codefans

　　有不少朋友在論壇或是發(fā)郵件給我，問關(guān)于FAT12的問題。對(duì)一些開發(fā)操作系統(tǒng)的朋友來說，軟盤或軟盤鏡像是不可或缺的系統(tǒng)載體，我們的操作系統(tǒng)要在存儲(chǔ)介質(zhì)上操作就幾乎不可能離開文件系統(tǒng)，如果想了解一下FAT12、FAT16、FAT32之類的Windows 用過的文件系統(tǒng)，可以去：http://www.yesky.com/20030313/1656880.shtml 
如果想全面地了解硬盤結(jié)構(gòu)，文件系統(tǒng)原理，下面的一系列文章是很不錯(cuò)的材料：
http://www.sjhf.net/Article/sjhfdoc/200404/1.html
http://www.sjhf.net/Article/sjhfdoc/200404/2.html
http://www.sjhf.net/Article/sjhfdoc/200404/3.html
http://www.sjhf.net/Article/sjhfdoc/200404/4.html
http://www.sjhf.net/Article/Index.html

　　本文主要介紹以3.5英寸的1.44M標(biāo)準(zhǔn)格式化的FAT12文件系統(tǒng)的軟盤為介紹對(duì)象。這里強(qiáng)調(diào)那么多是因?yàn)椋?.44M的軟盤格式化可以不是1.44M，可以大于也可以小于；格式化的文件系統(tǒng)也可以不是FAT12。

　　為什么會(huì)出現(xiàn)正常的1.44M軟盤格式化后可大可小的情況呢？從軟盤及軟盤驅(qū)動(dòng)器原理出發(fā)，軟盤的尋址方式（可以認(rèn)為是讀取數(shù)據(jù)的方式）是：CHS，C = Cylinder（柱面）,H = Header（磁頭）,S = Sector（扇區(qū)）。標(biāo)準(zhǔn)地格式化后，磁盤將被格式化為 每面80磁道（80個(gè)同心圓，柱面），每個(gè)磁道有18個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)是 512字節(jié)，那么高密3.5英寸軟盤的容量為：2×80×18×512 ＝ 1474560 Byte = 1440 KB = 1.44 MB。然而，軟盤可以不格式為80磁道，每個(gè)磁道也可以不是18扇區(qū)，這是題外話，如果您有興趣，可以用古老的HDCopy試試。

　　文件存儲(chǔ)到磁盤上時(shí)至少要占用1個(gè)扇區(qū)，即使這個(gè)文件只有1個(gè)字節(jié)，如果文件有513字節(jié)，那就得占用2個(gè)扇區(qū)，下一個(gè)文件就不能用這只使用了一個(gè)字節(jié)的扇區(qū)。即軟盤以扇區(qū)為單位存儲(chǔ)文件。現(xiàn)在用下面的假設(shè)來說明本文的目的：
　　假設(shè)只有18個(gè)扇區(qū)的磁盤，以 0 - 17 編址，如果一個(gè)文件保存在 1 - 6扇區(qū)，另一文件保存在 7 - 16扇區(qū)，如果我們對(duì)第一個(gè)文件增加了內(nèi)容，又需要一個(gè)扇區(qū)來保存它，但由于文件連續(xù)存儲(chǔ)， 7號(hào)扇區(qū)是第二個(gè)文件的，我們當(dāng)然不能用它，只有最后留有一個(gè)扇區(qū)可用，我們會(huì)不會(huì)把第二個(gè)文件先挪到8-17扇區(qū)以騰出一個(gè)扇區(qū)來給第一個(gè)文件使用呢？當(dāng)只有少數(shù)兩個(gè)文件的時(shí)候可以，但有很多文件的時(shí)候會(huì)變得麻煩起來。如果我們用一個(gè)表來表示有一個(gè)文件占用了 1-6扇區(qū) 和 17扇區(qū)，那事情就簡(jiǎn)單了——我們不必為文件不連續(xù)而煩惱。這個(gè)表就叫它：文件分配表(File Allocation Table)。那怎樣才能知道這個(gè)文件存儲(chǔ)的文件名和文件存放的起始扇區(qū)？再建一個(gè)表，用于存放文件名、起始扇區(qū)、文件創(chuàng)建時(shí)間、文件實(shí)際大小等等資料，這個(gè)表叫：文件目錄表(File Directory Table)。將這兩個(gè)表放在磁盤指定的位置，以便操作系統(tǒng)使用，磁盤的其它扇區(qū)全都用來存放文件的實(shí)際內(nèi)容，這就構(gòu)成了有文件系統(tǒng)的磁盤。

　　磁盤上，0面0磁道第1扇區(qū)用于存放引導(dǎo)程序，如果這512字節(jié)最后兩個(gè)字節(jié)分別是0x55,0xAA（一個(gè)字是0xAA55)，稱為可引導(dǎo)標(biāo)志，BIOS會(huì)將這512字節(jié)讀取出來執(zhí)行，操作系統(tǒng)便是利用這里來實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)的。標(biāo)識(shí)軟盤是不是FAT12并不是沒有根據(jù)的，在這512字節(jié)中，還有一個(gè)設(shè)備頭用于標(biāo)識(shí)這個(gè)軟盤（設(shè)備），例子如下：

