1、详解FAT12文件系统

2、实验

1、向虚拟软盘写入文件

2、读取软盘文件系统信息

3、在根目录中查找目标文件

4、读取目标文件到内存

3、小结

1、FAT12文件系统

文件系统

- 存储介质上组织文件数据的方法（数据组织的方式）

文件系统示例

- FAT12是DOS时代的早期文件系统

- FAT12结构非常简单，一直沿用于软盘

- FAT12的基本组织单位

字节（Byte）：基本数据单位

扇区（Sector）：磁盘中的最小数据单元

簇（Cluster）：一个或多个扇区

深入FAT12文件系统

FAT12文件系统由引导区，FAT表，根目录项表和文件数据区组成。

FAT12的主引导区

主引导区存储的比较重要的信息是文件系统的类型，文件系统逻辑扇区总数，

每簇包含的扇区数等。主引导区最后以0x55AA两个字节作为结束，共占用一个扇区。

二进制分析：（data.img由后文生成）

根目录区的大小和位置

可以看到根目录区起始于第19扇区

根目录区由目录项构成，每一个目录项代表根目录中的一个文件索引。

//创建 RootEntry 结构体类型
struct RootEntry
{char DIR_Name[11];uchar DIR_Attr;uchar reserve[10];ushort DIR_WrtTime;ushort DIR_WrtDate;ushort DIR_FstClus;uint DIR_FileSize;
};

FAT表 - FAT12的数据组织核心

- FAT1和FAT2是相互备份的关系，数据内容完全一致

- FAT表是一个关系图，记录了文件数据的先后关系

- 每一个FAT表项占用12比特

- FAT表的前2个表项规定不使用

FAT表中的先后关系

- 以簇（扇区）为单位存储文件数据(这里一簇等于一扇区大小)

- 每个表项（vec[i]）表示文件数据的实际位置（簇）

（1）DIR_FstClus表示文件第0簇（扇区）的位置

（2）vec[DIR_FstClus]表示文件第1簇（扇区）的位置

（3）vec[vec[DIR_FstClus]]表示文件第2簇（扇区）的位置...

FAT12数据物理组织示意

FAT12数据逻辑组织示意

2、实验

模拟Boot 查找目标文件（Loader），并读取文件的内容！- 突破Boot512字节限制的解决方案

解决方案（★）

- 使用FAT12对软盘（data.img）进行格式化

- 编写可执行程序（Loader），并将其拷贝到软盘中

- 主引导程序（Boot）在文件系统中查找Loader

- 将Loader复制到内存中，并跳转到入口处执行

1、向虚拟软盘写入文件

实验：往虚拟软盘中写入文件

- 原材料：FreeDos，Bochs，bximage

- 步骤：

① 创建虚拟软盘data.img

② 在FreeDos中进行格式化（FAT12）

③ 将data.img挂载到Linux中，并写入文件

1、先创建一个虚拟软盘 data.img

2、修改bochsrc 配置文件，freedos.img 作为启动软盘（A盘），将软盘data.img作为B盘插入

###############################################################
# Configuration file for Bochs
################################################################ how much memory the emulated machine will have
megs: 32# filename of ROM images
romimage: file=/usr/local/share/bochs/BIOS-bochs-latest
vgaromimage: file=/usr/share/vgabios/vgabios.bin# what disk images will be used
floppya: 1_44=freedos.img, status=inserted
floppyb: 1_44=data.img, status=inserted# choose the boot disk.
boot: floppy# where do we send log messages?
# log: bochsout.txt# disable the mouse
mouse: enabled=0# enable key mapping, using US layout as default.
keyboard_mapping: enabled=1, map=/usr/local/share/bochs/keymaps/x11-pc-us.map

