Системные структуры данных FAT32

Как и в прежних системах в файловой системе FAT32 дисковое пространство логического раздела делится на две области – системную и область данных. Системная область создается и инициализируется при форматировании, а впоследствии обновляется при манипулировании файловой структурой. Системная область файловой системы FAT32 состоит из следующих компонентов:

· загрузочная запись (boot record, BR);

· резервная область, включающая дополнительную системную структуру FSInfo;

· две копии таблиц размещения файлов FAT 1 и FAT 2.

Корневой каталог в системной области FAT32 отсутствует и может быть расположен в любом месте области данных раздела и иметь произвольный размер.

Общее число зарезервированных секторов теперь перед первой FAT равно 32.

Область данных логического диска содержит файлы и каталоги, подчиненные корневому каталогу, и разделена на участки одинакового размера – кластеры. Кластер может состоять из одного или нескольких последовательно расположенных на диске секторов. Число секторов в кластере должно быть кратно 2ⁿ и может принимать значения от 1 до 64. Размер кластера зависит от объема логического диска.

 

Рис. 1

В первом секторе логического диска с системой FAT32 располагается загрузочный сектор (Boot Record – BR) и блок параметров BIOS (BPB). Блок параметров BIOS в FАТ32 занимает больше места, чем стандартный, и называется Big FAT BIOS Parameter Block (BF_BPB). Из-за этого загрузочный сектор теперь занимает не один, а три физических сектора, причем имеется еще дополнительный и размещается через три физических сектора в седьмом, восьмом и девятом физическом секторе.

BF_BPB - это расширенная версия ВРВ, которая использовалась в 12- и 16-разрядной FAT. Он содержит те же структуры, что и стандартный BPB, но включает несколько дополнительных полей, которые используются только в FAT32. Начальный участок данного блока (табл. 1) для всех типов FAT идентичен за исключением полей со смещением 0x11 и 0x16, в которых для FAT 32 указываются нулевые значения.

Таблица 1

Смещение	Размер, байт	Описание
0x00		Безусловный переход (jmp) на загрузочный код
0x03		Идентификатор фирмы-изготовителя
0x0B		Число байт в секторе (512)
0x0D		Число секторов в кластере
0x0E		Число резервных секторов в резервной области раздела, начиная с первого сектора раздела
0x10		Число таблиц (копий) FAT
0x11		Для FAT12/FAT16 - количество 32-байтных дескрипторов файлов в корневом каталоге; для FAT32 это поле имеет значение 0
0x13		Общее число секторов в разделе; если данное поле содержит 0, то число секторов задается полем по смещению 0x20
0x15		Тип носителя. Для жесткого диска имеет значение 0xF8; для гибкого диска (2 стороны, 18 секторов на дорожке) – 0xF0
0x16		Для FAT12/FAT16 это поле содержит количество секторов, занимаемых одной копией FAT; для FAT32 это поле имеет значение 0
0x18		Число секторов на дорожке (для прерывания 0x13)
0x1A		Число рабочих поверхностей (для прерывания 0x13)
0x1C		Число скрытых секторов перед разделом
0x20		Общее число секторов в разделе. Поле используется, если в разделе свыше 65535 секторов, в противном случае поле содержит 0.

Существенные различия в структуре загрузочных секторов для разных типов FAT начинаются со смещения 0x24. Для FAT32 структура этой части BPB (BF_BPB) имеет вид, представленный в табл. 2.

Таблица 2

Смещение	Размер, байт	Описание
0x24		Количество секторов, занимаемых одной копией FAT
0x28		Номер активной FAT
0x2A		Номер версии FAT32: старший байт - номер версии, младший – номер ревизии. В настоящее время используется значение 0:0
0x2С		Номер кластера для первого кластера корневого каталога
0x30		Номер сектора структуры FSInfo в резервной области логического диска
0x32		Номер сектора (в резервной области логического диска), используемого для хранения резервной копии загрузочного сектора
0x34		Зарезервировано (содержит 0)

 

Кроме перечисленных полей, загрузочный сектор логического диска должен содержать в байте со смещением 0x1FE код 0x55, а в следующем байте (смещение 0x1FF) – код 0xAA. Указанные два байта являются признаком загрузочного диска.