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; 程序執(zhí)行的第一條指令必須是跳轉(zhuǎn)（如果你想使用FAT12這類文件系統(tǒng)的磁盤）
; 必須占用3字節(jié)
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jmp SHORT main ; 2 bits，跳轉(zhuǎn)到主程序執(zhí)行
nop            ; 1 bit
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; FAT12 文件系統(tǒng)頭，從NYAOS 借過來的，可以參考相關(guān)的文檔以獲得更多細(xì)節(jié)
; 這個(gè)塊會(huì)讓 Winimage 認(rèn)出編譯后的二進(jìn)制文件為有效的引導(dǎo)文件
; 如果不使用這個(gè)塊，Winimage將不會(huì)將其作為引導(dǎo)程序處理
; 但我們可以借助其它方法和工具處理，比如DEBUG
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bsOEM       db "ExOS0.02"               ; OEM String,任意你喜歡的8字節(jié)ASCII碼
bsSectSize  dw 512                      ; Bytes per sector
bsClustSize db 1                        ; Sectors per cluster
bsRessect   dw 1                        ; # of reserved sectors
bsFatCnt    db 2                        ; # of fat copies
bsRootSize  dw 224                      ; size of root directory
bsTotalSect dw 2880                     ; total # of sectors if < 32 meg
bsMedia     db 0xF0                     ; Media Descriptor
bsFatSize   dw 9                        ; Size of each FAT
bsTrackSect dw 18                       ; Sectors per track
bsHeadCnt   dw 2                        ; number of read-write heads
bsHidenSect dd 0                        ; number of hidden sectors
bsHugeSect  dd 0                        ; if bsTotalSect is 0 this value is
                                        ; the number of sectors
bsBootDrv   db 0                        ; holds drive that the bs came from
bsReserv    db 0                        ; not used for anything
bsBootSign  db 29h                      ; boot signature 29h
bsVolID     dd 0                        ; Disk volume ID also used for temp
                                        ; sector # / # sectors to load
bsVoLabel   db "NO NAME    "            ; Volume Label
bsFSType    db "FAT12   "               ; File System type <- FAT 12文件系統(tǒng)
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; Main start here
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main:
#至于如何引導(dǎo)計(jì)算機(jī)，可以參考我Blog里的more.asp?name=xemean&id=2

　　0面0道第2扇區(qū)到第10扇區(qū)的9個(gè)扇區(qū)是FAT表的存放位置，為了預(yù)防，0面0道的第11扇區(qū)到1面0道第1扇區(qū)的9個(gè)扇區(qū)是第2個(gè)FAT表的存放位置，這第2個(gè)FAT是備用的，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)FAT出了問題里，可以用第2個(gè)FAT。1面0道的第2扇區(qū)起到1面0道的第15扇區(qū)（共14個(gè)扇區(qū)）用于存放 FDT。FDT沒有備份，所以沒有第二個(gè)FDT。這里要注意的是，磁盤為了讀寫的速度，0面0道的18個(gè)扇區(qū)接下來的是 1面0道的扇區(qū)，而不是0面1道，因?yàn)?面0道跟1面0道同在一個(gè)柱面上（同心圓），只是用的磁頭不同。

　　FAT12 中，每個(gè)文件分配表項(xiàng)只占12位(bit)，即1.5字節(jié)(byte)，每個(gè)表項(xiàng)代表一個(gè)扇區(qū)，在這里，磁盤只有扇區(qū)的概念，磁盤里所有扇區(qū)都被類似于上一段提到的磁盤讀寫方式線性地編址（LBA），不再有CHS。這里還要提一提簇的概念：DOS會(huì)把2個(gè)扇區(qū)作為一簇，那么文件就要以簇為單位讀寫。簇的大小通常根據(jù)磁盤的大小設(shè)定，以盡可能少浪費(fèi)磁盤空間為本。

