图解 FAT 文件系统基础知识

作者 | 鱼鹰Osprey

转自 | 鱼鹰谈单片机

FAT 文件系统是什么，当你格式化 U 盘之后 U 盘发生了什么，为什么删除的文件还可以再恢复？买的 U 盘明明写着 16 G，实际却只有15 G，这里隐藏了什么事实？
FAT 文件系统随着发展，经历了多个版本，从 FAT12 到 FAT16 再到 FAT32，exFAT，每一个版本的迭代都是容量的巨大提升……

文件系统整体结构

我们看看当你的 U 盘（16 G，作者亲自试验并图解）格式化为 FAT32 格式后，U盘发生了什么：这里将 U盘分成了三个分区，类似你将电脑的硬盘分成C盘、D盘、E盘，这里的新加卷、分区2、分区3 就是目前 U盘上建立的三个分区，但事实上，我们一般不会将 U 盘分成三个分区，一个就够用了，只是作者想告诉你，这在 U 盘也可以做到。

MBR

在 FAT 文件系统中， 0 扇区必定是 MBR，这个扇区包含了磁盘（U 盘）很多信息，比如整个 U 盘的大小（容量），即扇区总数，各个分区的起始扇区、分区大小，引导代码等。
前面 446 个字节和主引导代码有关，因为在单片机系统中一般不会使用这种引导方式引导操作系统，所以按下不表。我们主要关注后面的分区信息和一些标志：分区表项具体含义可看该图：这里有一个标志，即扇区最后的两个字节，一般是 55 AA（0xAA55），如果说你的扇区里面没有这个标志，那么系统就不认为这是一个 FAT 文件系统，更不用说进行接下来的其他验证操作了。我们从上图可以看到，一个 MBR 可以记录四个分区信息，但是你会发现你的 U盘可以分成超过四个分区，那么这又是怎么回事？原因在于，可以使用逻辑分区。即可设置三个主分区，另一个分区设置为逻辑分区，这个逻辑分区里面可以分成很多很多分区，这就是它为什么能创建超过四个分区的原因。当然，我们目前也没必要深入了解逻辑分区是怎么一回事，先把基本分区搞定再说。

MBR

说完 MBR，我们再说一个和 MBR 很像的一个扇区，DBR。从上图我们可以看到，每一个分区的第一个扇区必定是 DBR，这是做什么用的？我们知道 MBR 记录的分区信息十分有限，只有分区的开始扇区、分区的大小、分区类型、引导标志（表示该分区是否可被引导，通俗的话说，就是这个分区是否存在操作系统）等有限信息，我们不知道这个分区叫什么名字，文件系统的版本号是多少等。所以我们需要一个扇区保存这些信息。这就是 DBR的作用。如果说MBR保存的是整个磁盘的基本信息，那么 DBR 保存的就是当前分区的基本信息。我们可以看到 DBR 的扇区结尾也是一样的结束标志，所以它们是比较相似的，在有些资料中，如果不区分它们的话，很容易让人迷惑。

隐藏扇区

细看这张图，你会发现其中存在隐藏扇区。隐藏扇区指的是扇区0到DBR扇区之间的空间。换句话说，从整个磁盘开始到分区部分的扇区称之为隐藏扇区（每一个分区都有自己的隐藏扇区），因为这些扇区对于分区而言是不可见的，也不可以被分区内的文件系统所管理。这部分扇区数保存在 DBR 中。当然，除了这部分扇区不被当前分区管理外，其他分区也不可以被当前分区管理，也可说其他分区也对当前分区隐藏了，但不被 DBR 所记录。从这个角度说，每一个分区都是一个独立的文件系统，比如一个 U 盘可以同时创建一个 FAT32 文件系统分区，同时还可以创建一个 FAT16 文件系统分区，他们之间并不会相互影响。同时，格式化某个分区不会影响其他分区的正常使用，比如 C盘格式化或重装系统并不会影响D盘的数据，这就是为什么说要分区的原因了，否则一个硬盘只分一个区，想重装系统的话，很多数据都会丢失，包括桌面文件。这就是为什么最好把数据放在除 C 盘外的区域了，当然为了方便，你也可以使用快捷方式，将文件指向其他盘，而将快捷方式放桌面。

保留扇区

在每个分区之内，我们可以看到有部分扇区被文件系统认为是保留扇区，而这些所谓的保留扇区才是实现FAT文件系统的关键。（这里为了图解清晰，并没有按照比例图解，实际上，数据区比保留区空间大的多）这里有 DBR、FSINFO、FAT，还有为了安全考虑，存有他们的备份信息（如果文件系统损坏，可以尝试使用备份恢复他们）。但我们还可以从上面知道，除了这些，还有一部分是真正的保留扇区，即上面的空白部分，这些保留扇区大小不是固定的，但确实占用了空间，而你却无法使用它们。文章开头，有个疑问，为什么明明买的是 16 G U盘，格式化后，系统却提示我们只有 15 G，这少了 1 G 空间去哪了？最大头，我相信大家都知道了，就是 1024 和 1000 进制的区别了，商家说的 16 G 是按照1000 为单位的，而系统按照 1024 计算，当然不一致了。还有就是一般 MBR 之后会有一些保留分区存在（如果磁盘空间有限，可以不需要）。另外就是文件系统本身占用的空间了（即上面的保留扇区），如果有多个分区，那么显示的只有当前分区的大小，其他分区大小是无法查看的。而如果是单个分区，那么显示的大小只是数据区大小而已，保留区并不在显示空间内，你也不能直接通过文件的方式操作它。还有就是数据区的空间使用簇来进行管理的，不满一簇大小的扇区空间，将直接丢弃不被文件系统所使用，这也会损失一点空间。而有些分区为了效率，会将分区进行对齐处理，未对齐部分也不能使用。种种原因，导致显示的空间比实际要小，不过对于大容量的存储介质来说，这点损失根本不算什么，而且在后面你会发现，为了高效管理空间，还有其他损失。
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