圖解 FAT 文件系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

作者 | 魚鷹Osprey

轉(zhuǎn)自 | 魚鷹談單片機

FAT 文件系統(tǒng)是什么，當(dāng)你格式化 U 盤之后 U 盤發(fā)生了什么，為什么刪除的文件還可以再恢復(fù)？買的 U 盤明明寫著 16 G，實際卻只有15 G，這里隱藏了什么事實？
FAT 文件系統(tǒng)隨著發(fā)展，經(jīng)歷了多個版本，從 FAT12 到 FAT16 再到 FAT32，exFAT，每一個版本的迭代都是容量的巨大提升……

文件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

我們看看當(dāng)你的 U 盤（16 G，作者親自試驗并圖解）格式化為 FAT32 格式后，U盤發(fā)生了什么：這里將 U盤分成了三個分區(qū)，類似你將電腦的硬盤分成C盤、D盤、E盤，這里的新加卷、分區(qū)2、分區(qū)3 就是目前 U盤上建立的三個分區(qū)，但事實上，我們一般不會將 U 盤分成三個分區(qū)，一個就夠用了，只是作者想告訴你，這在 U 盤也可以做到。

MBR

在 FAT 文件系統(tǒng)中， 0 扇區(qū)必定是 MBR，這個扇區(qū)包含了磁盤（U 盤）很多信息，比如整個 U 盤的大?。ㄈ萘浚?，即扇區(qū)總數(shù)，各個分區(qū)的起始扇區(qū)、分區(qū)大小，引導(dǎo)代碼等。
前面 446 個字節(jié)和主引導(dǎo)代碼有關(guān)，因為在單片機系統(tǒng)中一般不會使用這種引導(dǎo)方式引導(dǎo)操作系統(tǒng)，所以按下不表。我們主要關(guān)注后面的分區(qū)信息和一些標(biāo)志：分區(qū)表項具體含義可看該圖：這里有一個標(biāo)志，即扇區(qū)最后的兩個字節(jié)，一般是 55 AA（0xAA55），如果說你的扇區(qū)里面沒有這個標(biāo)志，那么系統(tǒng)就不認為這是一個 FAT 文件系統(tǒng)，更不用說進行接下來的其他驗證操作了。我們從上圖可以看到，一個 MBR 可以記錄四個分區(qū)信息，但是你會發(fā)現(xiàn)你的 U盤可以分成超過四個分區(qū)，那么這又是怎么回事？原因在于，可以使用邏輯分區(qū)。即可設(shè)置三個主分區(qū)，另一個分區(qū)設(shè)置為邏輯分區(qū)，這個邏輯分區(qū)里面可以分成很多很多分區(qū)，這就是它為什么能創(chuàng)建超過四個分區(qū)的原因。當(dāng)然，我們目前也沒必要深入了解邏輯分區(qū)是怎么一回事，先把基本分區(qū)搞定再說。

MBR

說完 MBR，我們再說一個和 MBR 很像的一個扇區(qū)，DBR。從上圖我們可以看到，每一個分區(qū)的第一個扇區(qū)必定是 DBR，這是做什么用的？我們知道 MBR 記錄的分區(qū)信息十分有限，只有分區(qū)的開始扇區(qū)、分區(qū)的大小、分區(qū)類型、引導(dǎo)標(biāo)志（表示該分區(qū)是否可被引導(dǎo)，通俗的話說，就是這個分區(qū)是否存在操作系統(tǒng)）等有限信息，我們不知道這個分區(qū)叫什么名字，文件系統(tǒng)的版本號是多少等。所以我們需要一個扇區(qū)保存這些信息。這就是 DBR的作用。如果說MBR保存的是整個磁盤的基本信息，那么 DBR 保存的就是當(dāng)前分區(qū)的基本信息。我們可以看到 DBR 的扇區(qū)結(jié)尾也是一樣的結(jié)束標(biāo)志，所以它們是比較相似的，在有些資料中，如果不區(qū)分它們的話，很容易讓人迷惑。

隱藏扇區(qū)