启动bochs

3、将data.img挂载到Linux中，并写入loader文件

成功向FAT12格式的软盘写入文件

2、读取软盘文件系统信息

实验：读取data.img中的文件系统信息

步骤：

创建Fat12Header结构体类型

使用文件流读取前512字节的内容

解析并打印相关的信息

#include <QtCore/QCoreApplication>
#include <QFile>
#include <QDataStream>
#include <QDebug>#pragma pack(push)
#pragma pack(1)struct Fat12Header
{char BS_OEMName[8];    // OEM字符串，必须为8个字符，不足以空格填空ushort BPB_BytsPerSec; // 每扇区字节数uchar BPB_SecPerClus;  // 每簇占用的扇区数ushort BPB_RsvdSecCnt; // Boot占用的扇区数uchar BPB_NumFATs;     // FAT表的记录数ushort BPB_RootEntCnt; // 最大根目录文件数ushort BPB_TotSec16;   // 每个FAT占用扇区数uchar BPB_Media;       // 媒体描述符ushort BPB_FATSz16;    // 每个FAT占用扇区数ushort BPB_SecPerTrk;  // 每个磁道扇区数ushort BPB_NumHeads;   // 磁头数uint BPB_HiddSec;      // 隐藏扇区数uint BPB_TotSec32;     // 如果BPB_TotSec16是0，则在这里记录uchar BS_DrvNum;       // 中断13的驱动器号uchar BS_Reserved1;    // 未使用uchar BS_BootSig;      // 扩展引导标志uint BS_VolID;         // 卷序列号char BS_VolLab[11];    // 卷标，必须是11个字符，不足以空格填充char BS_FileSysType[8];// 文件系统类型，必须是8个字符，不足填充空格
};#pragma pack(pop)void PrintHeader(Fat12Header& rf, QString p)
{QFile file(p);if( file.open(QIODevice::ReadOnly) ){QDataStream in(&file);file.seek(3);in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&rf), sizeof(rf));rf.BS_OEMName[7] = 0;rf.BS_VolLab[10] = 0;rf.BS_FileSysType[7] = 0;qDebug() << "BS_OEMName: " << rf.BS_OEMName;qDebug() << "BPB_BytsPerSec: " << hex << rf.BPB_BytsPerSec;qDebug() << "BPB_SecPerClus: " << hex << rf.BPB_SecPerClus;qDebug() << "BPB_RsvdSecCnt: " << hex << rf.BPB_RsvdSecCnt;qDebug() << "BPB_NumFATs: " << hex << rf.BPB_NumFATs;qDebug() << "BPB_RootEntCnt: " << hex << rf.BPB_RootEntCnt;qDebug() << "BPB_TotSec16: " << hex << rf.BPB_TotSec16;qDebug() << "BPB_Media: " << hex << rf.BPB_Media;qDebug() << "BPB_FATSz16: " << hex << rf.BPB_FATSz16;qDebug() << "BPB_SecPerTrk: " << hex << rf.BPB_SecPerTrk;qDebug() << "BPB_NumHeads: " << hex << rf.BPB_NumHeads;qDebug() << "BPB_HiddSec: " << hex << rf.BPB_HiddSec;qDebug() << "BPB_TotSec32: " << hex << rf.BPB_TotSec32;qDebug() << "BS_DrvNum: " << hex << rf.BS_DrvNum;qDebug() << "BS_Reserved1: " << hex << rf.BS_Reserved1;qDebug() << "BS_BootSig: " << hex << rf.BS_BootSig;qDebug() << "BS_VolID: " << hex << rf.BS_VolID;qDebug() << "BS_VolLab: " << rf.BS_VolLab;qDebug() << "BS_FileSysType: " << rf.BS_FileSysType;file.seek(510);uchar b510 = 0;uchar b511 = 0;in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&b510), sizeof(b510));in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&b511), sizeof(b511));qDebug() << "Byte 510: " << hex << b510;qDebug() << "Byte 511: " << hex << b511;}file.close();
}int main(int argc, char *argv[])
{QCoreApplication a(argc, argv);Fat12Header f12;PrintHeader(f12, "E:\\data.img");return a.exec();
}