　　FAT12每個(gè)表項(xiàng)的值指出文件存放的下一個(gè)扇區(qū)號(hào)，同時(shí)也是表項(xiàng)入口。比如如果文件的存放的第一個(gè)扇區(qū)是002，那系統(tǒng)首先找FAT的002，在002處得到一個(gè)值003，表示文件下一個(gè)扇區(qū)是003號(hào)，再接著003表項(xiàng)找，得到006...，表項(xiàng)的值含義如下：
000 - 此簇未用；FF8 - FFF 該簇為文件的最后一簇；FF0 - FF7，此簇為壞，不可用；其它值表示文件下一簇的簇號(hào)。
　　下面的圖來說明FAT的基本原理：
表項(xiàng)編號(hào)　　值(16位)　　　備注　
000　　　|　FF0　　|　<- 000 項(xiàng) 001項(xiàng)為表頭，1字節(jié) 0xF0表示存儲(chǔ)介質(zhì)
001　　　|　FFF　　|　<- 2、3字節(jié)為 0xFFFF ，固定值，F(xiàn)AT標(biāo)志
002　　　|　003　　|　<- 文件下一簇為003
003　　　|　005　　|　<- 下一簇：005
004　　　|　FF7　　|　<- 壞簇，不可用
005　　　|　011　　|　<- 下一簇：011
........................................
011　　　|　FF8　　|　<- 該文件結(jié)束
012　　　|　000　　|　<- 可用簇
.......................................
根據(jù)上表，我們可以知道，一個(gè)文件占用了 002,003,005,011 這4個(gè)簇。
  簇號(hào) + 31 = 邏輯扇區(qū)號(hào) //// 31 ＝ 保留扇區(qū)數(shù) + 隱藏扇區(qū)數(shù) + FAT數(shù)×每個(gè)FAT所占扇區(qū)數(shù) + FDT所占扇區(qū)數(shù) - 2 = 1 + 0 + 2*18 + 14 -2
  LBA = 邏輯扇區(qū)號(hào) - 1
  扇區(qū) = (LBA MOD 每道扇區(qū)數(shù)) + 1
  磁道 = (LBA / 每道扇區(qū)數(shù)) / 磁頭數(shù)
  磁頭 = (LBA / 每道扇區(qū)數(shù)) MOD 磁頭數(shù)

根據(jù)上面的公式，得到以下計(jì)算值：
002: S = ( 32 MOD 18 ) + 1 = 15
002: C = ( 32 / 18 ) / 2 = 0
002: H = ( 32 / 18 ) MOD 2 = 1
-----------------
011: S = ( ( 11+31-1) MOD 18) + 1 = 6
011: C = ( ( 11+31-1) / 18) / 2 = 1
011: H = ( ( 11+31-1) / 18) MOD 2 = 0

　　就此，我們已經(jīng)可心根據(jù)簇號(hào)得到物理CHS了，那怎樣才能得到一個(gè)文件的關(guān)系首簇號(hào)呢？前面我們提到了FDT。下面說說FDT的結(jié)構(gòu)：
　　每個(gè)FDT項(xiàng)占32字節(jié)，分配如下：
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
0 - 7 ：　8字節(jié)，文件名
8 - 10：  3字節(jié)，文件擴(kuò)展名
11　：1字節(jié)，文件的屬性
12 - 15：4字節(jié)，保留
16 - 21：6字節(jié)，保留
22 - 23：2字節(jié)，文件最后修改時(shí)間（時(shí)分秒，5:6:5）
24 - 25：2字節(jié)，文件最后修改日期（年月日，7:4:5，年取0-119對(duì)應(yīng) 1980 - 2099）
26 - 27：2字節(jié)，文件首簇號(hào)，我們可以根據(jù)這個(gè)值在FAT中找到文件的存儲(chǔ)位置
28 - 31：4字節(jié)，文件的長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
0 - 7 文件名含義：0 - 目錄項(xiàng)為空，可用；E5 - 此文件已經(jīng)被刪除
7 - 10 ：文件名和擴(kuò)展名為8.3格式，如果不夠，必需用空格填充，即文件名如果只有6個(gè)字節(jié)，那剩下的2個(gè)字節(jié)必須以空格填充。文件名和擴(kuò)展名都是大寫。
11屬性字節(jié)含義：00 - 普通文件；01 - 只讀；02 - 隱藏；04 - 系統(tǒng)文件；10(1x) - 該文件是目錄。

　　就此，本文已經(jīng)基本介紹完了軟盤的結(jié)構(gòu)，下面介紹如何讀一個(gè)文件：

1. 給出一個(gè)文件名，比如“KERNEL.SYS”
2. 將文件名擴(kuò)展為“KERNEL  SYS”，即去掉點(diǎn)并為文件名和擴(kuò)展名補(bǔ)充空格
3. 讀FDT到內(nèi)存中（用BIOS INT 13）
4. 在FDT中查找到符合的文件名
5. 可選，判斷在FDT中找到的是否是目錄
6. 在符合的FDT中取出文件首簇號(hào)
7. 讀入FAT，可以選擇讀入兩個(gè)FAT表，以檢查是否有效
8. 將簇號(hào)轉(zhuǎn)換為CHS，將扇區(qū)讀入內(nèi)存
9. 根據(jù)簇號(hào)在FAT中查找下一簇，并判斷是否是文件最后一簇
10. 如果是文件最后一簇，則文件讀取完畢；如果不是，則轉(zhuǎn)第8步

X.
2005-08-26

表頭的三個(gè)字節(jié)的值是 0xFFFFF0，即第1個(gè)字節(jié)是0xF0,第二個(gè)字節(jié)是0xFF,第三個(gè)字節(jié)也是 0xFF。按照小拉丁寫法，高位在前（左），低位在后（右），所以寫成 FF0我認(rèn)為并沒有錯(cuò)。