2. Файловая система fat

Файловая система FAT (File Allocation Table) была разработана Биллом Гейтсом и Марком Макдональдом в 1977 году и первоначально использовалась в операционной системе 86-DOS. Чтобы добиться переносимости программ из операционной системы CP/M в 86-DOS, в ней были сохранены ранее принятые ограничения на имена файлов. В дальнейшем 86-DOS была приобретена Microsoft и стала основой для ОС MS-DOS 1.0, выпущенной в августе 1981 года. FAT была предназначена для работы с гибкими дисками размером менее 1 Мб и вначале не предусматривала поддержки жёстких дисков. Структура раздела FAT изображена на рисунке.

Рисунок 1. Структура раздела с файловой системой FAT

В файловой системе FAT дисковое пространство любого логического диска делится на две области: системную область и область данных. Системная область логического диска создается и инициализируется при форматировании, а в последующем обновляется при работе с файловой структурой. Область данных логического диска содержит обычные файлы и файлы-каталоги; эти объекты образуют иерархию, подчиненную корневому каталогу. Элемент каталога описывает файловый объект, который может быть либо обычным файлом, либо файлом-каталогом. Область данных, в отличие от системной области, доступна через пользовательский интерфейс операционной системы. Системная область состоит из следующих компонентов (расположенных в логическом адресном пространстве друг за другом):

• загрузочной записи (Boot Record, BR);

• зарезервированных секторов (Reserved Sectors, ResSec);

• таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT);

• корневого каталога (Root Directory, RDir). [3, с.166]

1. Загрузочная запись

Первая структура тома FAT называется BPB (англ. BIOS parameter block) и расположена в зарезервированной области, в нулевом секторе. Эта структура содержит информацию, идентифицирующую тип файловой системы и физические характеристики носителя (дискеты или раздела на жёстком диске).

BIOS Parameter Block

BPB в принципе отсутствовал в FAT, обслуживавшей MS-DOS 1.x, так как в то время предполагалось лишь два различных типа тома — одно- и двусторонние пятидюймовые дискеты на 360 кб, причём формат тома определялся по первому байту области FAT. BPB был введен в MS-DOS 2.x в начале 1983 года как обязательная структура загрузочного сектора, по которой впредь следовало определять формат тома; старая схема определения по первому байту FAT лишилась поддержки. Также в MS-DOS 2.0 была введена иерархия файлов и папок (до этого все файлы хранились в корневом каталоге).

Структура BPB в MS-DOS 2.x содержала 16-битное поле «общего количества секторов», что означало принципиальную неприменимость этой версии FAT для томов объёмом более 2¹⁶ = 65 536 секторов, то есть более 32 Мб при стандартном размере сектора 512 байт. В MS-DOS 4.0 (1988) вышеназванное поле BPB было расширено до 32 бит, что означало увеличение теоретического размера тома до 2³² = 4 294 967 296 секторов, то есть до 2 ТБ при 512-байтном секторе.

Следующая модификация BPB появилась вместе с Windows 95 OSR2, в которой была введена FAT32 (в августе 1996 года). Было снято ограничение в 2 Тб на размер тома, том FAT32 теоретически может иметь размер до 8 Тб. Впрочем, размер каждого отдельного файла при этом не может превышать 4 Гб. BIOS Parameter Block FAT32 в целях совместимости с ранними версиями FAT повторяет BPB FAT16 вплоть до поля BPB_TotSec32 включительно, далее следуют различия.

«Загрузочный сектор» FAT32 в действительности представляет собой три 512-байтных сектора — сектора 0, 1 и 2. Каждый из них содержит сигнатуру 0xAA55 по адресу 0x1FE, то есть в последних двух байтах, в случае если размер сектора равен 512 байт. Если же размер сектора более, чем 512 байт, то сигнатура содержится как по адресу 0x1FE, так и в последних двух байтах нулевого сектора, то есть дублируется.[4]

FSInfo

Загрузочная запись раздела FAT32 содержит структуру под названием FSInfo, используемую для хранения значения числа свободных кластеров тома. FSInfo, как правило, занимает сектор 1 и имеет следующую структуру (адреса относительно начала сектора):

• FSI_LeadSig. 4-байтовая подпись 0x41615252, свидетельствует, что сектор используется для структуры FSInfo.