200H = 512

实验结论

1.FreeDos中的format程序在格式化软盘的时候自动在第0扇区生成了一个主引导程序，这个主引导程序只打印一个字符串

2.文件格式和文件系统都是用于定义数据如何存放的规则，只要遵循这个规则就能够成功读写目标数据（参考PE文件结构）

3、在根目录中查找目标文件

如何在FAT12根目录中查找是否存在目标文件？

实验：读取FAT12文件系统的根目录信息

#include <QtCore/QCoreApplication>
#include <QFile>
#include <QDataStream>
#include <QDebug>
#include <QVector>
#include <QByteArray>
#include <stdio.h>#pragma pack(push)
#pragma pack(1)struct Fat12Header
{char BS_OEMName[8];ushort BPB_BytsPerSec;uchar BPB_SecPerClus;ushort BPB_RsvdSecCnt;uchar BPB_NumFATs;ushort BPB_RootEntCnt;ushort BPB_TotSec16;uchar BPB_Media;ushort BPB_FATSz16;ushort BPB_SecPerTrk;ushort BPB_NumHeads;uint BPB_HiddSec;uint BPB_TotSec32;uchar BS_DrvNum;uchar BS_Reserved1;uchar BS_BootSig;uint BS_VolID;char BS_VolLab[11];char BS_FileSysType[8];
};struct RootEntry
{char DIR_Name[11];uchar DIR_Attr;uchar reserve[10];ushort DIR_WrtTime;ushort DIR_WrtDate;ushort DIR_FstClus;uint DIR_FileSize;
};#pragma pack(pop)void PrintHeader(Fat12Header& rf, QString p)
{QFile file(p);if( file.open(QIODevice::ReadOnly) ){QDataStream in(&file);file.seek(3);in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&rf), sizeof(rf));rf.BS_OEMName[7] = 0;rf.BS_VolLab[10] = 0;rf.BS_FileSysType[7] = 0;qDebug() << "BS_OEMName: " << rf.BS_OEMName;qDebug() << "BPB_BytsPerSec: " << hex << rf.BPB_BytsPerSec;qDebug() << "BPB_SecPerClus: " << hex << rf.BPB_SecPerClus;qDebug() << "BPB_RsvdSecCnt: " << hex << rf.BPB_RsvdSecCnt;qDebug() << "BPB_NumFATs: " << hex << rf.BPB_NumFATs;qDebug() << "BPB_RootEntCnt: " << hex << rf.BPB_RootEntCnt;qDebug() << "BPB_TotSec16: " << hex << rf.BPB_TotSec16;qDebug() << "BPB_Media: " << hex << rf.BPB_Media;qDebug() << "BPB_FATSz16: " << hex << rf.BPB_FATSz16;qDebug() << "BPB_SecPerTrk: " << hex << rf.BPB_SecPerTrk;qDebug() << "BPB_NumHeads: " << hex << rf.BPB_NumHeads;qDebug() << "BPB_HiddSec: " << hex << rf.BPB_HiddSec;qDebug() << "BPB_TotSec32: " << hex << rf.BPB_TotSec32;qDebug() << "BS_DrvNum: " << hex << rf.BS_DrvNum;qDebug() << "BS_Reserved1: " << hex << rf.BS_Reserved1;qDebug() << "BS_BootSig: " << hex << rf.BS_BootSig;qDebug() << "BS_VolID: " << hex << rf.BS_VolID;qDebug() << "BS_VolLab: " << rf.BS_VolLab;qDebug() << "BS_FileSysType: " << rf.BS_FileSysType;file.seek(510);uchar b510 = 0;uchar b511 = 0;in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&b510), sizeof(b510));in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&b511), sizeof(b511));qDebug() << "Byte 510: " << hex << b510;qDebug() << "Byte 511: " << hex << b511;}file.close();
