codefans

　　有不少朋友在論壇或是發郵件給我，問關于FAT12的問題。對一些開發操作系統的朋友來說，軟盤或軟盤鏡像是不可或缺的系統載體，我們的操作系統要在存儲介質上操作就幾乎不可能離開文件系統，如果想了解一下FAT12、FAT16、FAT32之類的Windows 用過的文件系統，可以去：http://www.yesky.com/20030313/1656880.shtml 
如果想全面地了解硬盤結構，文件系統原理，下面的一系列文章是很不錯的材料：
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標準格式化的FAT12文件系統的軟盤為介紹對象。這里強調那么多是因為：1.44M的軟盤格式化可以不是1.44M，可以大于也可以小于；格式化的文件系統也可以不是FAT12。

　　為什么會出現正常的1.44M軟盤格式化后可大可小的情況呢？從軟盤及軟盤驅動器原理出發，軟盤的尋址方式（可以認為是讀取數據的方式）是：CHS，C = Cylinder（柱面）,H = Header（磁頭）,S = Sector（扇區）。標準地格式化后，磁盤將被格式化為 每面80磁道（80個同心圓，柱面），每個磁道有18個扇區，每個扇區是 512字節，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，每個磁道也可以不是18扇區，這是題外話，如果您有興趣，可以用古老的HDCopy試試。

　　文件存儲到磁盤上時至少要占用1個扇區，即使這個文件只有1個字節，如果文件有513字節，那就得占用2個扇區，下一個文件就不能用這只使用了一個字節的扇區。即軟盤以扇區為單位存儲文件。現在用下面的假設來說明本文的目的：
　　假設只有18個扇區的磁盤，以 0 - 17 編址，如果一個文件保存在 1 - 6扇區，另一文件保存在 7 - 16扇區，如果我們對第一個文件增加了內容，又需要一個扇區來保存它，但由于文件連續存儲， 7號扇區是第二個文件的，我們當然不能用它，只有最后留有一個扇區可用，我們會不會把第二個文件先挪到8-17扇區以騰出一個扇區來給第一個文件使用呢？當只有少數兩個文件的時候可以，但有很多文件的時候會變得麻煩起來。如果我們用一個表來表示有一個文件占用了 1-6扇區 和 17扇區，那事情就簡單了——我們不必為文件不連續而煩惱。這個表就叫它：文件分配表(File Allocation Table)。那怎樣才能知道這個文件存儲的文件名和文件存放的起始扇區？再建一個表，用于存放文件名、起始扇區、文件創建時間、文件實際大小等等資料，這個表叫：文件目錄表(File Directory Table)。將這兩個表放在磁盤指定的位置，以便操作系統使用，磁盤的其它扇區全都用來存放文件的實際內容，這就構成了有文件系統的磁盤。

　　磁盤上，0面0磁道第1扇區用于存放引導程序，如果這512字節最后兩個字節分別是0x55,0xAA（一個字是0xAA55)，稱為可引導標志，BIOS會將這512字節讀取出來執行，操作系統便是利用這里來實現引導的。標識軟盤是不是FAT12并不是沒有根據的，在這512字節中，還有一個設備頭用于標識這個軟盤（設備），例子如下：

;===========================================================================
; 程序執行的第一條指令必須是跳轉（如果你想使用FAT12這類文件系統的磁盤）
; 必須占用3字節
;===========================================================================
jmp SHORT main ; 2 bits，跳轉到主程序執行
nop            ; 1 bit
;===========================================================================
; FAT12 文件系統頭，從NYAOS 借過來的，可以參考相關的文檔以獲得更多細節
; 這個塊會讓 Winimage 認出編譯后的二進制文件為有效的引導文件
; 如果不使用這個塊，Winimage將不會將其作為引導程序處理
; 但我們可以借助其它方法和工具處理，比如DEBUG
;===========================================================================
bsOEM       db "ExOS0.02"               ; OEM String,任意你喜歡的8字節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
;===========================================================================
; Main start here
;===========================================================================
main:
#至于如何引導計算機，可以參考我Blog里的more.asp?name=xemean&id=2