Загрузочный сектор выполняет две важные функции: описывает структуру данных на поверхности дискового носителя, а также позволяет осуществить загрузку операционной системы.

На логическом диске с организацией FAT32 дополнительно присутствует структура данных FSInfo, которая размещается в первом секторе резервной области. Эта структура содержит информацию о количестве свободных кластеров на диске и о номере первого свободного кластера в таблице FAT. Формат структуры FSInfo представлен в табл 3.

Таблица 3

Смещение	Размер, байт	Описание
0x000		Значение 0x41615252 – сигнатура, которая служит признаком того, данный сектор содержит структуру FSInfo
0x004		Зарезервировано (содержит 0)
0x1E4		Значение 0x61417272 (сигнатура)
0x1E8		Содержит текущее число свободных кластеров на диске. Если в поле записано значение 0xFFFFFFFF, то число свободных кластеров неизвестно, и его необходимо вычислять
0x1EC		Содержит номер кластера, с которого дисковый драйвер должен начинать поиск свободных кластеров. Если в поле записано значение 0xFFFFFFFF, то поиск свободных кластеров нужно начинать с кластера номер 2
0x1F0		Зарезервировано (содержит 0)
0x1FC		Сигнатура 0xAA550000 – признак конца структуры FSInfo

 

Еще одно важное новшество в FАТ32 состоит в следующем. В прежних версиях файловой системы FAT повреждение загрузочного сектора приводило к полной потере всего содержимого диска. В FAT32 при подготовке раздела с помощью системных программ (например, программой FDISK) создается резервная копия загрузочного сектора, которая помещается в логический сектор 6 данного раздела. Если новая MBR при обращении к загрузочному сектору обнаруживает ошибку чтения или неправильную сигнатуру, она ищет сектор 6 и считывает остальную часть загрузочного кода уже из него.

Предназначение FAT32 не изменилось. Она по-прежнему используется как таблица, связывающая отдельные кластеры файла. Элементы таблицы FAT теперь в 2 раза длиннее (4 байта). Старшие 4 бита каждого 32-битного значения зарезервированы и не участвуют в формировании номера кластера, поэтому максимальное число кластеров в 32-разрядной FAT равно 268 435 445.

Если кластер свободен, то соответствующий элемент FAT содержит код 0. Элементы каталожного дескриптора, указывающие на первый кластер файла, теперь состоят из четырех байтов, а содержимое этих байтов является номером (адресом) следующего кластера и элемента таблицы FAT, который содержит номер следующего кластера файла, а также является номером элемента таблицы FAT и т. д. до последнего кластера файла. Элемент FAT, соответствующий последнему кластеру в цепочке, содержит сигнатуру конца файла 0xFFFFFFF8. Если элемент FAT содержит код 0x0FFFFFF7, то кластер помечается как поврежденный и не должен выделяться системой.

Начальный кластер, указанный в 32-х байтном дескрипторе каталога, сообщает операционной системе, где на диске искать первую часть файла и где в таблице FAT32 искать следующий номер кластера. В показанном ниже дескрипторе каталога адрес начального кластера выделен полужирным шрифтом.

49 4F 20 20 20 20 20 20 - 44 4F 53 07 00 00 00 00	IO SYS.....
00 00 00 00 00 00 80 32 - ЗЕ 1В 02 00 46 9F 00 00	......

