基于FAT32文件系統(tǒng)的SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)研究

李文華,徐國(guó)洪,胡華文

(仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，湖北 仙桃 433000)

基于FAT32文件系統(tǒng)的SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)研究

李文華,徐國(guó)洪,胡華文

(仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，湖北 仙桃 433000)

SD卡是嵌入系統(tǒng)中首選的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，為使嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)在SD卡上的數(shù)據(jù)可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理，詳細(xì)討論了基于FAT32文件系統(tǒng)的SD卡中主引導(dǎo)記錄區(qū)、引導(dǎo)扇區(qū)、文件分配表區(qū)、文件目錄表區(qū)和文件數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并給出了各區(qū)域的訪問(wèn)方法。

SD卡；FAT32；文件系統(tǒng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

SD卡是一種外部存儲(chǔ)器，具有體積小、容量大、功耗低、非易失等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，作海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之用。運(yùn)用SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，一般是采取基于文件系統(tǒng)的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便保存在SD卡中的數(shù)據(jù)可被計(jì)算機(jī)直接訪問(wèn)和處理，高容量的SD卡一般選用FAT32文件系統(tǒng)。下面，筆者詳細(xì)地討論基于FAT32文件系統(tǒng)的SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

1 SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

圖1 SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

用FAT32格式對(duì)SD卡格式化后，SD卡被劃分為主引導(dǎo)記錄區(qū)、隱藏扇區(qū)、引導(dǎo)扇區(qū)、保留扇區(qū)、文件分配表(FAT)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)6部分，這6部分的起始位置固定。其中，數(shù)據(jù)區(qū)又分為文件目錄表(FDT)區(qū)和文件的數(shù)據(jù)區(qū)2部分，這2部分分散地分布在數(shù)據(jù)區(qū)中，它們的起始位置隨著文件的建立而隨機(jī)分配?；贔AT32文件系統(tǒng)的SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，主引導(dǎo)記錄區(qū)、隱藏扇區(qū)、引導(dǎo)扇區(qū)、保留扇區(qū)這4個(gè)區(qū)域是以扇區(qū)為單位進(jìn)行分配的，文件分配表區(qū)、文件目錄表區(qū)、文件的數(shù)據(jù)區(qū)這3個(gè)區(qū)域是以簇為單位進(jìn)行分配的，1簇由若干個(gè)扇區(qū)組成，其扇區(qū)數(shù)由引導(dǎo)扇區(qū)中偏移地址0DH單元的內(nèi)容給定。

基于FAT32文件系統(tǒng)的SD卡中，文件的數(shù)據(jù)區(qū)用來(lái)存放文件的內(nèi)容,文件的內(nèi)容是以簇為單位按鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存放的；文件目錄表(FDT)用來(lái)存放文件的文件名、文件大小、文件內(nèi)容存放的起始位置(起始簇的簇號(hào))等信息；文件分配表(FAT)用來(lái)存放文件所分配簇的簇號(hào)。SD卡中，引導(dǎo)扇區(qū)中記錄了FAT的起始位置、FAT的大小和個(gè)數(shù)、SD卡中的簇的大小、數(shù)據(jù)區(qū)的起始位置等FAT32文件系統(tǒng)的訪問(wèn)信息；主引導(dǎo)記錄區(qū)中保存著引導(dǎo)扇區(qū)的起始位置和SD卡的容量大小。

2 SD卡中FAT32文件系統(tǒng)的訪問(wèn)參數(shù)

FAT32文件系統(tǒng)的訪問(wèn)參數(shù)保存在主引導(dǎo)記錄區(qū)和引導(dǎo)扇區(qū)中，這2個(gè)區(qū)域的大小都是1扇區(qū)(512字節(jié))。其中主引導(dǎo)記錄區(qū)是SD卡的0扇區(qū)，其物理扇區(qū)地址為0扇區(qū)，共有11個(gè)字節(jié)與文件系統(tǒng)的訪問(wèn)相關(guān)，其作用如表1所示。引導(dǎo)扇區(qū)也叫邏輯0扇區(qū)，其扇區(qū)地址存放在物理0扇區(qū)的1C6H～1C9H單元中。引導(dǎo)扇區(qū)中，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)的配置信息如表2所示。

