文件系统 -- 磁盘基础知识和FAT32文件系统详细介绍

1、简介

由于最近开发录像存储功能，因此需要对文件系统进行了解，这一节先介绍一下磁盘的的基础知识。

2、机械硬盘

2.1 机械硬盘物理结构

机械硬盘主要由盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。如下图所示：

在这里插入图片描述

2.2 机械硬盘的逻辑结构

机械硬盘会有多个盘片组成，每个盘片包含两个面，每个盘面都对应地有一个读/写磁头。机械硬盘逻辑上将空间分为扇区、磁道、柱面进行管理。具体示意图如下：
在这里插入图片描述

扇区：硬盘的内部圆形金属盘片被磁道划分成若干个扇形区域，用以存储数据，硬盘的读写以扇区为基本单位。
块/簇：磁盘块/簇（虚拟出来的）。块是操作系统中最小的逻辑存储单位。操作系统与磁盘打交道的最小单位是磁盘块。

存储容量＝磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数；

下面的命令查看的是SD的信息

# fdisk -l /dev/mmcblk0

Disk /dev/mmcblk0: 31.9 GB, 31927042048 bytes
4 heads, 16 sectors/track, 974336 cylinders
Units = cylinders of 64 * 512 = 32768 bytes
 Device Boot      Start         End      Blocks        Id System
/dev/mmcblk0p1      1          974336    31178744   c Win95 FAT32 (LBA)

3、FAT32文件系统

3.1 FAT32简介

文件系统：操作系统用于明确存储设备（常见的是磁盘，也有基于NAND Flash的固态硬盘）或分区上的文件的方法和数据结构，即在存储设备上组织文件的方法。操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构称为文件管理系统，简称文件系统。
FAT32文件系统：　FAT32指的是文件分配表是采用32位二进制数记录管理的磁盘文件管理方式，因FAT类文件系统的核心是文件分配表，命名由此得来。FAT32是从FAT和FAT16发展而来的，优点是稳定性和兼容性好，能充分兼容Win 9X及以前版本，且维护方便。缺点是安全性差，且最大只能支持2T分区，单个文件也只能支持最大4GB。

3.2 FAT32 存储器数据分布结构详解

FAT32文件系统存储器数据分布结构如下所示：

MBR扇区；
保留扇区；
DBR扇区即文件系统0扇区；
FSINFO扇区，文件系统1扇区；
保留扇区；
FAT表；
根目录；
数据区；

其具体示意图如下：
在这里插入图片描述
下面对上述内容分别介绍：

MBR扇区：
硬盘第一个扇区，前446字节为硬盘主引导记录（即Master Boot Record，MBR），其后64字节为分区表，最后2个字节为结束码（固定为55 AA）。下图是分区表的示意图：

分区表，每16字节为一个分区表项，64字节总共可以存放4个分区表项，分区表数据结构如下所示。

其数据结构如下所示：

struct partition {
    
    
	uint8_t boot_ind;
	uint8_t head;
	uint8_t sector;
	uint8_t cyl;
	uint8_t sys_ind;
	uint8_t end_head;
	uint8_t end_sector;
	uint8_t end_cyl;
	uint8_t start[4];
	uint8_t size[4];
}__attribute__ ((__packed__));

