TF卡的存储数据结构—fat32格式
引言：为何要了解FAT32？
在嵌入式开发与存储设备领域，FAT32文件系统无处不在。无论是SD卡、TF卡还是U盘，FAT32因其极高的兼容性和简洁性成为事实上的标准。本文将带你深入FAT32的底层世界，解析其数据存储的奥秘，并探讨如何在单片机环境中进行实际操作。
一、FAT32物理存储结构：卷的整体布局
一张格式化后的FAT32存储卡，其空间被划分为几个连续且结构清晰的区域：
| 偏移量 (Sector) | 名称 | 大小 | 描述 |
|---|---|---|---|
| 0 | DBR (引导扇区) | 通常 1 扇区 | 包含分区信息、引导代码和FAT32的关键参数，是所有计算的起点。 |
| 1 - (Reserved - 1) | 保留扇区 | DBR定义 (通常为32扇区) | 保留供系统使用。 |
| Reserved | FAT1 (文件分配表1) | DBR定义 | 第一份FAT表，是整个文件系统的核心地图，记录簇的分配状态和链式关系。 |
| Reserved + FAT_Size | FAT2 (文件分配表2) | 同FAT1 | FAT1的完整备份，用于冗余，提高数据安全性。 |
| Reserved + 2*FAT_Size | 数据区 (Data Region) | 剩余所有空间 | 存放文件和目录实际内容的区域，空间在此被划分为簇（Cluster）。 |
关键概念：簇 (Cluster)
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簇是FAT32分配空间的基本单位，由一个或多个连续的扇区组成（如64扇区=32KB）。
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所有文件和目录都占用一个或多个簇。
1. 引导扇区（DOS Boot Record, DBR）
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位置：分区的第一个扇区（通常是512字节）。
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作用：
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存储关键参数：包含让操作系统挂载（识别）这个文件系统所必需的全部信息。这些参数在格式化时就确定了。
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包含引导代码（可选）：如果该分区是活动分区，这里的代码可以用于启动操作系统。
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关键参数举例（这些都是写在DBR里的）：
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每扇区字节数（Bytes Per Sector）：通常是512。
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每簇扇区数（Sectors Per Cluster）：这是关键！FAT32不再操作单个扇区，而是将连续的扇区组合成一个“簇（Cluster）”作为基本存储单位。这个值可以是1, 2, 4, 8, ... 64（即簇大小可以是512B, 1KB, 2KB, ... 32KB）。大容量磁盘会用更大的簇来减少FAT表的大小。
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保留扇区数（Reserved Sectors）：通常为32。指从分区开始到FAT表之前的所有扇区，包括DBR本身。
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FAT表份数（Number of FATs）：通常是2。为了冗余备份，有两份一模一样的FAT表（FAT1和FAT2）。
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每个FAT表的大小（Sectors Per FAT）：告诉系统FAT表占用了多少扇区。
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根目录起始簇（Root Directory Cluster）：这是FAT32与FAT16的关键区别之一。FAT32的根目录不再固定位置和大小，它和普通文件一样，可以位于数据区的任何位置，并且大小可以动态增长。DBR里记录了根目录的第一个簇是哪个。
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2. 文件分配表（File Allocation Table, FAT）
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位置：紧跟在保留扇区（DBR等）之后。
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作用：这是FAT文件系统的心脏。它是一个数字数组，数组的每个下标对应数据区的一个簇号。这个数组元素的值告诉我们下一个簇在哪里。
