前言：为了搞定OS的Lab2实验——实现一个FAT12镜像查看工具，还是耗费了较多的精力的，以此文记录下收获

准备工作

工具：为了方便较为直观呈现效果，采用vscode + Hex Editor插件

镜像文件：a.img 1.44MB

镜像结构：

ls.png

FAT12文件系统

FAT

FAT（File Allocation Table）文件配置表。用于记录文件所在位置的表格。

在DOS v1.0时代就已引入，是最基本的文件系统之一。

FAT家族包括：FAT12、FAT16、FAT32、ExFAT、VFAT

FAT12

12位地址，故最大容量为16MB，软盘文件系统使用。

标准以FAT12组织的软盘包括以下设定：

  • 两磁头
  • 每磁头80个磁道
  • 每磁道18扇区
  • 每扇区512字节

故FAT12的标准软盘大小为2 * 80 * 18 * 512 = 1.44MB，故一个标准1.44MB的FAT12软盘共有2 * 80 * 18 = 2880扇区

文件系统为了方便组织与管理，会将磁盘分为若干层次：

  • 扇区：磁盘上最小数据单元
  • 簇：一个或多个扇区，是数据存储的基本单位
  • 分区：不同功能区

上述2880扇区被分为如下5个不同的分区

FAT12.png

由于根目录分区的大小不确定，数据区大小也不能够加以确定。

MBR区

引导扇区，占用一个扇区大小空间。

先前的学习中，我们了解到上电后Bios自检，会检测第0磁头、第0磁道、第1扇区是否以0x55和0xaa作结，以此判断该扇区是否为引导扇区。

从第11个字节开始的25个字节构成一个较为特殊的结构BPB(Bios Parameter Block)

用一个结构体描述BPB的结构就可以表示为：

typedef struct BPB {
    u16  BPB_BytsPerSec;	//每扇区字节数
    u8   BPB_SecPerClus;	//每簇扇区数
    u16  BPB_RsvdSecCnt;	//Boot记录占用的扇区数
    u8   BPB_NumFATs;	        //FAT表个数
    u16  BPB_RootEntCnt;	//根目录最大文件数
    u16  BPB_TotSec16;		//扇区总数
    u8   BPB_Media;             //介质描述符
    u16  BPB_FATSz16;	        //每个FAT表所占扇区数
    u16  BPB_SecPerTrk;         //每磁道扇区数（Sector/track）
    u16  BPB_NumHeads;	        //磁头数（面数）
    u32  BPB_HiddSec;	        //隐藏扇区数
    u32  BPB_TotSec32;	        //如果BPB_ToSec16为0，该值为扇区数
} BPB;                          //25字节

可以看出BPB对于接下来许多操作都具有决定性作用，比如：

BPB_BytsPerSec * BPB_SecPerClus，这就是一个簇的字节大小

BPB_RsvdSecCnt + BPB_FATSz16 * BPB_NumFATs，这就是MBR区以及FAT表区所占扇区数，所对应扇区也是根目录区开始扇区号

查看以下1.44MB的a.img的第一个扇区
BPB.png

  • 扇区以0x55 0xAA结尾
  • 扇区第11到35字节为00 02 01 01 00 02 E0 00 40 0B F0 09 00 12 00 02 00 00 00 00 00 00 00 00 00

对应于BPB即有

BPB {
    u16  BPB_BytsPerSec = 0x0200 = 512; //每扇区字节数512
    u8   BPB_SecPerClus = 0x01 = 1;     //每簇扇区数1
    u16  BPB_RsvdSecCnt = 0x0001 = 1;   //Boot记录占用的扇区数1
    u8   BPB_NumFATs = 0x02 = 2;        //FAT表个数2
    u16  BPB_RootEntCnt = 0x00E0 = 224; //根目录最大文件数224
    u16  BPB_TotSec16 = 0x0B40 = 2880;  //扇区总数2880
    u8   BPB_Media = 0XF0;              //介质描述符
    u16  BPB_FATSz16 = 0x0009 = 9;      //每个FAT表所占扇区数9
    u16  BPB_SecPerTrk = 0x0012 = 18;   //每磁道扇区数（Sector/track）18
    u16  BPB_NumHeads = 0x0002 = 2;     //磁头数（面数）2
    u32  BPB_HiddSec = 0x00000000 = 0;  //隐藏扇区数0
    u32  BPB_TotSec32 = 0x00000000 = 0; //如果BPB_ToSec16为0，该值为扇区数
};