DBR扇区：
DBR扇区详细结构如下图所示：
0x00~0x02：3字节，跳转指令。
0x03~0x0A：8字节，文件系统标志和版本号，这里为MSDOS5.0。
0x0B~0x0C：2字节，每扇区字节数，0x0200=512
0x0D~0x0D：1字节，每簇扇区数，0x08。
0x0E~0x0F：2字节，保留扇区数，0x0C22=3106
0x10~0x10：1字节，FAT表个数，0x02。
0x11~0x12：2字节，FAT32必须等于0，FAT12/FAT16为根目录中目录的个数；
0x13~0x14：2字节，FAT32必须等于0，FAT12/FAT16为扇区总数。
0x15~0x15：1字节，哪种存储介质，0xF8标准值，可移动存储介质。
0x16~0x17：2字节，FAT32必须为0，FAT12/FAT16为一个FAT 表所占的扇区数。
0x18~0x19：2字节，每磁道扇区数，只对于“特殊形状”（由磁头和柱面分割为若干磁道）的存储介质有效，0x003F=63。
0x1A~0x1B：2字节，磁头数，只对特殊的介质才有效，0x00FF=255。
0x1C~0x1F：4字节，EBR分区之前所隐藏的扇区数，0x0004A800=305152又出现了呢，与MBR中地址0x1C6开始的4个字节数值相等。
0x20~0x23：4字节，文件系统总扇区数，0x00E83800=15218688
0x24~0x27：4字节，每个FAT表占用扇区数，0x000039EF=14831
0x28~0x29：2字节，标记，此域FAT32 特有。
0x2A~0x2B：2字节，FAT32版本号0.0，FAT32特有。
0x2C~0x2F：4字节，根目录所在第一个簇的簇号，0x02。（虽然在FAT32文件系统下，根目录可以存放在数据区的任何位置，但是通常情况下还是起始于2号簇）
0x30~0x31：2字节，FSINFO（文件系统信息扇区）扇区号0x01，该扇区为操作系统提供关于空簇总数及下一可用簇的信息。
0x32~0x33：2字节，备份引导扇区的位置。备份引导扇区总是位于文件系统的6号扇区。
0x34~0x3F：12字节，用于以后FAT 扩展使用。
0x40~0x40：1字节，与FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已。
0x41~0x41：1字节，与FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已。
0x42~0x42：1字节，扩展引导标志，0x29。与FAT12/16 的定义相同，只不过两者位于启动扇区不同的位置而已
0x43~0x46：4字节，卷序列号。通常为一个随机值。
0x47~0x51：11字节，卷标（ASCII码），如果建立文件系统的时候指定了卷标，会保存在此。
0x52~0x59：8字节，文件系统格式的ASCII码，FAT32。
0x5A~0x1FD：共420字节，引导代码。
0x1FE~0x1FF：签名标志“55 AA”。

其数据结构如下所示：

struct msdos_boot_sector
{
    
    
	uint8_t boot_jump[3];
	uint8_t system_id[8];
	uint8_t sector_size[3];
	uint8_t cluster_size;
	uint16_t res; 
	uint8_t fats;
	uint8_t dir_entries[2];
	uint8_t sectors[2];
	uint8_t media;
	uint16_t fat_lenght;
	uint16_t secs_track;  
	uint16_t heads;
	uint32_t hidden;
	uint32_t total_sect;
    union 
    {
    
    
    	struct 
    	{
    
    
    		struct msdos_volume_info vi;
    		uint8_t boot_code[BOOTCODE_SIZE];
		}__attribute__ ((packed)) _oldfat;
		
		struct 
		{
    
    
			uint32_t fat32_lenght;
			uint16_t flags;
			uint8_t ver[2];
			uint32_t root_cluster;
			uint16_t info_sector;
			uint16_t backup_root;
			uint16_t res[2];
		}__attribute__ ((packed)) _fat32;
	}__attribute__ ((packed)) fstype;
	uint16_t boot_sign;
}

FSINFO扇区：
FSINFO扇区如下如所示：

其具体数据结构如下图所示：

struct fat32_fsinfo {
    
    
	uint32_t res;
	uint32_t signature;
	uint32_t free_clusters;
	uint32_t next_cluster;
	uint32_t res[4];
}

FAT表：
文件系统分配磁盘空间按簇来分配。对于大文件，需要分配多个簇。同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘中一个连续地区域内，而往往会分若干段，像链子一样存放。这种存储方式称为文件的链式存储。为了实现文件的链式存储，文件系统必须准确地记录哪些簇已经被文件占用，还必须为每个已经占用的簇指明存储后继的下一个簇的簇号，对于文件的最后一簇，则要指明本簇无后继簇。这些都是由FAT表来保存的，FAT 表对应表项中记录着它所代表的簇的有关信息：诸如是空，是不是坏簇，是否是已经是某个文件的尾簇等。

每个簇的簇地址是有32bit（4个字节），FAT表中的所有字节位置以4字节为单位进行划分。

特殊：0x0FFFFFF8
结束：0x0FFFFFFF
坏簇：0x0FFFFFF7
其中FAT表0、1固定为 0x0FFFFFF8、 0x0FFFFFFF ，2号簇为根目录；
目录项：
目录所在的扇区，都是以32 Bytes划分为一个单位，每个单位称为一个目录项，即每个目录项的长度都是32 Bytes 。根目录由若干个目录项组成，一个目录项占用32个字节，可以是长目录项、短目录项、“.”目录项和“…”目录项等。每个文件都对应于一个目录项。
短目录项：

