FAT12文件系统引导扇区结构

傷城~ 2021-12-20 09:01 435阅读 0赞

文件系统即文件管理系统，是操作系统的重要组成部分之一，如果需要开发底层磁盘驱动或编写自己的操作系统，就必须详细了解文件系统。

FAT12是Microsoft公司DOS操作系统所支持的文件系统之一，此外还有FAT16和FAT32，之后会分别详述这些文件系统。当软盘被标准格式化后，磁盘被格式化为：每磁头80个柱面(磁道)，每个柱面有18个扇区，每个扇区有512字节空间。所以标准软盘的总空间(容量)为：

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

FAT12文件系统将按照下表所示的方式划分全部的容量，即文件系统数据结构：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <th> FAT12 2880扇区 (1474560B) </th> 
 <th> 逻辑扇区 </th> 
 <th> 占用扇区 </th> 
 <th> 内容 </th> 
 <th> 磁盘CHS参数(磁头/柱面/扇区) </th> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 0 </td> 
 <td> 1(512B) </td> 
 <td> 引导程序 </td> 
 <td> 起：0/0/1 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 9(4608B) </td> 
 <td> FAT文件分配表1 </td> 
 <td> 起：0/0/2止：0/0/10 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 10 </td> 
 <td> 9(4608B) </td> 
 <td> FAT文件分配表2 </td> 
 <td> 起：0/0/11止：1/0/1 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 19 </td> 
 <td> 14(9728B) </td> 
 <td> 根目录 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 33 </td> 
 <td> 14(9728B) </td> 
 <td> 文件数据区 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

操作系统之所以认识FAT12格式的磁盘，其秘密就在于逻辑0扇区这512B上。如果这512字节的最后两个字节的内容分别是55和AA（0xAA55低字节在前，高字节在后)的话，BIOS在启动时会将这个扇区读取到0:7C00h-0:7DFFh处，然后跳转到0:7C00h处继续执行指令，操作系统即用此来达到引导系统的目的，而这个磁盘就称为可引导磁盘。操作系统标识FAT12文件系统是因为在逻辑0扇区(即引导扇区)处还存储着一个特定的数据结构，此结构有固定的格式，在操作系统将此磁盘格式化时自动生成，具体数据结构如下表所示：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <th> 标识 </th> 
 <th> 偏移量 </th> 
 <th> 类型 </th> 
 <th> 大小 </th> 
 <th> 说明 </th> 
 <th> 默认值 </th> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td> 0 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 3 </td> 
 <td> 跳转指令 </td> 
 <td>&nbsp;</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BS_OEMName </td> 
 <td> 3 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 8 </td> 
 <td> OEM字符串，必须为8个字符，不足以空格填空 </td> 
 <td> MSWIN4.1 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_BytsPerSec </td> 
 <td> 11 </td> 
 <td> dw </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 每扇区字节数 </td> 
 <td> 200h </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_SecPerClus </td> 
 <td> 13 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 每簇占用的扇区数 </td> 
 <td> 1 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_RsvdSecCnt </td> 
 <td> 14 </td> 
 <td> dw </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 保留扇区数 </td> 
 <td> 1 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_NumFATs </td> 
 <td> 16 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> FAT表的记录数 </td> 
 <td> 2 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_RootEntCnt </td> 
 <td> 17 </td> 
 <td> dw </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 最大根目录文件数 </td> 
 <td> 0e0h </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_TotSec16 </td> 
 <td> 19 </td> 
 <td> dw </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 逻辑扇区总数 </td> 
 <td> 0b40h </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_Media </td> 
 <td> 21 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 媒体描述符 </td> 
 <td> 0f0h </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_FATSz16 </td> 
 <td> 22 </td> 
 <td> dw </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 每个FAT占用扇区数 </td> 
 <td> 9 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_SecPerTrk </td> 
 <td> 24 </td> 
 <td> dw </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 每个磁道扇区数 </td> 
 <td> 12h </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_NumHeads </td> 
 <td> 26 </td> 
 <td> dw </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 磁头数 </td> 
 <td> 2 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_HiddSec </td> 
 <td> 28 </td> 
 <td> dd </td> 
 <td> 4 </td> 
 <td> 隐藏扇区数 </td> 
 <td> 0 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BPB_TotSec32 </td> 
 <td> 32 </td> 
 <td> dd </td> 
 <td> 4 </td> 
 <td> 如果BPB_TotSec16是0，则在这里记录扇区总数 </td> 
 <td> 0 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BS_DrvNum </td> 
 <td> 36 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 中断13的驱动器号 </td> 
 <td> 0 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BS_Reserved1 </td> 
 <td> 37 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 未使用 </td> 
 <td> 0 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BS_BootSig </td> 
 <td> 38 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 扩展引导标志 </td> 
 <td> 29h </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BS_VolID </td> 
 <td> 39 </td> 
 <td> dd </td> 
 <td> 4 </td> 
 <td> 卷序列号 </td> 
 <td> 0 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BS_VolLab </td> 
 <td> 43 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 11 </td> 
 <td> 卷标，必须是11个字符，不足以空格填充 </td> 
 <td>&nbsp;</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> BS_FileSysType </td> 
 <td> 54 </td> 
 <td> db </td> 
 <td> 8 </td> 
 <td> 文件系统类型，必须是8个字符，不足填充空格 </td> 
 <td> FAT12&nbsp;&nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td> 62 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 <td> 引导代码，由偏移0字节处的短跳转而来 </td> 
 <td>&nbsp;</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>&nbsp;</td> 
 <td> 510 </td> 
 <td> dw </td> 
 <td> 2 </td> 
 <td> 系统引导标识 </td> 
 <td> 0aa55h&nbsp;&nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