• FSI_Reserved1. Промежуток с 4-го по 483-й байт сектора включительно, обнуляется.

• FSI_StrucSig. Ещё одна подпись, расположена по адресу 0x1E4 и содержит значение 0x61417272.

• FSI_Free_Count. Четырёхбайтовое поле по адресу 0x1E8, содержит последнее известное системе значение числа свободных кластеров тома. Значение 0xFFFFFFFF означает, что число свободных кластеров неизвестно и должно вычисляться.

• FSI_Nxt_Free. Четырёхбайтовое поле по адресу 0x1EC, содержит номер кластера, от которого должен начинаться поиск свободных кластеров по таблице индексных указателей. Обычно это поле содержит номер последнего кластера FAT, отведенного для хранения файла. Значение 0xFFFFFFFF означает, что поиск свободного кластера должен проводиться с самого начала таблицы FAT, то есть со второго кластера.

• FSI_Reserved2. Зарезервированное 12-байтное поле по адресу 0x1F0.

• FSI_TrailSig. Подпись 0xAA550000 — последние 4 байта сектора FSInfo.

Смысл введения FSInfo в оптимизации работы системы, так как в FAT32 таблица индексных указателей может иметь значительные размеры и её побайтовый просмотр может занять значительное время. Однако значения полей FSI_Free_Count и FSI_Nxt_Free могут не соответствовать действительности и должны проверяться на адекватность. Кроме того, они даже не обновляются в резервной копии FSInfo, расположенной, как правило, в секторе 7.

Определение типа FAT тома

Определение типа FAT тома (то есть выбор между FAT12, FAT16 и FAT32) производится ОС по количеству кластеров в томе, которое в свою очередь определяется из полей BPB. Прежде всего вычисляется количество секторов корневого каталога:

RootDirSectors = (BPB_RootEntCnt * 32) / BPB_BytsPerSec

Далее определяется, какие из полей BPB_FATSz16/32 и BPB_TotSec16/32 не равны нулю, и они используются при определении количества секторов области данных тома:

DataSec = TotSec — (BPB_ResvdSecCnt + (BPB_NumFATs * FATSz) + RootDirSectors)

Наконец, определяется количество кластеров области данных:

CountofClusters = DataSec / BPB_SecPerClus

По количеству кластеров проводится однозначное соответствие с файловой системой:

CountofClusters < 4085 — FAT12

CountofClusters = 4085 ÷ 65524 — FAT16

CountofClusters > 65524 — FAT32

Согласно официальной спецификации, это единственный допустимый способ определения типа FAT. Искусственное создание тома, нарушающего указанные правила соответствия, приведет к его некорректной обработке Windows. Тем не менее, рекомендуется избегать значений CountofClusters, близких к критическим (4085 и 65525), для верного определения типа файловой системы любыми, часто некорректно написанными драйверами.

На дискете при форматировании всегда создается FAT12. Что касается жестких-дисков и флеш-накопителей, то при размере накопителя до 512 Мб (при 512-байтном секторе) по умолчанию создается FAT16, свыше 512 Мб — FAT32. Размер кластера определяется при форматировании исходя из файловой системы и размера тома.

2. Таблица размещения файлов

Своё название FAT получила от одноимённой таблицы размещения файлов – File Allocation Table, FAT, занимающая отдельную логическую область. Она определяет список (цепочку) кластеров, в которых размещаются файлы и папки тома. Между кластерами и индексными указателями таблицы имеется взаимно однозначное соответствие — N-й указатель соответствует кластеру с тем же номером. Первому кластеру области данных присваивается номер 2. Значение индексного указателя соответствует состоянию соответствующего кластера. Возможны следующие состояния:

• кластер свободен — указатель обнулен;

• кластер занят файлом и не является последним кластером файла — значение указателя — это номер следующего кластера файла;

