导记录包括一个扩展分区表和该扇区的标签。扩展引导记录将记录只包含扩展分区中每个逻辑驱动器的第一个柱面的第一面的信息。一个逻辑驱动器中的引导扇区一般位于相对扇区3263。但是,如果磁盘上没有扩展分区,那么就不会有扩展引导记录和逻辑驱动器。第一个逻辑驱动器的扩展分区表中的第一项指向它自身的引导扇区。第二项指向下一个逻辑驱动器的EBR。如果不存在进一步的逻辑驱动器,第二项就不会使用,而且被记录成一系列零。如果有附加的逻辑驱动器,那么第二个逻辑驱动器的扩展分区表的第一项会指向它本身的引导扇区。第二个逻辑驱动器的扩展分区表的第二项指向下一个逻辑驱动器的EBR。扩展分区表的第三项和第四项永远都不会被使用。

    除了扩展分区上最后一个逻辑驱动器外,表2中所描述的扩展分区表的格式在每个逻辑驱动器中都是重复的:第一个项标识了逻辑驱动器本身的引导扇区,第二个项标识了下一个逻辑驱动器的EBR。最后一个逻辑驱动器的扩展分区表只会列出它本身的分区项。最后一个扩展分区表的第二个项到第四个项被使用。 
    扩展分区表项中的相对扇区数字段所显示的是从扩展分区开始到逻辑驱动器中第一个扇区的位移的字节数。总扇区数字段中的数是指组成该逻辑驱动器的扇区数目。总扇区数字段的值等于从扩展分区表项所定义的引导扇区到逻辑驱动器末尾的扇区数。
    有时候在磁盘的末尾会有剩余空间,剩余空间是什么呢?我们前面说到,分区是以1柱面的容量为分区粒度的,那么如果磁盘总空间不是整数个柱面的话,不够一个柱面的剩下的空间就是剩余空间了,这部分空间并不参与分区,所以一般无法利用。照道理说,磁盘的物理模式决定了磁盘的总容量就应该是整数个柱面的容量,为什么会有不够一个柱面的空间呢。在我的理解看来,本来现在的磁盘为了更大的利用空间,一般在物理上并不是按照外围的扇区大于里圈的扇区这种管理方式,只是为了与操作系统兼容而抽象出来CHS。可能其实际空间容量不一定正好为整数个柱面的容量吧。

FAT分区原理

    现在我们着重研究FAT格式分区内数据是如何存储的。FAT分区格式是MICROSOFT最早支持的分区格式,依据FAT表中每个簇链的所占位数(有关概念,后面会讲到)分为fat12fat16fat32三种格式"变种",但其基本存储方式是相似的。
   
仔细研究图7中的fat16fat32分区的组成结构。下面依次解释DBRFAT1FAT2、根目录、数据区、剩余扇区的概念。提到的地址如无特别提示均为分区内部偏移。

DBR
   DBR(DOS BOOT RECORD)即操作系统引导记录区的意思,通常占用分区的第0扇区共512个字节(特殊情况也要占用其它保留扇区,我们先说第0)。在这512个字节中,其实又是由跳转指令,厂商标志和操作系统版本号,BPB(BIOS Parameter Block),扩展BPBos引导程序,结束标志几部分组成。 以用的最多的FAT32为例说明分区DBR各字节的含义。见图8

    MBRCPU执行转移给引导扇区,因此,引导扇区的前三个字节必须是合法的可执行的基于x86CPU指令。这通常是一条跳转指令,该指令负责跳过接下来的几个不可执行的字节(BPB和扩展BPB),跳到操作系统引导代码部分。
   
跳转指令之后是8字节长的OEM ID,它是一个字符串, OEM ID标识了格式化该分区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格式化该盘是在FAT16FAT32磁盘上的该字段中记录了“MSDOS 5.0”,在NTFS磁盘上(关于ntfs,另述)Windows 2000记录的是“NTFS”。通常在被Windows 95格式化的磁盘上OEM ID字段出现“MSWIN4.0”,在被Windows 95 OSR2Windows 98格式化的磁盘上OEM ID字段出现“MSWIN4。1”
   
接下来的从偏移0x0B开始的是一段描述能够使可执行引导代码找到相关参数的信息。通常称之为BPB(BIOS Parameter Block)BPB一般开始于相同的位移量,因此,标准的参数都处于一个已知的位置。磁盘容量和几何结构变量都被封在BPB之中。由于引导扇区的第一部分是一个x86跳转指令。因此,将来通过在BPB末端附加新的信息,可以对BPB进行扩展。只需要对该跳转指令作一个小的调整就可以适应BPB的变化。图9已经列出了项目的名称和取值,为了系统的研究,针对图8,将FAT32分区格式的BPB含义和扩展BPB含义释义为表格,见表4和表5


FAT表和数据的存储原则
    FAT(File Allocation Table 文件分配表),是MicrosoftFAT文件系统中用于磁盘数据(文件)索引和定位引进的一种链式结构。假如把磁盘比作一本书,FAT表可以认为相当于书中的目录,而文件就是各个章节的内容。但FAT表的表示方法却与目录有很大的不同。
   
FAT文件系统中,文件的存储依照FAT表制定的簇链式数据结构来进行。同时,FAT文件系统将组织数据时使用的目录也抽象为文件,以简化对数据的管理。
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