}// 返回第i个目录项
RootEntry FindRootEntry(Fat12Header& rf, QString p, int i)
{RootEntry ret = {{0}};QFile file(p);// BPB_RootEntCnt：目录项个数if( file.open(QIODevice::ReadOnly) && (0 <= i) && (i < rf.BPB_RootEntCnt) ){QDataStream in(&file);// 定位到第i个目录项file.seek(19 * rf.BPB_BytsPerSec + i * sizeof(RootEntry));in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&ret), sizeof(ret));}file.close();return ret;
}// 根据文件名查找目录项
RootEntry FindRootEntry(Fat12Header& rf, QString p, QString fn)
{RootEntry ret = {{0}};for(int i=0; i<rf.BPB_RootEntCnt; i++){RootEntry re = FindRootEntry(rf, p, i);if( re.DIR_Name[0] != '\0' ){int d = fn.lastIndexOf(".");QString name = QString(re.DIR_Name).trimmed();if( d >= 0 ){QString n = fn.mid(0, d);QString p = fn.mid(d + 1);if( name.startsWith(n) && name.endsWith(p) ){ret = re;break;}}else{if( fn == name ){ret = re;break;}}}}return ret;
}void PrintRootEntry(Fat12Header& rf, QString p)
{for(int i=0; i<rf.BPB_RootEntCnt; i++){RootEntry re = FindRootEntry(rf, p, i);if( re.DIR_Name[0] != '\0' ){qDebug() << i << ":";qDebug() << "DIR_Name: " << hex << re.DIR_Name;qDebug() << "DIR_Attr: " << hex << re.DIR_Attr;qDebug() << "DIR_WrtDate: " << hex << re.DIR_WrtDate;qDebug() << "DIR_WrtTime: " << hex << re.DIR_WrtTime;qDebug() << "DIR_FstClus: " << hex << re.DIR_FstClus;qDebug() << "DIR_FileSize: " << hex << re.DIR_FileSize;}}
}int main(int argc, char *argv[])
{QCoreApplication a(argc, argv);QString img = "E:\\data.img";Fat12Header f12;qDebug() << "Read Header:";PrintHeader(f12, img);qDebug() << endl;qDebug() << "Print Root Entry:";PrintRootEntry(f12, img);qDebug() << endl;RootEntry r = FindRootEntry(f12, img, "LOADER.TXT");qDebug() << "DIR_Name: " << hex << r.DIR_Name;qDebug() << "DIR_Attr: " << hex << r.DIR_Attr;qDebug() << "DIR_WrtDate: " << hex << r.DIR_WrtDate;qDebug() << "DIR_WrtTime: " << hex << r.DIR_WrtTime;qDebug() << "DIR_FstClus: " << hex << r.DIR_FstClus;qDebug() << "DIR_FileSize: " << hex << r.DIR_FileSize;return a.exec();
}