表1 主引導(dǎo)記錄區(qū)中與訪問(wèn)文件系統(tǒng)相關(guān)的信息

表2 引導(dǎo)扇區(qū)中FAT32文件系統(tǒng)的配置信息

3 文件分配表的結(jié)構(gòu)

文件分配表(FAT)的功能是保存每個(gè)文件所分配簇的簇號(hào)，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)的簇號(hào)為32位的二進(jìn)制數(shù)，需用4個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元保存。每個(gè)簇號(hào)對(duì)應(yīng)文件分配表上的一個(gè)點(diǎn)，第i簇(i=0、1、2、…)在文件分配表上的偏移地址為4i、4i+1、4i+2、4i+3，這4個(gè)字節(jié)單元存儲(chǔ)的是文件的下一簇的簇號(hào)(這4個(gè)單元的內(nèi)容叫簇項(xiàng)值)。其中，文件最后一個(gè)簇號(hào)的簇項(xiàng)值是文件結(jié)束標(biāo)記0FFFFFFFH，文件分配表的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示。SD卡的第0簇、第1簇為保留簇(文件分配表占用了這2個(gè)簇)，從第2簇開(kāi)始的簇為可用簇。第0簇的簇項(xiàng)值固定為0FFFFFF8H，第1簇的簇項(xiàng)值固定為0FFFFFFFH。

圖2 文件分配表的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

一個(gè)文件的所有簇的簇號(hào)按其先后順序排列就構(gòu)成了該文件的簇號(hào)鏈。設(shè)某個(gè)文件的內(nèi)容依次存放在第i簇、第j簇、第k簇、…、第m簇中(第i簇為文件的起始簇，第m簇為文件的最后一簇，文件的簇號(hào)鏈為i→j→k→……→m)，文件的簇號(hào)鏈存儲(chǔ)方法是：起始簇號(hào)i保存在文件目錄表(FDT)中，其他簇號(hào)保存在文件分配表中。在文件分配表中，第i簇的地址單元(4i～4i+3)中保存文件的第2簇的簇號(hào)j，j簇的地址單元(4j～4j+3)中保存文件的第3簇的簇號(hào)k，…，第m簇的地址單元(4m～4m+3)中保存文件的結(jié)束標(biāo)志0FFFFFFFH，如圖3所示。

圖3 文件的簇號(hào)鏈

4 文件目錄表的結(jié)構(gòu)

文件目錄表位于數(shù)據(jù)區(qū)中，分為根目錄表和子目錄表2類，它們的結(jié)構(gòu)相同，都是由若干個(gè)目錄登記項(xiàng)組成，每個(gè)目錄登記項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)文件或者目錄，用來(lái)保存文件或者目錄的名字以信文件內(nèi)容或者子目錄表存放的起始位置等信息。FAT32文件系統(tǒng)的目錄登記項(xiàng)分為短文件名目錄登記項(xiàng)和長(zhǎng)文件名目錄登記項(xiàng)2種，文件目錄表的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 文件目錄表的結(jié)構(gòu)

短文件名目錄登記項(xiàng)由32字節(jié)組成，這32字節(jié)的定義如圖4右邊部分所示。

長(zhǎng)文件名目錄登記項(xiàng)由1個(gè)短文件名目錄登記項(xiàng)和若干個(gè)目錄碎片登記項(xiàng)組成。其中，短文件名目錄登記項(xiàng)存放文件名開(kāi)始幾個(gè)字符的ASCII碼(若文件名為漢字，則是存放漢字的內(nèi)碼，下同。)、文件的擴(kuò)展名、屬性、創(chuàng)建時(shí)間和日期、起始簇、文件大小等信息。目錄碎片登記項(xiàng)用來(lái)存放長(zhǎng)文件名(含文件的主文件名、園點(diǎn)、文件擴(kuò)展名，下同)字符的Unicode編碼以及目錄碎片的順序號(hào)，每個(gè)目錄碎片登記項(xiàng)32個(gè)字節(jié)，存放13個(gè)Unicode編碼。目錄碎片登記項(xiàng)的定義如圖4左邊部分所示。