• кластер является последним кластером файла — указатель содержит метку EOC (End Of Clusterchain), значение которой зависит от версии FAT: для FAT12 меткой EOC считается любое значение, большее или равное 0x0FF8 (по умолчанию 0x0FFF); для FAT16 — большее или равное 0xFFF8 (по умолчанию 0xFFFF); для FAT32 — любое значение, большее или равное 0x0FFFFFF8 (по умолчанию 0x0FFFFFFF);

• кластер поврежден — указатель содержит специальную метку, значение которой для FAT12 0x0FF7, для FAT16 0xFFF7 и для FAT32 0x0FFFFFF7. Поврежденный кластер не может использоваться файловой системой для хранения данных; соответствующие указатели не затрагиваются при форматировании тома, когда все остальные указатели обнуляются;

• кластер зарезервирован «для будущей стандартизации» — указатель содержит значение, превышающее CountofClusters, но меньшее метки поврежденного кластера (то есть до 0xFFF6 включительно для FAT16). В этом случае кластер, не соответствуя никаким реальным данным, считается занятым и пропускается при поиске свободного, но никакой другой информации о нём не предоставляется.

Рисунок 2. Пример распределения кластеров для файлов

autoexec.bat и config.sys

Из рисунка 2 видно, что для файла autoexec.bat отведено три кластера, а для файла config.sys - два кластера. В каталоге кроме всего прочего указаны номера первых кластеров, распределенных этим файлам (соответственно 11 и 12). В своей одиннадцатой ячейке таблица FAT содержит число 17 - номер второго кластера, распределенного файлу autoexec.bat. Ячейка с номером 17 содержит число 18. Это номер третьего кластера, принадлежащего файлу autoexec.bat. Последняя ячейка, которая соответствует последнему кластеру, распределенному этому файлу, содержит специальное значение - FFFF. Таким образом, файл autoexec.bat занимает три несмежных кластера с номерами 11, 17 и 18, а файл config.sys – два смежных кластера с номерами 12 и 13.

Кластеры 0 и 1 отражаются FAT особо. Индексный указатель, соответствующий нулевому кластеру (самый первый указатель таблицы FAT), содержит значение BPB_Media в нижних 8 битах; остальные биты устанавливаются в 1. Например, если BPB_Media = 0xF8 (жесткий диск), FAT[0] = 0x0FFFFFF8 для FAT32. Таким образом, формально FAT[0] = EOC, что используется при обработке файлов нулевого размера.

Второй зарезервированный указатель, FAT[1], при форматировании устанавливается в значение метки EOC. В FAT12 он не используется больше никак, а в FAT16 и FAT32 верхние два бита этого указателя могут содержать отметку о необходимости проверки тома (т. н. «грязный бит»), причём все остальные биты выставлены в 1. Наличие грязного бита проверяется в процессе загрузки Windows программой autochk.exe. Грязный бит формируется при некорректном отключении тома или при аппаратной ошибке носителя и соответственно принимает два возможных значения.

Индексный указатель FAT32 по определению является 32-битным, однако верхние 4 бита в действительности игнорируются, так что значение указателя по сути является 28-битным. Единственной операцией, оперирующей с верхними 4 битами указателя, является форматирование тома, когда обнуляется весь указатель. Это означает, что, например, значения указателя 0x10000000, 0xF0000000 и 0x00000000 все соответствуют свободному кластеру, так как они отличаются лишь в верхних 4 битах.

Значение размера таблицы FAT по BPB, то есть BPB_FATSz16/32, может превышать реальное, так что в конце каждой таблицы FAT могут находиться сектора, не соответствующие никаким реальным кластерам данных. При форматировании эти сектора обнуляются, а в процессе функционирования тома никак не используются. Поэтому действительный адрес последнего сектора таблицы FAT, содержащего указатели на реальные кластеры тома, всегда должен рассчитываться из общего количества кластеров области данных, а не из поля BPB_FATSz16/32. Кроме того, последний сектор, занятый таблицей FAT, вовсе не обязательно весь занят ею — в этом случае избыточное пространство сектора так же не используется и забивается нулями при форматировании тома.