其数据结构：

typedef struct {
    
    
	uint8_t name[8];
	uint8_t ext[3];
	uint8_t lcase;
	uint8_t ctime_ms;
	uint16_t ctime;
	uint16_t cdate;
	uint16_t adate;
	uint16_t starthi;
	uint16_t time;
	uint16_t date;
	uint16_t start;
	uint32_t size;
} msdos_dir_entry;

typedef struct 
{
    
    
	uint8_t id;
	uint8_t name0_4[10];
	uint8_t attr;
	uint8_t res;
	uint8_t alias_checksum;
	uint8_t name5_10[12];
	uint16_t start;
	uint8_t name11_12[4]; 
} msdos_dir_slot;

3.3 FAT32 文件系统格式化流程

FAT32格式化主要分为5部分：

设置分区表；
FAT32的DBR扇区；
FSINFO扇区；
FAT表；
根目录初始化；

设置分区表：
–prepare_for_createfile
----getTotalSectors获取SD卡总扇区
----usrFdiskPartCreate根据SD卡大小进行分区
------add_partition_auto填写分区表
--------set_partition设置每个分区表
----------set_start_sect填写分区起始扇区
----------set_nr_sects填写分区总扇区数
------write_part_table_flag写结束码（0xAA55）
------write_sector将内存数据写入到SD卡
FAT32的DBR扇区初始化：
prepare_for_createfile格式化总接口
–dosFsCreate格式化分区，可传入扇区大小、簇大小等参数
----mkfs_main格式化主函数
------getopt解析参数，目前不带入参数
------count_blocks统计设备分区总块数
------open打开分区文件，所有的格式化都是对这个分区文件进行读写
------establish_params创建参数
--------media设置媒体介质0XF8
--------cluster_size设置簇大小，fs size >= 16G: 16k clusters
--------setup_tables设置表参数
--------system_id文件系统标志和版本号，mkdosfs
--------volume_id卷序列号，格式化时间
--------volume_label卷标，11个空格
--------boot_jump跳转指令
--------fat32.boot_code引导码，420字节
--------boot_sign结束码，0xAA55
--------reserved保留扇区个数
--------fats，FAT表个数，2个
--------hidden隐藏扇区数，未使用
--------fat32.fat32_length，FAT表大小
--------fat32.flags 标志，0
--------fat32.version版本号，0
--------fat32.root_cluster根目录簇号，簇号2
--------fat32.info_sector，FSINFO扇区号，扇区1
--------fat32.backup_boot，DBR扇区备份扇区号，扇区6
--------total_sect文件系统总扇区数
--------ext_boot_sign扩展引导标志，0x29
根目录初始化：
prepare_for_createfile
–dosFsCreate格式化分区，可传入扇区大小、簇大小等参数
----mkfs_main格式化主函数
------setup_tables设置表参数
--------de->name文件名
--------de-> ext扩展名
--------de->attr 文件属性 ATTR_VOLUME卷标
--------de->time时间
--------de->date日期
--------de->starthi文件起始簇号高2位
--------de->start文件起始簇号低2位
--------de->size文件大小
FAT表初始化：
prepare_for_createfile
–dosFsCreate格式化分区，可传入扇区大小、簇大小等参数
----mkfs_main格式化主函数
------setup_tables设置表参数
--------mark_FAT_cluster (0, 0xffffffff)设置第一个FAT表项0x0FFFFFF8
--------mark_FAT_cluster (1, 0xffffffff)设置第一个FAT表项0x0FFFFFFF
--------mark_FAT_cluster (2, FAT_EOF)设置根目录簇号FAT表项
FSINFO扇区：
prepare_for_createfile
–dosFsCreate格式化分区，可传入扇区大小、簇大小等参数
----mkfs_main格式化主函数
------setup_tables设置表参数
--------扩展引导标志 4字节，字符串“RRaA”
--------未使用区域，420字节，置零
--------info->signature 4字节，签名0x72724161
--------info->free_clusters 4字节，文件系统空簇数
--------info->next_cluster 4字节下一可用簇号，2号
-------info->next_cluster 4字节下一可用簇号，2号
写入到SD卡：
prepare_for_createfile
–dosFsCreate格式化分区，可传入扇区大小、簇大小等参数
----mkfs_main格式化主函数
------write_tables将初始化在内存的数据写到SD卡
--------seekto定位到偏移地址
--------writebuf写入数据

参考资料：
https://baike.baidu.com/item/FAT32/827339?fr=aladdin
https://blog.csdn.net/li_wen01/article/details/79929730/
https://blog.csdn.net/z1026544682/article/details/99759500