本文记录FAT文件系统的学习内容，不是文件系统的详细说明文档。

FAT，File Allocation Table，文件分配表。有FAT12，FAT16和FAT32三种类型，FAT后面的数字指的是每个FAT entry的大小，比如FAT32指的是 FAT entry = 32bit。 FAT文件系统是相对比较古老的文件系统，随着时间的推移，FAT12和FAT16使用已经不多了，现在常见是FAT32。 FAT文件系统与NTFS、ext4、xfs这些文件系统相比，有明显的问题，但是它原理简单，到现在还有很多地方在使用，比如操作系统启动分区（UEFI需要一个FAT32启动分区），一些电视机之类的多媒体设备识别FAT32文件系统等。

上图是FAT文件系统的布局图，其中中间部分的FAT Region就是FAT文件系统的最核心部分：文件分配表。

1. 区域如何分配

布局图中将整个文件系统分成是4个区域：

Reserved Region：保留区域，保存文件系统的属性
FAT Region： FAT区，一般有连续的两个FAT
Root Directory Region：保存根目录的内容，FAT32没有这个部分
File and Directory Data Region：数据区

保留区域的作用很重要，里面保存了整个文件系统的重要信息。 BPB(BIOS Parameter Block)，同时也是 Boot Sector 启动扇区，指的都是保留分区中的第一个扇区（sector 0）。这部分内容类似于其他文件系统说的超级块（super block）。这部分内容是需要重点关注的，下面列出一些重要的参数：

BPB_RsvdSecCnt： 14bit开始，长度2bit，保留区的扇区数量，用于计算保留区的大小；
BPB_NumFATs： FAT的数量，一般是2个；
BPB_FATSz32： FAT32类型的FAT区域扇区数，用于计算FAT区域的大小；然后推算数据区的开始位置；
BPB_SecPerClus：数据区以cluster（簇）为单位进行划分，cluster是sector的整数倍，一般是4,8…
BPB_BytsPerSec：扇区字节数，一般512，也可以1024,4096等

以上我们可以计算出（只考虑fat32，无RootDir区域）：

FAT区域起始扇区 fat_start_sec = BPB_RsvdSecCnt
数据区域起始扇区 data_start_sec = BPB_RsvdSecCnt + BPB_NumFATs * BPB_FATSz32

2. FAT 区域

FAT32的FAT区域是一个数组，每个成员是32bit的无符号整数，该整数指向数据区域的cluter ID。举个例子，现在需要查找一个文件：如果该文件的第1个cluster id=i，那么第2个cluster id = fat[i]，然后跳转到相应的cluter位置读取数据即可。
如果某个成员的值0x0fffffff, 表示该文件后续没有cluster了，还有一些其他的特殊值请参考手册
FAT[0]一般是0x0ffffff8, 如果是U盘的话可能是0x0ffffff0, 从BPB_Media参数得来
FAT[1]=0xffffffff，保留值，不使用
FAT[2]开始对应cluster ID, 也就说最小ClusterID=2，但是对应的数据区是第0块Cluster区域
FAT区域最后可能有好多0值，表示未分配

所以：

# 没有 cluster_id 0 和 1， fat[0]和fat[1]作为标识位用
data[0]  <--> cluster_id=2 <--> fat[2]
data[1]  <--> cluster_id=3 <--> fat[3]
...

3. 目录和文件的存储

数据区存放的就是正儿八经的目录和文件了，那么如何来存放呢？ FAT32使用了一个简单的目录结构（Directory Structure）：大小为32B，内容包括目录名称、目录属性、创建时间等、第一个Cluster、文件大小等基本信息。注意：文件也用这个目录结构来存放基本信息，区别在于目录属性的不同。另外目录对应的Cluster里面存储的是该目录下边的文件或目录的目录结构（Directory Structure），文件对应的Cluster里面存放的就是真正的文件二进制数据了。

那么第一个文件或者目录的目录结构（Directory Structure）在哪里呢？ – BPB扇区中有一个参数BPB_RootClus，保存了FAT32文件系统根目录对应的Cluster ID，一般=2，从这里可以查看到根目录下的目录结构，从而继续搜索下去，就能遍历整个文件系统了。