对于多出来的目录项不必理会

文件以簇为单位存储，Fat12文件系统1簇等于1扇区，那么一个文件大于512字节如何存储？

4、读取目标文件到内存

实验：加载FAT12中的文件数据

- 步骤：

（1）在根目录区查找目标文件对应的项

（2）获取目标文件的起始簇号和文件大小

（3）根据FAT表中记录的逻辑先后关系读取数据

小贴士

- FAT表中的每个表项只占用12比特（1.5字节）

- FAT表一共记录了BPB_BytsPerSec * 9 * 2 / 3个表项 (9个扇区 * 512 /1.5)

- 可以使用一个short表示一个表项的值

- 如果表项值大于等于0xFF8，则说明已经到达最后一个簇

- 如果表项值等于0xFF7，则说明当前簇已经损坏

- 数据区起始簇（扇区）号为33，地址为0x4200（33 * 512）

- 数据区起始地址所对应的编号为2（不为0）（有了起始地址，这里可以用偏移地址）

- 因此，DIR_FstClus对应的地址为：0×4200+（DIR_FstClus-2）*512

编程实验

读取指定文件内容

#include <QtCore/QCoreApplication>
#include <QFile>
#include <QDataStream>
#include <QDebug>
#include <QVector>
#include <QByteArray>#pragma pack(push)
#pragma pack(1)struct Fat12Header
{char BS_OEMName[8];ushort BPB_BytsPerSec;uchar BPB_SecPerClus;ushort BPB_RsvdSecCnt;uchar BPB_NumFATs;ushort BPB_RootEntCnt;ushort BPB_TotSec16;uchar BPB_Media;ushort BPB_FATSz16;ushort BPB_SecPerTrk;ushort BPB_NumHeads;uint BPB_HiddSec;uint BPB_TotSec32;uchar BS_DrvNum;uchar BS_Reserved1;uchar BS_BootSig;uint BS_VolID;char BS_VolLab[11];char BS_FileSysType[8];
};struct RootEntry
{char DIR_Name[11];uchar DIR_Attr;uchar reserve[10];ushort DIR_WrtTime;ushort DIR_WrtDate;ushort DIR_FstClus;uint DIR_FileSize;
};#pragma pack(pop)void PrintHeader(Fat12Header& rf, QString p)
{QFile file(p);if( file.open(QIODevice::ReadOnly) ){QDataStream in(&file);file.seek(3);in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&rf), sizeof(rf));rf.BS_OEMName[7] = 0;rf.BS_VolLab[10] = 0;rf.BS_FileSysType[7] = 0;qDebug() << "BS_OEMName: " << rf.BS_OEMName;qDebug() << "BPB_BytsPerSec: " << hex << rf.BPB_BytsPerSec;qDebug() << "BPB_SecPerClus: " << hex << rf.BPB_SecPerClus;qDebug() << "BPB_RsvdSecCnt: " << hex << rf.BPB_RsvdSecCnt;qDebug() << "BPB_NumFATs: " << hex << rf.BPB_NumFATs;qDebug() << "BPB_RootEntCnt: " << hex << rf.BPB_RootEntCnt;qDebug() << "BPB_TotSec16: " << hex << rf.BPB_TotSec16;qDebug() << "BPB_Media: " << hex << rf.BPB_Media;qDebug() << "BPB_FATSz16: " << hex << rf.BPB_FATSz16;qDebug() << "BPB_SecPerTrk: " << hex << rf.BPB_SecPerTrk;qDebug() << "BPB_NumHeads: " << hex << rf.BPB_NumHeads;qDebug() << "BPB_HiddSec: " << hex << rf.BPB_HiddSec;qDebug() << "BPB_TotSec32: " << hex << rf.BPB_TotSec32;qDebug() << "BS_DrvNum: " << hex << rf.BS_DrvNum;qDebug() << "BS_Reserved1: " << hex << rf.BS_Reserved1;qDebug() << "BS_BootSig: " << hex << rf.BS_BootSig;qDebug() << "BS_VolID: " << hex << rf.BS_VolID;qDebug() << "BS_VolLab: " << rf.BS_VolLab;qDebug() << "BS_FileSysType: " << rf.BS_FileSysType;file.seek(510);uchar b510 = 0;uchar b511 = 0;in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&b510), sizeof(b510));in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&b511), sizeof(b511));qDebug() << "Byte 510: " << hex << b510;qDebug() << "Byte 511: " << hex << b511;}file.close();
}RootEntry FindRootEntry(Fat12Header& rf, QString p, int i)
