codefans

　　有不少朋友在论坛或是发邮件给我，问关于FAT12的问题。对一些开发操作系统的朋友来说，软盘或软盘镜像是不可或缺的系统载体，我们的操作系统要在存储介质上操作就几乎不可能离开文件系统，如果想了解一下FAT12、FAT16、FAT32之类的Windows 用过的文件系统，可以去：http://www.yesky.com/20030313/1656880.shtml 
如果想全面地了解硬盘结构，文件系统原理，下面的一系列文章是很不错的材料：
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

　　本文主要介绍以3.5英寸的1.44M标准格式化的FAT12文件系统的软盘为介绍对象。这里强调那么多是因为：1.44M的软盘格式化可以不是1.44M，可以大于也可以小于；格式化的文件系统也可以不是FAT12。

　　为什么会出现正常的1.44M软盘格式化后可大可小的情况呢？从软盘及软盘驱动器原理出发，软盘的寻址方式（可以认为是读取数据的方式）是：CHS，C = Cylinder（柱面）,H = Header（磁头）,S = Sector（扇区）。标准地格式化后，磁盘将被格式化为 每面80磁道（80个同心圆，柱面），每个磁道有18个扇区，每个扇区是 512字节，那么高密3.5英寸软盘的容量为：2×80×18×512 ＝ 1474560 Byte = 1440 KB = 1.44 MB。然而，软盘可以不格式为80磁道，每个磁道也可以不是18扇区，这是题外话，如果您有兴趣，可以用古老的HDCopy试试。

　　文件存储到磁盘上时至少要占用1个扇区，即使这个文件只有1个字节，如果文件有513字节，那就得占用2个扇区，下一个文件就不能用这只使用了一个字节的扇区。即软盘以扇区为单位存储文件。现在用下面的假设来说明本文的目的：
　　假设只有18个扇区的磁盘，以 0 - 17 编址，如果一个文件保存在 1 - 6扇区，另一文件保存在 7 - 16扇区，如果我们对第一个文件增加了内容，又需要一个扇区来保存它，但由于文件连续存储， 7号扇区是第二个文件的，我们当然不能用它，只有最后留有一个扇区可用，我们会不会把第二个文件先挪到8-17扇区以腾出一个扇区来给第一个文件使用呢？当只有少数两个文件的时候可以，但有很多文件的时候会变得麻烦起来。如果我们用一个表来表示有一个文件占用了 1-6扇区 和 17扇区，那事情就简单了——我们不必为文件不连续而烦恼。这个表就叫它：文件分配表(File Allocation Table)。那怎样才能知道这个文件存储的文件名和文件存放的起始扇区？再建一个表，用于存放文件名、起始扇区、文件创建时间、文件实际大小等等资料，这个表叫：文件目录表(File Directory Table)。将这两个表放在磁盘指定的位置，以便操作系统使用，磁盘的其它扇区全都用来存放文件的实际内容，这就构成了有文件系统的磁盘。

　　磁盘上，0面0磁道第1扇区用于存放引导程序，如果这512字节最后两个字节分别是0x55,0xAA（一个字是0xAA55)，称为可引导标志，BIOS会将这512字节读取出来执行，操作系统便是利用这里来实现引导的。标识软盘是不是FAT12并不是没有根据的，在这512字节中，还有一个设备头用于标识这个软盘（设备），例子如下：

;===========================================================================
; 程序执行的第一条指令必须是跳转（如果你想使用FAT12这类文件系统的磁盘）
; 必须占用3字节
;===========================================================================
jmp SHORT main ; 2 bits，跳转到主程序执行
nop            ; 1 bit
;===========================================================================
; FAT12 文件系统头，从NYAOS 借过来的，可以参考相关的文档以获得更多细节
; 这个块会让 Winimage 认出编译后的二进制文件为有效的引导文件
; 如果不使用这个块，Winimage将不会将其作为引导程序处理
; 但我们可以借助其它方法和工具处理，比如DEBUG
;===========================================================================
bsOEM       db "ExOS0.02"               ; OEM String,任意你喜欢的8字节ASCII码
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文件系统
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; Main start here
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main:
#至于如何引导计算机，可以参考我Blog里的more.asp?name=xemean&id=2

　　0面0道第2扇区到第10扇区的9个扇区是FAT表的存放位置，为了预防，0面0道的第11扇区到1面0道第1扇区的9个扇区是第2个FAT表的存放位置，这第2个FAT是备用的，当第一个FAT出了问题里，可以用第2个FAT。1面0道的第2扇区起到1面0道的第15扇区（共14个扇区）用于存放 FDT。FDT没有备份，所以没有第二个FDT。这里要注意的是，磁盘为了读写的速度，0面0道的18个扇区接下来的是 1面0道的扇区，而不是0面1道，因为0面0道跟1面0道同在一个柱面上（同心圆），只是用的磁头不同。