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工作方式：
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数据区的所有簇都在FAT表中有一个对应的“表项”。
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每个表项的长度是 32位（4字节），这也是“FAT32”名字中“32”的由来。
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FAT表项的值定义了对应簇的状态：
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0: 表示该簇是空闲的，可以使用。 -
2-0x0FFFFFEF: 表示该簇已被文件占用，并且这个值代表该文件的下一个簇的簇号。这就形成了一个簇链（Cluster Chain）。 -
0x0FFFFFF7: 表示这是一个坏簇，不再使用。 -
0x0FFFFFF8-0x0FFFFFFF: 表示这是文件使用的最后一个簇（End Of File）。
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举个例子理解簇链：
假设一个文件被存储在簇号 5, 8, 9 这三个簇中。
那么FAT表的内容看起来是这样的：
| 簇号 | FAT表项的值 (下一个簇) |
|---|---|
| 5 | 8 |
| 8 | 9 |
| 9 | 0x0FFFFFFF (EOF) |
操作系统要读取这个文件，会先从目录项中找到它的起始簇是 5，然后：
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读簇
5的内容。 -
查FAT[5]，得到下一个簇是
8。 -
读簇
8的内容。 -
查FAT[8]，得到下一个簇是
9。 -
读簇
9的内容。 -
查FAT[9]，发现是EOF，文件读取结束。
3. 数据和目录区（Data Region）
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位置：在FAT表（通常有两份）之后。
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作用：存放文件和目录的实际数据。
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目录（Directory）的实现：
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目录在FAT32中本质上是一种特殊文件，它的内容不是文本或图片，而是一个由 32字节 的“目录项（Directory Entry）”组成的表格。
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每个文件或子目录在它所属的目录文件中都对应一个或多个目录项。
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目录项的结构（32字节）：
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文件名（8字节）+ 扩展名（3字节）：经典的“8.3”格式。例如
README.TXT。 -
属性（1字节）：标识这是普通文件、目录、隐藏文件还是系统文件等。
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创建/修改/访问时间戳。
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起始簇号高16位/低16位（2+2字节）：这是最关键的信息！ 它指明了这个文件/目录的第一个簇的簇号。操作系统通过这个簇号，去FAT表中查找，就能得到整个文件的簇链。
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文件大小（4字节）：这限制了FAT32单个文件最大不能超过4GB（2^32字节）。
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长文件名（Long File Name, LFN）的实现：
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为了兼容DOS，“8.3”格式的目录项是必须存在的。
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长文件名（如
This is a long file name.txt）是通过在主目录项之前放置多个额外的、属性标记为“长名”的目录项来实现的。 -
每个长文件名目录项可以存储13个字符（UTF-16编码）。长文件名被倒序存放在这些额外的目录项中。
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操作系统读取时，会先看到一系列长文件名项，组装出长名，最后看到传统的“8.3”短名项，其中包含了起始簇号等关键信息。
