全面剖析《自己動手寫作業系統》第四章–FAT12檔案系統

一、 FAT12

FAT12是DOS時代就開始使用的檔案系統(File System)，直到現在仍然在磁碟片上使用，FAT12磁碟片的被格式化後為：有兩個磁頭，每個磁頭80個柱面（磁軌），每個柱面有18個扇區，每個扇區512個位元組空間。所以標準磁碟片的總空間為：

2 * 80 *18 * 512=1474560B=1440K=1.44M

下面是FAT12的結構圖：

1、開機磁區

作業系統之所以認識FAT12格式的磁碟，其秘密就在於邏輯0扇區這512B上。如果這512位元組的最後兩個位元組的內容分別是55和AA（0xAA55低位元組在前，高位元組在後)的話，BIOS在啟動時會將這個扇區讀取到0:7C00h-0:7DFFh處，然後跳轉到0:7C00h處繼續執行指令，作業系統即用此來達到引導系統的目的，而這個磁碟就稱為引導磁碟。

作業系統標識FAT12檔案系統是因為在邏輯0扇區(即開機磁區)處還儲存著一個特定的資料結構，此結構有固定的格式，在作業系統將此磁碟格式化時自動產生，具體資料結構如下表所示：

 

名稱	開始位元組	長度	內容	參考值
BS_jmpBOOT	0	3	一個短跳轉指令	jmp short LABEL_START nop
BS_OEMName	3	8	廠商名	'ZGH'
BPB_BytesPerSec	11	2	每扇區位元組數（Bytes/Sector）	0x200
BPB_SecPerClus	13	1	每簇扇區數（Sector/Cluster）	0x1
BPB_ResvdSecCnt	14	2	Boot記錄佔用多少扇區	ox1
BPB_NumFATs	16	1	共有多少FAT表	0x2
BPB_RootEntCnt	17	2	根目錄區檔案最大數	0xE0
BPB_TotSec16	19	2	扇區總數	0xB40
BPB_Media	21	1	介質描述符	0xF0
BPB_FATSz16	22	2	每個FAT表所佔扇區數	0x9
BPB_SecPerTrk	24	2	每磁軌扇區數（Sector/track）	0x12
BPB_NumHeads	26	2	磁頭數（面數）	0x2
BPB_HiddSec	28	4	隱藏扇區數	0
BPB_TotSec32	32	4	如果BPB_TotSec16=0,則由這裡給出扇區數	0
BS_DrvNum	36	1	INT 13H的磁碟機代號	0
BS_Reserved1	37	1	保留，未使用	0
BS_BootSig	38	1	擴充引導標記(29h)	0x29
BS_VolID	39	4	卷序號	0
BS_VolLab	43	11	卷標	'ZGH'
BS_FileSysType	54	8	檔案系統類型	'FAT12'
引導代碼及其他內容	62	448	引導代碼及其他資料	引導代碼（剩餘空間用0填充）
結束標誌0xAA55	510	2	第510位元組為0x55，第511位元組為0xAA	0xAA55

下面我們介紹其中的一些變數的含義：

BS_jmpBoot：是跳轉指令，位移0處的跳轉指令必須是合法的可執行檔基於x86的CPU指令，如：jmp start，這樣可以產生3位元組長的指令，（加關鍵字short的短跳轉指令的長度是2位元組），指向作業系統引導代碼部分。Windows和MS-DOS產生的FAT12開機磁區中的跳轉指令是短跳轉，如：jmp
short LABEL_START，然後加一個nop的空指令來保持3位元組的長度。

BPB_BytsPerSec：每扇區的位元組數，類型是雙位元組長，標準分區上的每扇區位元組數一般是512B， FAT12的格式下設定為512(0x200h)。

BPB_SecPerClus：每簇扇區數，位移13處，類型是位元組，簇是資料存放區的最小單位，在FAT12格式下一般為1，即每簇只有1個扇區(512位元組)。

BPB_RsvdSecCnt：Boot記錄佔用多少扇區，即在FAT1之前的 開機磁區，一般情況下，開機磁區佔用1個扇區。

BPB_NumFATs：共有多少個FAT表，預設情況下此欄位的值為2，也就是有兩個FAT表，FAT1和FAT2的內容相同，當FAT1表出錯的時候可以使用FAT2來恢複檔案配置表。

BPB_RootEntCnt：根目錄檔案數最大值，預設為224，每個目錄條目佔用32B的空間，因此根目錄的大小為：224*32/512=14，即佔用14個扇區。

BPB_TotSec16：扇區總數=0xB40=2880

BPB_FATSz16：每個FAT佔用的扇區數=0x9=9，即FAT1佔用1—9邏輯扇區，FAT2佔用10—18邏輯扇區。

BPB_SecPerTrk：每磁軌扇區數=0x12=18，即標準FAT12檔案系統中，每個磁軌的扇區數就是為18。

BPB_NumHeads：磁頭數=0x2=2，該磁碟包括2個磁頭，也就是面數是2。

2、FAT表

         FAT1和FAT2是兩個完全相同的FAT表，每個FAT佔用9個扇區。其中FAT1佔用1—9扇區，FAT2佔用10—18扇區。具體詳細介紹看下面4。

3、根目錄區

根目錄區的開始扇區號是19，它是由若干個目錄條目(Directory Entry)組成，條目最多有BPB_RootEntCnt個，由於根目錄區的大小是依賴於BPB_RootEntCnt的，所以長度不固定。