一张图来看下过程：

4. 其他

感觉有一些细节并没有在参考文件中明确写，下面的FAT32是使用mkfs.fat创建：

# mkfs.fat -v -F 32 -s 8 -S 512 fs.img
# mount fs.img ttt

（1）如果删除一个文件，会发生什么变化？

我们文件系统中有一个文件aaa/bbb.bmp, aaa目录结构存放位置0x24000，bbb.bmp目录结构存放位置0x25040，bbb.bmp数据存放位置0x26000开始，现在将该文件删除后，只是在长名称和短名称目录结构的0号位置写入0xe5(长名称结构在前，短名称结构在后)，其他未改变，并没有将数据进行置0操作。

(2) 再写入另一个文件会怎么样？

可见删除标记的bbb.bmp目录结构已经被覆盖了。

root:aaa# cat /etc/services > cccc.txt
root:aaa# hexdump -C ../../fs.img -s 0x25000 |head
00025000  2e 20 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 4f 78 31  |.          ..Ox1|
00025010  9d 55 9d 55 00 00 78 31  9d 55 03 00 00 00 00 00  |.U.U..x1.U......|
00025020  2e 2e 20 20 20 20 20 20  20 20 20 10 00 4f 78 31  |..         ..Ox1|
00025030  9d 55 9d 55 00 00 78 31  9d 55 00 00 00 00 00 00  |.U.U..x1.U......|
00025040  41 63 00 63 00 63 00 63  00 2e 00 0f 00 36 74 00  |Ac.c.c.c.....6t.|
00025050  78 00 74 00 00 00 ff ff  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |x.t.............|
00025060  43 43 43 43 20 20 20 20  54 58 54 20 00 57 57 0a  |CCCC    TXT .WW.|
00025070  9e 55 9e 55 00 00 57 0a  9e 55 e2 00 80 38 00 00  |.U.U..W..U...8..|
00025080  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|

根据参考资料的目录项数据结构内容来分析cccc.txt目录项0x25060，可以得到第一个cluster_id=#226, 地址是0x104000，原有bbb.bmp cluster_id=#3, 数据地址0x26000并没有被覆盖。

（3）重命名文件会怎样？

root:aaa# mv cccc.txt dddd.txt
root:aaa# hexdump -C ../../fs.img -s 0x25040 |less
root:aaa# hexdump -C ../../fs.img -s 0x25040 |head
00025040  e5 63 00 63 00 63 00 63  00 2e 00 0f 00 36 74 00  |.c.c.c.c.....6t.|
00025050  78 00 74 00 00 00 ff ff  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |x.t.............|
00025060  e5 43 43 43 20 20 20 20  54 58 54 20 00 57 57 0a  |.CCC    TXT .WW.|
00025070  9e 55 9e 55 00 00 57 0a  9e 55 e2 00 80 38 00 00  |.U.U..W..U...8..|
00025080  41 64 00 64 00 64 00 64  00 2e 00 0f 00 78 74 00  |Ad.d.d.d.....xt.|
00025090  78 00 74 00 00 00 ff ff  ff ff 00 00 ff ff ff ff  |x.t.............|
000250a0  44 44 44 44 20 20 20 20  54 58 54 20 00 57 57 0a  |DDDD    TXT .WW.|
000250b0  9e 55 9e 55 00 00 57 0a  9e 55 e2 00 80 38 00 00  |.U.U..W..U...8..|
000250c0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|

可以看到原cccc.txt目录结构（0x25040）0号位被标记删除，并创建新的dddd.txt的目录结构（0x25080），其余均没有变化。

（4）链接操作？不行。

root:aaa# ln dddd.txt ln.txt
ln: failed to create hard link 'ln.txt' => 'dddd.txt': Operation not permitted
root:aaa# ln -s dddd.txt ln.txt
ln: failed to create symbolic link 'ln.txt': Operation not permitted

参考资料

Microsoft FAT Specification 对FAT进行了非常详细的说明