符合先前

标准以FAT12组织的软盘包括以下设定：

- 两磁头
- 每磁头80个磁道（2880 / 2 / 18）
- 每磁道18扇区
- 每扇区512字节

同时扇区划分，扇区总数，每个簇所对应扇区数，FAT表个数以及每个FAT表所占扇区数等数据均吻合。

FAT表

FAT1与FAT2互为备份，所以理论上两张表是一样的。

FAT表被划分为紧密排列的若干表项，每个表项与数据区中一个簇对应，表项序号同时与簇号一一对应。

FAT12每个表项由12位组成，故先前说其是12位地址，最大容量为16MB。

需要注意的是，由于1.44MB的软盘上FAT12前三个字节为固定的0xF0、0xFF、0xFF，用于表示这是一个FAT12文件系统，所以3字节，24位，2表项被占据，对应的簇0 簇1就没有存在意义，故数据区起始不是簇0，而是簇2。

FAT表项的值的含义：

  • 通常情况下代表文件下一簇号
  • 值>= 0xFF8，该簇已经是文件最后一个簇
  • 值= 0xFF7，表示一个坏簇

根目录区

根目录区由根目录下的目录项/文件构成，一个目录项占据32字节

类似的，每个目录项都有固定的结构，可用如下结构体进行模拟：

typedef struct RootEntry {
    char DIR_Name[11];      //长度名+扩展名
    u8   DIR_Attr;          //文件属性
    char reserved[10];      //保留位
    u16  DIR_WrtTime;       //最后一次写入时间
    u16  DIR_WrtDate;       //最后一次写入日期
    u16  DIR_FstClus;	    //开始簇号
    u32  DIR_FileSize;      //文件大小
} RootEntry;                //32字节

通过查询根目录区即可得到文件/目录开始簇号，也就可以去相应簇号读取。那么引入FAT表进行定位意义何在？大文件！
上述方式只适用于文件大小小于一个簇的，鉴于文件的零散分布，就需要FAT表指示文件的下一部分所在簇号，方便加以定位，将散乱的文件整合起来。

由此，归结起来，FAT12访问文件的基本操作为：

  1. 首先通过根目录文件查找文件名，确定是哪一个条目，接着在条目中访问DIR_FstClus对应的开始簇号
  2. 当一个簇号访问完后，通过FAT表项查询下一簇号，决定是结束还是继续访问下一簇号，重复第二条

由上面区域划分可知，根目录区始于19扇区,即19 * 512 = 2600h

先前又可知根目录区最大文件数为224，故根目录区所占扇区大小为(32 * BPB_RootEntCnt + BPB_BytsPerSec - 1) / BPB_BytsPerSec = (32 * 224 + 512 - 1) / 512 = 14
加上BPB_BytsPerSec-1保证此公式在根目录区无法填满整个扇区时仍然能够成立

数据区

数据存放区域，包括文件以及根目录下目录对应的文件信息，该信息同根目录区，使用Entry对目录加以存储。

由于根目录区占据14扇区，加上先前MBR以及FAT占据的19扇区，计算得出数据区起始于33扇区，即33 * 512 = 4200h

实例

下面就实际的通过FAT12对文件进行查找

回顾步骤：

  1. 首先通过根目录文件查找文件名，确定是哪一个条目，接着在条目中访问DIR_FstClus对应的开始簇号
  2. 当一个簇号访问完后，通过FAT表项查询下一簇号，决定是结束还是继续访问下一簇号，重复第二条

流程.png

大致流程也就如上图所示

再看一下目录结构

ls.png

分别以一个目录和文件举例

查看HOUSE目录

step1:查看根目录目录项

定位到2600h

RootEntry.png

HOUSE目录具有以下结构

RootEntry HOUSE {
    char DIR_Name[11] = "HOUSE      ";      //长度名+扩展名
    u8   DIR_Attr = 0x10;                   //文件属性
    char reserved[10];                      //保留位
    u16  DIR_WrtTime;                       //最后一次写入时间
    u16  DIR_WrtDate;                       //最后一次写入日期
    u16  DIR_FstClus = 0x0004 = 4;	    //开始簇号
    u32  DIR_FileSize = 0x00000000 = 0;     //文件大小
};