         在本FAT12中，因為BPB_RootEntCnt=0xE0=14*16+0=244，即條目最多為244個，又因為每個條目佔用32個位元組，故244*32/512=14，即該根目錄區佔14個扇區，即19—32。

         根目錄區中的每個條目佔用32位元組，它的格式如：

這裡主要定義了檔案的名字，屬性，最後寫入的時間和日期，檔案的開始簇數以及檔案大小。

下面我們通過執行個體來認識這些內容，

1、 首先建立一個虛擬磁碟，在這裡我們使用WinImage，具體在我的下載資源中。

開啟WinImage:

選擇檔案—》建立

建立一個虛擬磁碟之後，需要向裡面添加檔案，我們需要提前寫好下面幾個檔案

RIVER.TXT，內容為riverriverriver

FLOWER.TXT，內容為flowerflower………flower，至少要100個flower，使得資料空間大於512個位元組，這樣該檔案將佔用兩個連續的扇區。

TREE.TXT，內容為treetreetree

再添加一個HOUSE目錄，然後在目錄\HOUSE下添加兩個文字檔：

CAT.TXT，內容為catcatcat

DOG.TXT，內容為dogdogdog

選擇映像—》加入，依次加入RIVER.TXT，FLOWER.TXT，TREE.TXT三個檔案

映像—》建立檔案夾  HOUSE

添加HOUSE目錄

雙擊house，進入house的檔案夾內，然後添加CAT.TXT，DOG.TXT兩個檔案

添加檔案完成，然後儲存，其中注意事項，檔案類型為：虛擬磁碟映像(*.vfd)，我不知道這個類型與IMG有什麼區別，但是我知道這個類型得到的結果是對的。呵呵！檔案名稱為FLOOPY，這樣我們就建立了一個虛擬磁碟FLOOPY.vfd

然後使用UltraEdit開啟FLOOPY.vfd，由於根目錄區是從第19扇區開始的，每個扇區512個位元組，所以其第一個位元組位於位移19*512=9278=0x2600處，好的，現在就讓我們去定位到0x2600處看看到底Directory Entry為何物？

RIVER.TXT的各項值：

在這裡，我們只需要關心RIVER.TXT的DIR_FstClus，即檔案的開始簇號，由於本FAT12中的BPB_SecPerClus=1，故一個簇為一個扇區，DIR_FstClus=2，意味著該檔案的在資料區的起始扇區號為2。在這裡需要注意的是，資料區的第一個簇的簇號是2，而不是0或者1，故該檔案的資料開始於資料區的第一個簇，也就是第一個扇區。

那麼資料區的第一個扇區在哪裡呢？

首先計算根目錄區所佔有的扇區數：

RootDirSectors =((BPB_RootEntCnt*32)+(BPB_BytsPerSec-1))/BPB_BytsPerSec。

之所以分子要加上(BPB_BytsPerSec-1)，是為了保證此公式在根目錄區無法填滿整數扇區時仍然成立。

在本例中，因為BPB_RootEntCnt=224，計算得到根目錄區所佔有的扇區為14個。所以

資料區開始的扇區號=根目錄區開始的扇區號+14=19+14=33。

現在就讓我們跳入到第33扇區的位移量是512*33=16896=0x00004200，讓我們看看這裡的內容：

果然是riverriverriver。

4、FAT表

在這裡，由於RIVER.TXT小於512位元組，所以我們不需要FAT表就在資料區中找到了RIVER.TXT的內容，但是對於大於512位元組的檔案來說，就沒有這麼簡單了，需要使用FAT表來尋找到該檔案佔用的所有資料區扇區。

下面讓我們跳入FAT1的內容，FAT1的開始扇區號是1，故位移為1*512=512=0x200。

一堆看不懂的符號，好像很多F。其實並不複雜，它有點像是一個位元影像，其中，每12位成為一個FAT項(FAT Entry)，代表一個資料區中的簇。第0個和第1個FAT項始終不使用，第2個FAT項開始表示資料區的每一個簇，也就是說，第2個FAT項表示資料區第一個簇，依次類推。前文說過，資料區的第一個簇的簇號是2，和這裡相呼應。

要注意，由於每一個FAT項佔12位，包含一個位元組和另一個位元組的一般，所以覺得特別彆扭。具體情況是這樣的，假設連續3個位元組分別是：

通常，FAT項的值代表的是檔案的下一個簇號，但如果值大於或等於0xFF8，則表示當前簇已經是檔案的最後一個簇了。如果值為0xFF7，表示它是一個壞簇。

檔案RIVER.TXT的開始簇號為2，對應的FAT表中的值為0xFFF，表示這個簇已經是最後一個。

檔案FLOWER.TXT的開始簇號為3，對應的FAT表中的值為0x004，表示檔案還沒有結束，下一個簇號是0x004，然後我們再看FAT表中第4個簇相對應的FAT值為0xFFF，則表示該是最後一個簇，則檔案FLOWER.TXT佔用第3、4簇。

如果想使檔案內容分存在不連續的扇區內，有一個方法可以做到，就是先將該檔案加入到磁碟片驅動中，然後在進行添加相同的檔案，進行覆蓋。當然該檔案的大小必須大於512個位元組。

《自己動手寫作業系統》讀後感                    http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7059936

全面剖析《自己動手寫作業系統》第一章       http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7060032

全面剖析《自己動手寫作業系統》第二章       http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7062065

全面剖析《自己動手寫作業系統》第三章1     http://blog.csdn.net/zgh1988/article/details/7098981

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