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1. DBR (DOS Boot Record) 详解
DBR位于第一个扇区（512字节），其结构如下表所示。所有值均为小端字节序 (Little-Endian)。
| 偏移量 (字节) | 长度 (字节) | 名称 | 示例值 | 描述与计算公式 |
|---|---|---|---|---|
| 0x00 | 3 | 跳转指令 (Jmp Boot) | 0xEB5890 | 跳过引导代码的指令。 |
| 0x03 | 8 | OEM ID | "MSWIN4.1" | 格式化此卷的操作系统标识。 |
| 0x0B | 2 | 每扇区字节数 (Bytes Per Sector) | 0x0200 | 512。几乎所有硬盘和SD卡都是512。 |
| 0x0D | 1 | 每簇扇区数 (Sectors Per Cluster) | 0x20 | 32。这意味着簇大小 = 32 * 512 = 16 KiB。 |
| 0x0E | 2 | 保留扇区数 (Reserved Sectors) | 0x0020 | 32。从分区开始到FAT表之前的扇区总数。 |
| 0x10 | 1 | FAT表份数 (Number of FATs) | 0x02 | 2。通常为2（FAT1和FAT2）。 |
| 0x11 | 2 | 根目录项数 (Root Entries) | 0x0000 | FAT32中必须为0。根目录现在是簇链的一部分。 |
| 0x13 | 2 | 总扇区数 (16位) | 0x0000 | 如果为0，则使用在0x20处的32位值。 |
| 0x15 | 1 | 介质描述符 (Media Descriptor) | 0xF8 | 0xF8表示固定磁盘（硬盘、SD卡）。 |
| 0x16 | 2 | 每个FAT的大小 (16位) (Sectors Per FAT16) | 0x0000 | FAT32中必须为0。使用在0x24处的32位值。 |
| ... | ... | ... | ... | ... |
| 0x20 | 4 | 总扇区数 (32位) (Total Sectors 32) | 0x01D29600 | **** 分区的总扇区数 。 |
| 0x24 | 4 | 每个FAT的大小 (32位) (Sectors Per FAT32) | 0x00001CE3 | **** 每个FAT表占用的扇区数 。 |
| ... | ... | ... | ... | ... |
| 0x2C | 4 | 根目录起始簇号 (Root Cluster) | 0x00000002 | 根目录的簇号！ 通常是2。这是FAT32与FAT16的关键区别。 |
| ... | ... | ... | ... | ... |
| 0x1FE | 2 | 结束标志 (Boot Signature) | 0xAA55 | 标识这是一个有效的引导扇区。 |
关键计算（基于DBR中的参数）：
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FAT1的起始扇区 =
保留扇区数= 32 -
FAT2的起始扇区 =
保留扇区数 + 每个FAT的大小= 32 +0x1CE3 -
数据区的起始扇区 =
保留扇区数 + (FAT表份数 * 每个FAT的大小)= 32 + (2 *0x1CE3) -
簇N对应的第一个扇区号 =
数据区起始扇区 + (（N - 2） * 每簇扇区数)-
*为什么是N-2？因为数据区的簇号从2开始编号。*
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2. 文件分配表 (FAT) 详解
FAT表是一个大数组，数组的每个索引号对应数据区的一个簇号。每个FAT项占4字节（32位）。
| FAT项索引 (簇号) | FAT项值 (32位) | 描述 |
|---|---|---|
| 0 | 0xFFFFFFF8 | 介质类型。通常与DBR中的介质描述符相同。 |
| 1 | 0xFFFFFFFF | 脏卷标志。如果文件系统未正常卸载，此值可能被设置。 |
| 2 | 0x0000000F | 根目录的簇链。值0x0F表示根目录的下一个簇是15。 |
| ... | ... | ... |
| 10 | 0x00000011 | 一个文件的一部分。表示簇10的下一个簇是簇17。 |
| 11 | 0x00000012 | 表示簇11的下一个簇是簇18。 |
| 12 | 0x00000013 | 表示簇12的下一个簇是簇19。 |
| 13 | 0x0FFFFFFF | 簇13是文件结束 (EOF)。这是文件占用的最后一个簇。 |
| 14 | 0x00000000 | 簇14是空闲的 (Free)，可以被分配。 |
| 15 | 0x0FFFFFF7 | 簇15是坏簇 (Bad)，不会被使用。 |
| ... | ... | ... |
簇链示例： 如果一个文件的簇链是 10 -> 11 -> 12 -> 13 (EOF)，那么它在FAT表中的记录就如上表所示。
3. 目录项 (Directory Entry) 详解