　　0面0道第2扇區到第10扇區的9個扇區是FAT表的存放位置，為了預防，0面0道的第11扇區到1面0道第1扇區的9個扇區是第2個FAT表的存放位置，這第2個FAT是備用的，當第一個FAT出了問題里，可以用第2個FAT。1面0道的第2扇區起到1面0道的第15扇區（共14個扇區）用于存放 FDT。FDT沒有備份，所以沒有第二個FDT。這里要注意的是，磁盤為了讀寫的速度，0面0道的18個扇區接下來的是 1面0道的扇區，而不是0面1道，因為0面0道跟1面0道同在一個柱面上（同心圓），只是用的磁頭不同。

　　FAT12 中，每個文件分配表項只占12位(bit)，即1.5字節(byte)，每個表項代表一個扇區，在這里，磁盤只有扇區的概念，磁盤里所有扇區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會把2個扇區作為一簇，那么文件就要以簇為單位讀寫。簇的大小通常根據磁盤的大小設定，以盡可能少浪費磁盤空間為本。

　　FAT12每個表項的值指出文件存放的下一個扇區號，同時也是表項入口。比如如果文件的存放的第一個扇區是002，那系統首先找FAT的002，在002處得到一個值003，表示文件下一個扇區是003號，再接著003表項找，得到006...，表項的值含義如下：
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。
　　下面的圖來說明FAT的基本原理：
表項編號　　值(16位)　　　備注　
000　　　|　FF0　　|　<- 000 項 001項為表頭，1字節 0xF0表示存儲介質
001　　　|　FFF　　|　<- 2、3字節為 0xFFFF ，固定值，FAT標志
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　　|　<- 該文件結束
012　　　|　000　　|　<- 可用簇
.......................................
根據上表，我們可以知道，一個文件占用了 002,003,005,011 這4個簇。
  簇號 + 31 = 邏輯扇區號 //// 31 ＝ 保留扇區數 + 隱藏扇區數 + FAT數×每個FAT所占扇區數 + FDT所占扇區數 - 2 = 1 + 0 + 2*18 + 14 -2
  LBA = 邏輯扇區號 - 1
  扇區 = (LBA MOD 每道扇區數) + 1
  磁道 = (LBA / 每道扇區數) / 磁頭數
  磁頭 = (LBA / 每道扇區數) MOD 磁頭數

根據上面的公式，得到以下計算值：
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，我們已經可心根據簇號得到物理CHS了，那怎樣才能得到一個文件的關系首簇號呢？前面我們提到了FDT。下面說說FDT的結構：
　　每個FDT項占32字節，分配如下：
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
0 - 7 ：　8字節，文件名
8 - 10：  3字節，文件擴展名
11　：1字節，文件的屬性
12 - 15：4字節，保留
16 - 21：6字節，保留
22 - 23：2字節，文件最后修改時間（時分秒，5:6:5）
24 - 25：2字節，文件最后修改日期（年月日，7:4:5，年取0-119對應 1980 - 2099）
26 - 27：2字節，文件首簇號，我們可以根據這個值在FAT中找到文件的存儲位置
28 - 31：4字節，文件的長度，以字節為單位
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
0 - 7 文件名含義：0 - 目錄項為空，可用；E5 - 此文件已經被刪除
7 - 10 ：文件名和擴展名為8.3格式，如果不夠，必需用空格填充，即文件名如果只有6個字節，那剩下的2個字節必須以空格填充。文件名和擴展名都是大寫。
11屬性字節含義：00 - 普通文件；01 - 只讀；02 - 隱藏；04 - 系統文件；10(1x) - 該文件是目錄。

　　就此，本文已經基本介紹完了軟盤的結構，下面介紹如何讀一個文件：

1. 給出一個文件名，比如“KERNEL.SYS”
2. 將文件名擴展為“KERNEL  SYS”，即去掉點并為文件名和擴展名補充空格
3. 讀FDT到內存中（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
7. 讀入FAT，可以選擇讀入兩個FAT表，以檢查是否有效
8. 將簇號轉換為CHS，將扇區讀入內存
9. 根據簇號在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，則轉第8步

X.
2005-08-26

表頭的三個字節的值是 0xFFFFF0，即第1個字節是0xF0,第二個字節是0xFF,第三個字節也是 0xFF。按照小拉丁寫法，高位在前（左），低位在后（右），所以寫成 FF0我認為并沒有錯。