　　FAT12 中，每个文件分配表项只占12位(bit)，即1.5字节(byte)，每个表项代表一个扇区，在这里，磁盘只有扇区的概念，磁盘里所有扇区都被类似于上一段提到的磁盘读写方式线性地编址（LBA），不再有CHS。这里还要提一提簇的概念：DOS会把2个扇区作为一簇，那么文件就要以簇为单位读写。簇的大小通常根据磁盘的大小设定，以尽可能少浪费磁盘空间为本。

　　FAT12每个表项的值指出文件存放的下一个扇区号，同时也是表项入口。比如如果文件的存放的第一个扇区是002，那系统首先找FAT的002，在002处得到一个值003，表示文件下一个扇区是003号，再接着003表项找，得到006...，表项的值含义如下：
000 - 此簇未用；FF8 - FFF 该簇为文件的最后一簇；FF0 - FF7，此簇为坏，不可用；其它值表示文件下一簇的簇号。
　　下面的图来说明FAT的基本原理：
表项编号　　值(16位)　　　备注　
000　　　|　FF0　　|　<- 000 项 001项为表头，1字节 0xF0表示存储介质
001　　　|　FFF　　|　<- 2、3字节为 0xFFFF ，固定值，FAT标志
002　　　|　003　　|　<- 文件下一簇为003
003　　　|　005　　|　<- 下一簇：005
004　　　|　FF7　　|　<- 坏簇，不可用
005　　　|　011　　|　<- 下一簇：011
........................................
011　　　|　FF8　　|　<- 该文件结束
012　　　|　000　　|　<- 可用簇
.......................................
根据上表，我们可以知道，一个文件占用了 002,003,005,011 这4个簇。
  簇号 + 31 = 逻辑扇区号 //// 31 ＝ 保留扇区数 + 隐藏扇区数 + FAT数×每个FAT所占扇区数 + FDT所占扇区数 - 2 = 1 + 0 + 2*18 + 14 -2
  LBA = 逻辑扇区号 - 1
  扇区 = (LBA MOD 每道扇区数) + 1
  磁道 = (LBA / 每道扇区数) / 磁头数
  磁头 = (LBA / 每道扇区数) MOD 磁头数

根据上面的公式，得到以下计算值：
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，我们已经可心根据簇号得到物理CHS了，那怎样才能得到一个文件的关系首簇号呢？前面我们提到了FDT。下面说说FDT的结构：
　　每个FDT项占32字节，分配如下：
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
0 - 7 ：　8字节，文件名
8 - 10：  3字节，文件扩展名
11　：1字节，文件的属性
12 - 15：4字节，保留
16 - 21：6字节，保留
22 - 23：2字节，文件最后修改时间（时分秒，5:6:5）
24 - 25：2字节，文件最后修改日期（年月日，7:4:5，年取0-119对应 1980 - 2099）
26 - 27：2字节，文件首簇号，我们可以根据这个值在FAT中找到文件的存储位置
28 - 31：4字节，文件的长度，以字节为单位
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
0 - 7 文件名含义：0 - 目录项为空，可用；E5 - 此文件已经被删除
7 - 10 ：文件名和扩展名为8.3格式，如果不够，必需用空格填充，即文件名如果只有6个字节，那剩下的2个字节必须以空格填充。文件名和扩展名都是大写。
11属性字节含义：00 - 普通文件；01 - 只读；02 - 隐藏；04 - 系统文件；10(1x) - 该文件是目录。

　　就此，本文已经基本介绍完了软盘的结构，下面介绍如何读一个文件：

1. 给出一个文件名，比如“KERNEL.SYS”
2. 将文件名扩展为“KERNEL  SYS”，即去掉点并为文件名和扩展名补充空格
3. 读FDT到内存中（用BIOS INT 13）
4. 在FDT中查找到符合的文件名
5. 可选，判断在FDT中找到的是否是目录
6. 在符合的FDT中取出文件首簇号
7. 读入FAT，可以选择读入两个FAT表，以检查是否有效
8. 将簇号转换为CHS，将扇区读入内存
9. 根据簇号在FAT中查找下一簇，并判断是否是文件最后一簇
10. 如果是文件最后一簇，则文件读取完毕；如果不是，则转第8步

X.
2005-08-26

表头的三个字节的值是 0xFFFFF0，即第1个字节是0xF0,第二个字节是0xFF,第三个字节也是 0xFF。按照小拉丁写法，高位在前（左），低位在后（右），所以写成 FF0我认为并没有错。