无论是根目录还是子目录，其内容都是由32字节的目录项组成的数组。
标准 8.3 格式目录项 (32字节)
| 偏移 | 长度 | 字段名 | 示例值 (Hex) | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 0x0 | 8 | 文件名 (Name) | ```'F', 'I', 'L', 'E', ' ', ' ', ' ', ' '```` | 主文件名，不足用空格(0x20)填充。首字节为0xE5表示已删除，0x00表示未使用。 |
| 0x8 | 3 | 扩展名 (Ext) | 'T', 'X', 'T' | 文件扩展名，不足用空格填充。 |
| 0xB | 1 | 属性 (Attr) | 0x20 | 位掩码： 0x01(只读), 0x02(隐藏), 0x04(系统), 0x08(卷标), 0x10(目录), 0x20(存档) |
| 0xC | 1 | 保留 | 0x18 | |
| 0xD | 1 | 创建时间（10ms） | 0x7B | 以10毫秒为单位的创建时间（0-199）。 |
| 0xE | 2 | 创建时间 | 0x6C66 | 格式： HH(5)MM(6)SS/2(5) -> HH:MM:SS |
| 0x10 | 2 | 创建日期 | 0x4A4D | 格式： (Y-1980)(7)M(4)D(5) -> YYYY-MM-DD |
| 0x12 | 2 | 最后访问日期 | 0x4A4D | 格式同创建日期。 |
| 0x14 | 2 | 起始簇号高16位 | 0x0000 | 文件/目录起始簇号的高位字。 |
| 0x16 | 2 | 最后修改时间 | 0x6C66 | 格式同创建时间。 |
| 0x18 | 2 | 最后修改日期 | 0x4A4D | 格式同创建日期。 |
| 0x1A | 2 | 起始簇号低16位 | 0x000A | 文件/目录起始簇号的低位字。 |
| 0x1C | 4 | 文件大小 | 0x00004000 | 文件的实际字节数（字节）。对于目录，此项为0。 |
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重要： 起始簇号 = (起始簇号高16位 << 16) + 起始簇号低16位 =
0x0000000A(簇10)。
长文件名 (LFN) 目录项 (32字节)
当文件名不符合“8.3”格式时（如Long File Name.txt），系统会创建附加目录项放在标准项之前。
| 偏移 | 长度 | 字段名 | 示例值 (Hex) | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 0x0 | 1 | 序列号 (Ordinal) | 0x43 | 第4项，且是最后一项(0x40)。 |
| 0x1 | 10 | 名字部分1 (Name1) | 0x004C... | UTF-16编码的Unicode字符（5个）。 |
| 0xB | 1 | 属性 (Attr) | 0x0F | 总是0x0F，表示这是一个LFN项。 |
| 0xC | 1 | 类型 | 0x00 | 总是0。 |
| 0xD | 1 | 校验和 | 0x4A | 根据短文件名计算出的校验和。 |
| 0xE | 12 | 名字部分2 (Name2) | 0x0066... | UTF-16编码的Unicode字符（6个）。 |
| 0x1A | 2 | 总是零 | 0x0000 | |
| 0x1C | 4 | 名字部分3 (Name3) | 0x0065... | UTF-16编码的Unicode字符（2个）。 |
LFN工作方式： LFN项是倒序存放的。操作系统会收集所有序列号最高位为0的LFN项，按顺序拼接出完整的长文件名，最后找到对应的短名标准项来获取起始簇号和大小。
4. 数据区：簇的内容
情况A：簇存储文件数据 (例如簇10, 11, 12, 13)
| 簇10的偏移 | 数据 (Hex) | 说明 (对应文件内容) |
|---|---|---|
| 0x0000 | 48 65 6C 6C 6F 2C 20 57 6F 72 6C 64 21 0D 0A | "Hello, World!\r\n" (文本开头) |
| ... | ... (更多数据) ... | 文件的后续内容 |
| 0x1FFF | ... | 簇10的最后一个字节 |
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注意： 文件结束由目录项中的文件大小决定，而不是簇内的特殊标记。簇13可能只有部分数据有效，后面是垃圾数据。
情况B：簇存储目录内容 (例如簇2，根目录)
| 目录项偏移 | 数据内容 (简化表示) | 类型 | 解析 |
|---|---|---|---|
| 0x0000 | . ... clust=2... | 自引用项 | 当前目录是簇2。 |
| 0x0020 | .. ... clust=0... | 父目录项 | 父目录是簇0（根目录的父目录是它自己）。 |
| 0x0040 | LONGFI~1TXT ... clust=10 size=16384 | 标准短名项 | 文件LONGFI~1.TXT，起始簇10，大小16KB。 |