判断是文件还是目录，FAT12下文件属性常见如下:

  • 0x01：只读文件
  • 0x02：隐藏文件
  • 0x04：系统文件
  • 0x08：卷标
  • 0x10：子目录
  • 0x20：存档文件

根据DIR_Attr = 0x10也能判断出HOUSE为子目录类型

HOUSE子目录下还有ROOM子目录，去数据区HOUSE开始簇号4查看

簇号4应该是定位到(4 - 2) * 512 + 4200h = 0400h + 4200h = 4600h

HOUSE.png

忽略.和..子目录，ROOM子目录具有以下结构：

RootEntry ROOM {
    char DIR_Name[11] = "ROOM       ";      //长度名+扩展名
    u8   DIR_Attr = 0x10;                   //文件属性
    char reserved[10];                      //保留位
    u16  DIR_WrtTime;                       //最后一次写入时间
    u16  DIR_WrtDate;                       //最后一次写入日期
    u16  DIR_FstClus = 0x0006 = 6;	    //开始簇号
    u32  DIR_FileSize = 0x00000000 = 0;     //文件大小
};

去对应的簇号6(4A00h)处

ROOM.png

查看到ROOM目录下的信息

step2:查询FAT表

HOUSE起始簇内容全部访问完了，紧接着我们就要去访问与簇号对应的FAT表了，FAT表对应表项为簇号4

FAT1表起始于1扇区，即200h

FAT表.png

前三个字节为固定的0xF0、0xFF、0xFF，符合FAT12

如何读取12位FAT表项取值？

可不是照着顺序F0F FFF这样，这就涉及到存储的方式了。以下是几张较为直观的示意图：

FAT表构成.png

FAT表1.png

FAT12结构.png

以我的看法，由于是按字节(8位)进行存取的，12位的尴尬取值，就不得不由一个完整的字节与另一字节的一半拼接起来。

以FAT(0) 和 FAT(1)为例，依据低地址在大端，高地址在小端的顺序，构成的三个字节应该为0xFF-FF-F0，读取12字节划分应该为0xFFF-FF0，FAT(0)的高位F为byte2的低位，FAT(1)的低位F为byte2的高位F，真是奇怪的读取方式。

用16位存储关联两字节后获取这12位的FAT表项也就得分奇偶进行区分了。粗略有以下写法

if(奇数表项号){
    //去掉value低4位
    value >> 4;//FF-FF >> 4 = 0F-FF
}else {
    //去掉value高4位
    value << 4;//FF-F0 << 4 = FF-00
    value >> 4;//FF-00 >> 4 = 0F-F0
}

所以簇号4对应FAT表项值为0xFFF，>0xFF8，表明已是文件的最后一个簇(HOUSE作为目录，对应的首簇能放512 / 32 = 16条entry)

查看/NJU/SOFTWARE/SE1.TXT

之所以选择该文件一是目录结构有点复杂，而是文件大小超过512字节，也就是1簇，便于理解FAT表

step1:查看根目录目录项

RootEntry.png

大致与上文一样，定位NJU目录开始簇号为0x0005 = 5，定位至4800h

NJU表项.png

定位SOFTWARE目录开始簇号为0x0008 = 8，定位至4E00h

SOFTWARE表项.png

定位SE1.TXT开始簇号为0x000B = 11，定位至5400h

SE1.png

step2:查询FAT表

FAT表.png

查询表项FAT(11)，为0x00C = 12,接着继续去簇12读取接下来内容，查询表项FAT(12)，为0x00D = 13，接着去簇13读取下一段内容，查询表项FAT(13) = 0x00E = 14，去簇14读取剩余内容，查询表项FAT(14) = 0xFFF，读取完毕。

所以簇14为最后一个簇，定位到5A00h，确实如此。

SE1.2.png

至此已完成了FAT12文件系统的了解，镜像查看工具的实现依据上面所说文件读取过程进行模拟即可。

参考文章：

【实现操作系统 02】FAT12 文件系统（摆脱术语用实际例子介绍）

linux之 引导扇区（一）