首先是跳转指令，偏移0处的跳转指令必须是合法的可执行的基于x86的CPU指令，如：jmpstart，这样可以生成3字节长的指令，（加关键字short的短跳转指令的长度是2字节），指向操作系统引导代码部分。Windows和MS-DOS生成的FAT12启动扇区中的跳转指令是短跳转，如：jmpshort start，然后加一个nop的空指令来保持3字节的长度。

接着是位于偏移3处的OEM字符串，它必须是一个8字节长的字符串，标识了格式化此磁盘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Windows2000系统格式化的磁盘上在此记录中的字符串是“MSDOS5.0”，在Windows95系统格式化的磁盘上在此记录中的字符串是“MSWIN4.0”，在Windows95 OSR2和Windows98系统上格式化的磁盘上在此记录中的字符串是“MSWIN4.1”。

接下来是每扇区的字节数，类型是双字节长，标准分区上的每扇区字节数一般是512B，但也可以是其它的数字，如1024,2048和4096，FAT12的格式下设置为512(200h)。

偏移13处的是每簇所占用的扇区，类型是字节，簇是数据存储的最小单位，此字段的值取决于分区的大小，在FAT12格式下一般为1，即每簇只有1个扇区(512字节)，簇越大，那么分区的容量也就越大，通过增加簇的扇区数，可以支持更大的磁盘分区，标准的簇大小为1、2、4、8、16、32、64和128，FAT12格式下只能管理2^12个簇(4096)，所以在FAT12格式下能管理和分配的最大空间为：4096\*1\*512=2097152B=2M，所以FAT12一般只适合3.5寸高密度软盘(1.44M)。

保留扇区指的是在第一个FAT文件分配表之前的引导扇区，一般情况下只保留1个扇区(512B)。

接下来是类型为1字节长的FAT表的总数，默认情况下此字段的值为2，也就是有两个FAT表，FAT1和FAT2的内容相同，当FAT1表出错的时候可以使用FAT2来恢复文件分配表。

位于偏移17处的字段是类型为双字节长的能够储存在根目录下的最大文件(包含子目录)数量，默认为224，每个目录或文件名占用32B的空间，因此根目录的大小为：224\*32=7168B=7KB，如果使用长文件名的话，根目录文件数还可能无法达到224的数量。

接下来是位于偏移19处的逻辑扇区总数，类型是双字节，如果此磁盘的逻辑扇区总数大于2^16位(65536)的话，就设置此字段为0，然后使用偏移32处的双字来表示逻辑总扇区数。

位于偏移21处的是单字节长的磁盘类型标识符，使用0f0h表示3.5寸高密码软盘，用0f8h来表示硬盘。此字段主要用于FAT12或FAT16的分区格式中，在Windows2000中未使用。

偏移22处双字节长的是每个FAT文件分配表所占用的扇区数，操作系统用这个字段和FAT表数量以及隐藏扇区数量来计算根目录所在的扇区。还可以根据最大根目录数来计算用户数据区从哪里开始。

根目录扇区位置=FAT表数量\*FAT表所占用的扇区数量+隐藏扇区数量

用户数据开始位置=根目录扇区位置+根目录所占用扇区(FAT12格式下为224\*32/512)

此处所说的扇区指的是逻辑(线性)扇区，需要通过转换才能得到CHS磁盘参数，然后通过CHS参数来读写磁盘扇区。

接下来是位于偏移24处的每磁道扇区总数，类型是双字节长，软盘的默认值为18，即每个磁道有18个扇区。

然后是双字节长的磁头数，磁头数指的是磁盘面数，每面都有一个磁头，软盘都是2面的，所以在FAT12格式下此字段固定为2。

接下来是的位于偏移28处类型为双字(4B)长的隐藏扇区数，指的在引导扇区之前的隐藏扇区，在FAT12格式上此字段默认为0，即不隐藏任何扇区，此字段参与计算根目录区和用户数据区位置。