| 0x0060 | [LFN Entry for Part 2] | LFN项 | 长文件名的一部分。 |
| 0x0080 | [LFN Entry for Part 1] | LFN项 | 长文件名Long File Name.txt的第一部分。 |
| 0x00A0 | SUBDIR ... clust=15 size=0 | 标准目录项 | 一个名为SUBDIR的子目录，起始簇15。 |
| ... | ... (剩余可能是空白或更多项) ... |
二.如何判断一个簇里面存取的是数据还是目录
你无法单独通过查看一个簇本身或它在FAT表中的条目来确认它是“项目簇”（目录簇）还是“数据簇”（文件数据簇）。
它们的物理存储格式完全相同，都是512字节 * 每簇扇区数的数据块。区分一个簇类型的唯一方法，是查看指向它的那个“目录项（Directory Entry）”中的“属性（Attribute）”字段。
一个目录里面包含的所有东西（无论是子目录还是文件），都统一用一种方式记录：即32字节的“目录项（Directory Entry）”。
这些目录项就像是一个表格里的一行行记录，紧密地排列在这个目录所占据的数据簇里。区分一条记录是“子目录”还是“文件”，完全取决于该目录项中那个至关重要的“属性（Attribute）”字节。
FAT表的表项和簇中存储的数据在物理上是完全分开的，它们不是紧挨着存放的。
你可以把FAT表想象成一本目录，而把数据区想象成图书馆的藏书库。目录（FAT表）里只写着“这本书的下本书的编号是XXX”，它本身并不包含书的内容。
所以，一个簇的“后面”并不是直接跟着FAT表的32位项。正确的逻辑关系是：
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FAT表：存储在磁盘上一个固定的、集中的区域（在保留扇区之后）。它只是一个巨大的“簇号-下一簇号”的映射表。
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簇：存储在磁盘上另一个巨大的区域，叫做数据区（在FAT表之后）。这里存放的才是文件和目录的实际内容。
当一个簇被分配用于存储时，它后面跟着的数据取决于这个簇的用途：
情况一：簇用于存储文件数据
这是最常见的情况。簇的内容就是文件本身的原始二进制数据，没有任何额外的头或尾。
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示例：假设一个文本文件
hello.txt的内容是："Hello, World!"（13字节），并且它被存储在簇号200中，簇大小为4KB（4096字节）。 -
那么簇200的内容将是：
偏移 (在簇内) 数据 (十六进制) 数据 (ASCII/说明) 0x0000 48 65 6C 6C 6F 2C 20 57 6F 72 6C 64 21H e l l o , W o r l d !0x000D 00 00 00 ... (直到4096字节)未使用的空间，内容是随机的、无效的旧数据 -
关键点：
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文件系统不会在数据簇的开头或结尾添加文件结束符（EOF）或文件名等信息。
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文件的有效长度不是由簇内的任何标记决定的，而是由该文件目录项中那个4字节的“文件大小”字段精确定义的。系统读取时，读够这个字节数就会停止，不管簇里还剩多少空间。
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情况二：簇用于存储目录（文件夹）
当一个簇被分配给一个目录时，它的内容就有了一个非常严格的结构。它不再是无结构的二进制流，而是一个由32字节的“目录项”（Directory Entry） 组成的数组。
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示例：假设簇号300被分配给了
MyFolder这个目录。 -
那么簇300的内容将是：
偏移 (在簇内) 目录项内容 (简化表示) 类型与说明 0x0000 .(Attr=目录, 起始簇=300)特殊项： 指向当前目录自身。 0x0020 ..(Attr=目录, 起始簇=100)特殊项： 指向父目录（这里是簇100）。这是实现嵌套的关键。 0x0040 FILE1 TXT(Attr=存档, 起始簇=401, 大小=1500)标准项： 描述一个名为 FILE1.TXT的文件。0x0060 SUBDIR(Attr=目录, 起始簇=500, 大小=0)标准项： 描述一个名为 SUBDIR的子目录。0x0080 LFN Entry(Attr=长文件名)长名项： A Long File Name.txt的一部分。0x00A0 ALONG~1TXT(Attr=存档, 起始簇=402, 大小=2000)标准项： 对应上面长名的短名项。 ... ...更多文件或子目录项... 0x1FE0 00 00 00 ...未使用的目录项（首字节为0x00）。
fat32格式查找数据流程图
下面是读取写入tf卡通用的开源模块
https://elm-chan.org/fsw/ff/