{RootEntry ret = {{0}};QFile file(p);if( file.open(QIODevice::ReadOnly) && (0 <= i) && (i < rf.BPB_RootEntCnt) ){QDataStream in(&file);file.seek(19 * rf.BPB_BytsPerSec + i * sizeof(RootEntry));in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(&ret), sizeof(ret));}file.close();return ret;
}// 根据文件名找到对应目录项
RootEntry FindRootEntry(Fat12Header& rf, QString p, QString fn)
{RootEntry ret = {{0}};for(int i=0; i<rf.BPB_RootEntCnt; i++){RootEntry re = FindRootEntry(rf, p, i);if( re.DIR_Name[0] != '\0' ){int d = fn.lastIndexOf(".");QString name = QString(re.DIR_Name).trimmed();if( d >= 0 ){QString n = fn.mid(0, d);QString p = fn.mid(d + 1);if( name.startsWith(n) && name.endsWith(p) ){ret = re;break;}}else{if( fn == name ){ret = re;break;}}}}return ret;
}// 打印存在的目录项各属性
void PrintRootEntry(Fat12Header& rf, QString p)
{for(int i=0; i<rf.BPB_RootEntCnt; i++){RootEntry re = FindRootEntry(rf, p, i);if( re.DIR_Name[0] != '\0' ){qDebug() << i << ":";qDebug() << "DIR_Name: " << hex << re.DIR_Name;qDebug() << "DIR_Attr: " << hex << re.DIR_Attr;qDebug() << "DIR_WrtDate: " << hex << re.DIR_WrtDate;qDebug() << "DIR_WrtTime: " << hex << re.DIR_WrtTime;qDebug() << "DIR_FstClus: " << hex << re.DIR_FstClus;qDebug() << "DIR_FileSize: " << hex << re.DIR_FileSize;}}
}// 返回FAT表所有表项
QVector<ushort> ReadFat(Fat12Header& rf, QString p)
{QFile file(p);// FAT表大小int size = rf.BPB_BytsPerSec * 9;uchar* fat = new uchar[size];QVector<ushort> ret(size * 2 / 3, 0xFFFF); // FAT表项个数和默认值if( file.open(QIODevice::ReadOnly) ){QDataStream in(&file);// 定位到FAT表的起始位置（主引导区后面的扇区）file.seek(rf.BPB_BytsPerSec * 1);in.readRawData(reinterpret_cast<char*>(fat), size);for(int i=0, j=0; i<size; i+=3, j+=2){ret[j] = static_cast<ushort>((fat[i+1] & 0x0F) << 8) | fat[i];ret[j+1] = static_cast<ushort>(fat[i+2] << 4) | ((fat[i+1] >> 4) & 0x0F);}}file.close();delete[] fat;return ret;
}// 读取指定文件名的内容
QByteArray ReadFileContent(Fat12Header& rf, QString p, QString fn)
{QByteArray ret;RootEntry re = FindRootEntry(rf, p, fn);if( re.DIR_Name[0] != '\0' ){QVector<ushort> vec = ReadFat(rf, p);QFile file(p);if( file.open(QIODevice::ReadOnly) ){char buf[512] = {0};QDataStream in(&file);int count = 0;ret.resize(re.DIR_FileSize);for(int i=0, j=re.DIR_FstClus; j<0xFF7; i+=512, j=vec[j]){file.seek(rf.BPB_BytsPerSec * (33 + j - 2));in.readRawData(buf, sizeof(buf));for(uint k=0; k<sizeof(buf); k++){if( count < ret.size() ){ret[i+k] = buf[k];count++;}}}}file.close();}return ret;
}int main(int argc, char *argv[])
{QCoreApplication a(argc, argv);QString img = "E:\\data.img";Fat12Header f12;qDebug() << "Read Header:";PrintHeader(f12, img);qDebug() << endl;qDebug() << "Print Root Entry:";PrintRootEntry(f12, img);qDebug() << endl;qDebug() << "Print File Content:";QString content = QString(ReadFileContent(f12, img, "LOADER.TXT"));qDebug() << content;return a.exec();
}

3、小结

加载新程序需要依赖于文件系统

FAT12是一种早期用于软盘的简单文件系统

FAT12文件系统的重要信息存储于0扇区

FAT12根目录区记录了文件的起始簇号和长度

通过查找根目录区能够确定是否存在目标文件

FAT12文件数据的组织使用了单链表的思想

- 文件数据离散的分布于存储介质中

- 文件数据通过FAT项进行关联

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