細看這張圖，你會發(fā)現(xiàn)其中存在隱藏扇區(qū)。隱藏扇區(qū)指的是扇區(qū)0到DBR扇區(qū)之間的空間。換句話說，從整個磁盤開始到分區(qū)部分的扇區(qū)稱之為隱藏扇區(qū)（每一個分區(qū)都有自己的隱藏扇區(qū)），因為這些扇區(qū)對于分區(qū)而言是不可見的，也不可以被分區(qū)內(nèi)的文件系統(tǒng)所管理。這部分扇區(qū)數(shù)保存在 DBR 中。當(dāng)然，除了這部分扇區(qū)不被當(dāng)前分區(qū)管理外，其他分區(qū)也不可以被當(dāng)前分區(qū)管理，也可說其他分區(qū)也對當(dāng)前分區(qū)隱藏了，但不被 DBR 所記錄。從這個角度說，每一個分區(qū)都是一個獨立的文件系統(tǒng)，比如一個 U 盤可以同時創(chuàng)建一個 FAT32 文件系統(tǒng)分區(qū)，同時還可以創(chuàng)建一個 FAT16 文件系統(tǒng)分區(qū)，他們之間并不會相互影響。同時，格式化某個分區(qū)不會影響其他分區(qū)的正常使用，比如 C盤格式化或重裝系統(tǒng)并不會影響D盤的數(shù)據(jù)，這就是為什么說要分區(qū)的原因了，否則一個硬盤只分一個區(qū)，想重裝系統(tǒng)的話，很多數(shù)據(jù)都會丟失，包括桌面文件。這就是為什么最好把數(shù)據(jù)放在除 C 盤外的區(qū)域了，當(dāng)然為了方便，你也可以使用快捷方式，將文件指向其他盤，而將快捷方式放桌面。

保留扇區(qū)

在每個分區(qū)之內(nèi)，我們可以看到有部分扇區(qū)被文件系統(tǒng)認為是保留扇區(qū)，而這些所謂的保留扇區(qū)才是實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)的關(guān)鍵。（這里為了圖解清晰，并沒有按照比例圖解，實際上，數(shù)據(jù)區(qū)比保留區(qū)空間大的多）這里有 DBR、FSINFO、FAT，還有為了安全考慮，存有他們的備份信息（如果文件系統(tǒng)損壞，可以嘗試使用備份恢復(fù)他們）。但我們還可以從上面知道，除了這些，還有一部分是真正的保留扇區(qū)，即上面的空白部分，這些保留扇區(qū)大小不是固定的，但確實占用了空間，而你卻無法使用它們。文章開頭，有個疑問，為什么明明買的是 16 G U盤，格式化后，系統(tǒng)卻提示我們只有 15 G，這少了 1 G 空間去哪了？最大頭，我相信大家都知道了，就是 1024 和 1000 進制的區(qū)別了，商家說的 16 G 是按照1000 為單位的，而系統(tǒng)按照 1024 計算，當(dāng)然不一致了。還有就是一般 MBR 之后會有一些保留分區(qū)存在（如果磁盤空間有限，可以不需要）。另外就是文件系統(tǒng)本身占用的空間了（即上面的保留扇區(qū)），如果有多個分區(qū)，那么顯示的只有當(dāng)前分區(qū)的大小，其他分區(qū)大小是無法查看的。而如果是單個分區(qū)，那么顯示的大小只是數(shù)據(jù)區(qū)大小而已，保留區(qū)并不在顯示空間內(nèi)，你也不能直接通過文件的方式操作它。還有就是數(shù)據(jù)區(qū)的空間使用簇來進行管理的，不滿一簇大小的扇區(qū)空間，將直接丟棄不被文件系統(tǒng)所使用，這也會損失一點空間。而有些分區(qū)為了效率，會將分區(qū)進行對齊處理，未對齊部分也不能使用。種種原因，導(dǎo)致顯示的空間比實際要小，不過對于大容量的存儲介質(zhì)來說，這點損失根本不算什么，而且在后面你會發(fā)現(xiàn)，為了高效管理空間，還有其他損失。
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