Для указания номера кластера используются два дополнительных байта. Они размещаются в зарезервированном поле дескриптора (в примере, показанном выше, это поле содержит код 00 00). Объединяя их с обычными (существующими в FAT16) двумя байтами (02 00), операционная система получает нужное значение (00 00 00 02) и ищет по нему соответствующий элемент таблицы FAT. Ниже показан пример записи с номерами кластеров файла в 32-разрядной таблице FAT:

F8 FF FF 0F FF FF FF 0F - 03 00 00 0004 00 00 00

05 00 00 0006 00 00 00 - 07 00 00 00 08 00 00 00

09 00 00 00 0А 00 00 00 - 0В 00 00 00 0С 00 00 00

0D 00 00 00 0Е 00 00 00 - 0F 00 00 00 10 00 00 00

11 00 00 00 12 00 00 00 - 13 00 00 00 14 00 00 00

15 00 00 00 16 00 00 00 - 17 00 00 00 18 00 00 00

19 00 00 00 1А 00 00 00 - 1В 00 00 00 FF FF FF F8

Как и раньше в FAT 16, F8 - это байт, содержащий дескриптор носителя. Следующие семь байтов, FF FF 0F FF FF FF 0F, зарезервированы. Номера кластеров записываются как четырехбайтовые числа, в которых младшие байты указаны первыми. Их следует читать так:

Код в таблице	03 00 00 00	04 00 00 00	05 00 00 00	06 00 00 00
Читаемое значение

Конец цепочки кластеров для файла помечается маркером FFFFFFF8.

Корневой каталог в FAT32 может содержать до 65 535 элементов. В загрузочном секторе появился новый элемент, который указывает на первый кластер корневого каталога. Поэтому корневой каталог больше не привязан к строго определенному участка на диске ( раньше он должен был находиться непосредственно за второй таблицей FAT) и может расширяться точно так же, как и любой подкаталог.

В файловых системах FAT32 и VFAT (виртуальная FAT, расширение FAT16) включена поддержка длинных имен файлов (long file name, LFN). Для хранения длинного имени используются дескрипторы каталога, смежные с основным дескриптором. Имя файла записывается не ASCII-символами, а в системе кодирования Unicode. В одном дескрипторе каталога можно сохранить фрагмент длиной до 13 символов Unicode. Неиспользованный участок последнего дескриптора заполняется кодами 0xFFFF. Структура дескриптора каталога для длинного имени файла представлена в табл. 4.

Длинное имя записывается в каталог первым, причем дескрипторы длинного имени размещаются в обратном порядке, начиная с последнего. С целью поддержки совместимости для каждого длинного имени файла вслед за длинным (полным) именем размещается короткое имя файла, содержащий укороченный по специальному алгоритму вариант этого имени. Он называется псевдонимом имени.

Таблица 4

Смещение	Размер (байт)	Описание
0x00		Номер фрагмента
0x01		Символы 1-5 имени файла в Unicode
0x0B		Атрибуты файла
0x0C		Байт флагов
0x0D		Контрольная сумма короткого имени
0x0E		Символы 6-11 имени файла в Unicode
0x1A		Номер первого кластера (заполняется нулями)
0x1C		Символы 12-13 имени файла в Unicode

 

Псевдоним удовлетворяет формату "8.3”, составляется из первых шести символов имени файла, дополняемых знаками ~n (где n - порядковый номер), и первых трех символов за последней точкой. В псевдониме используются только допустимые символы, а все буквы должны быть заглавными, чтобы соответствовать правилам формата "8.3".

В качестве примера ниже приводится структура дескрипторов каталога для файла с именем "The quick brown fox". Система создала представление этого имени в формате "8.3", THEQUI~1.FOX (в элементе каталога нет "точки", поскольку предполагается, что точка следует после восьмого символа), и использовала два дополнительных 32-х байтных дескриптора для хранения длинного Unicode-имени. Каждая строка на рисунке состоит из 16 байт.

Второй (и последний) элемент для длинного имени:

0х42

w

n

.

f

o

0x01

0x00

Контр. сумма

x

 

0x0000

0xFFFF

0xFFFF

0xFFFF

0xFFFF

0x0000

0xFFFF

0xFFFF

Первый элемент для длинного имени:

0x01

T

h

e

q

0x0F

0x00

Контр. сумма

u

 

i

c

k

b

0x0000

r

o

Элемент для короткого имени:

T

H

E

Q

U

I

~

F

O

X

0x20

NT

Время создания

 

Дата создания

Время последнего доступа

0x0000

Время последней модификации

Дата последней модификации

Первый кластер

Размер файла