目錄碎片登記項(xiàng)的個(gè)數(shù)與長(zhǎng)文件名的字符數(shù)相關(guān)。設(shè)長(zhǎng)文件名的字符數(shù)為m(每個(gè)漢字計(jì)1個(gè)字符，若無(wú)擴(kuò)展名，則不計(jì)園點(diǎn))，則目錄碎片登記項(xiàng)的個(gè)數(shù)為：

n個(gè)目錄碎片登記項(xiàng)按照第n-1、n-2、…、1、0個(gè)目錄碎片登記項(xiàng)的順序依次連續(xù)地存放長(zhǎng)文件名字符的Unicode編碼。第n-1個(gè)目錄碎片登記項(xiàng)存放的是最開(kāi)始的13字符的Unicode編碼，第0個(gè)目錄碎片登記項(xiàng)中存放的是最后m%13個(gè)字符的Unicode編碼。第0個(gè)目錄碎片登記項(xiàng)的00H(碎片順序號(hào))單元的內(nèi)容為40H+n。第i個(gè)(i≠0)目錄碎片登記項(xiàng)的00H單元的內(nèi)容為目錄碎片登記項(xiàng)的編號(hào)i。

圖5 目錄樹(shù)型結(jié)構(gòu)

FAT32文件系統(tǒng)的目錄呈樹(shù)型結(jié)構(gòu)，如圖5所示。目錄表中，子目錄登記項(xiàng)的簇項(xiàng)域的內(nèi)容為子目錄表的簇號(hào)。在子目錄表中，第1個(gè)目錄登記項(xiàng)為當(dāng)前目錄登記項(xiàng)，其名字域的內(nèi)容為字符“·”，簇號(hào)域的內(nèi)容是當(dāng)前目錄的簇號(hào)；第2個(gè)目錄登記項(xiàng)為當(dāng)前目錄的父目錄登記項(xiàng)，其名字域的內(nèi)容為字符“…”，簇號(hào)域的內(nèi)容是父目錄的簇號(hào)。子目錄登記項(xiàng)、父目錄登記項(xiàng)用于目錄的檢索和回溯。

5 SD卡中各區(qū)域的扇區(qū)地址的獲取方法

根據(jù)圖1所示的SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖和表1、表2中的參數(shù)，可以計(jì)算出SD卡中各區(qū)域的扇區(qū)地址。主引導(dǎo)記錄區(qū)的扇區(qū)地址固定為0000H，讀主引導(dǎo)記錄區(qū)中偏移地址1C6H～1C9H單元的內(nèi)容就可以獲得引導(dǎo)扇區(qū)的地址BootSector。讀引導(dǎo)扇區(qū)的內(nèi)容，就可以獲得表2中各參數(shù)，并計(jì)算出文件分配表1的扇區(qū)地址、根目錄的扇區(qū)地址、數(shù)據(jù)區(qū)任意簇的扇區(qū)地址。

文件分配表1的扇區(qū)地址SectorOfFAT1的計(jì)算方法如下：

SectorOfFAT1=BootSector+ReservedSectors

根目錄的扇區(qū)地址SectorOfRootDir的計(jì)算方法如下：

數(shù)據(jù)區(qū)中第n簇的扇區(qū)地址SectorOfDataClustor的計(jì)算方法如下：

6 結(jié) 語(yǔ)

計(jì)算機(jī)是以文件的形式訪問(wèn)存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)的，掌握基于FAT32文件系統(tǒng)的SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中按文件系統(tǒng)的格式要求在SD卡中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中保存在SD卡上的數(shù)據(jù)可被計(jì)算機(jī)直接訪問(wèn)和處理。

[1]吳萬(wàn)釗，黃占江，宋涵.計(jì)算機(jī)病毒防治大全[M].北京：學(xué)苑出版社，1994.

[2]戴士劍，涂彥輝.數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)[M].第2版.北京： 電子工業(yè)出版社，2007.

[3]劉偉.數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)深度揭秘[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.06.034

TP393

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1673-1409(2012)06-N0102-03