FAT12文件系统之引导扇区结构

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:

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

   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:

标识 偏移量 类型 大小 说明 默认值

0

db

3

跳转指令
BS_OEMName

3

db

8

OEM字符串,必须为8个字符,不足以空格填空 MSWIN4.1
BPB_BytsPerSec

11

dw

2

每扇区字节数 200h
BPB_SecPerClus

13

db

1

每簇占用的扇区数 1
BPB_RsvdSecCnt

14

dw

2

保留扇区数 1
BPB_NumFATs

16

db

1

FAT表的记录数 2
BPB_RootEntCnt

17

dw

2

最大根目录文件数 0e0h
BPB_TotSec16

19

dw

2

逻辑扇区总数 0b40h
BPB_Media

21

db

1

媒体描述符 0f0h
BPB_FATSz16

22

dw

2

每个FAT占用扇区数 9
BPB_SecPerTrk

24

dw

2

每个磁道扇区数 12h
BPB_NumHeads

26

dw

2

磁头数 2
BPB_HiddSec

28

dd

4

隐藏扇区数 0
BPB_TotSec32

32

dd

4

如果BPB_TotSec16是0,则在这里记录扇区总数 0
BS_DrvNum

36

db

1

中断13的驱动器号 0
BS_Reserved1

37

db

1

未使用 0
BS_BootSig

38

db

1

扩展引导标志 29h
BS_VolID

39

dd

4

卷序列号 0
BS_VolLab

43

db

11

卷标,必须是11个字符,不足以空格填充
BS_FileSysType

54

db

8

文件系统类型,必须是8个字符,不足填充空格 FAT12  

62

 

 

引导代码,由偏移0字节处的短跳转而来

510

dw

2

系统引导标识 0aa55h  

   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:jmp start,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:jmp short 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Windows 2000系统格式化的磁盘上在此记录中的字符串是“MSDOS5.0”,在Windows 95系统格式化的磁盘上在此记录中的字符串是“MSWIN4.0”,在Windows 95 OSR2和Windows 98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Windows 2000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。

   偏移32处的是类型为双字(4B)长的逻辑扇区总数,如果此分区或磁盘的逻辑扇区总数大于65536则用这个字段来表示逻辑扇区总数,否则设置此字段为0后用位于偏移19处的双字节字段来表示。

   偏移36处的是物理驱动器号,类型是字节长,它与BIOS物理驱动器相关,在磁盘中断Int13h相关的操作中使用,第一个软盘驱动器设置为0,第一个硬盘驱动器设置为80h,第二个硬盘驱动器设置为81h,以此类推。此字段的值可以在系统引导时用dl寄存器得到。

   位于偏移37处的字节没有使用,保留并设置为0。

   位于偏移38处的是扩展引导标识,类型是字节,操作系统用它来识别引导信息,值可以是28h或29h。

   接下来的是位于偏移39处的卷标号,类型是双字(4B)长,在格式化磁盘时所产生的一个随机序号,有助于区分磁盘,可以为0。

   然后是位于偏移43处的卷标,长度必须是11字节长(不足以空格20h填充),此字段只能使用一次,用来保存磁盘卷的标识符,再次设置的时候被保存到根目录中作为一个特殊的文件来储存。

   最后是位于偏移54处的是长度为8字节的文件系统类型标识符,不足8字节则以空格20h来填充。FAT12格式下此字段为“FAT12   ”,相应的还有“FAT16   ”和“FAT32   ”。但要注意的是,操作系统并不使用这个字段来识别此磁盘所用的文件系统。

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