FAT12 是最早的文件分配表（File Allocation Table, FAT）格式之一，主要用于软盘和小容量的存储设备。
- 引导扇区
1扇区 - FAT1
9扇区 - FAT2
9扇区 - 根目录区
14扇区 - 数据区
2847扇区
- 引导扇区：主要存放一些磁盘的重要参数，如 每扇区字节数，共有几个FAT表，每个FAT表占用的扇区数，磁头的数量等等。
- FAT1： FAT1的作用主要是与簇进行关联，我们可以通过FAT1表来把文件的簇连接起来，像是链表一样形成一个链条，从而完整的读取文件内容。如果指向了0xff8 - 0xfff，表示文件结束了。
- FAT2： FAT1的备份，冗余备份作用，FAT1出错直接读取FAT2和恢复。
- 根目录区：存放文件，文件夹的基本信息。根目录区一般数量有限，一般是224个或者更少，不能存放太多的文件。
- 数据区：存放实际内容的区域，每个簇的固定大小在MBR中均有叙述，由于有FAT1我们可以把分散的扇区内的数据连接起来。同时也可以把写入数据分散存储。
簇是文件系统中的一个概念，指的是一组扇区的集合。文件在磁盘上是以簇为单位进行存储的。由于单个扇区的大小通常较小（例如512字节），直接以扇区为单位管理文件可能会导致大量的文件碎片和管理开销，因此文件系统将多个扇区组合成一个簇。在FAT12中 基本上是一个扇区为一个簇。
标准的3.5英寸软盘可以存储1.44MB数据。它是由2880个512字节的扇区组成的。
==计算如下：==
2880扇区 * 512B = 1,474,560 字节
1,474,560B / 1MB = 1,440MB
最后一次写入时间和最后一次写入日期各占用2个字节.我们使用位运算将其转换为我们熟悉的标准格式。
格式如下：
如何提取：
例如：
我们可以获取其最后一次写入时间是 F1 AB。小端存储，我们进行分析
A B F 1
1010 1011 1111 0001
由于我们需要获取最后一次写入时间。
lastWriteTime = (0xAB) << 8 | 0xF1
1010 1011 0000 0000
| 1111 0001
1010 1011 1111 0001
组成16位
我们根据图示，将其右移11位可获得其最低地址的五位，将其与0x1F按位与即可获得小时。
同理，根据图示，将其右移 5位可获得其分钟位，将其与0x3F按位与即可获得分钟。
对于年份以及月份和日期我们采用同样的方法，唯一注意的是获得的年份是距离1980年的差值。需要加上1980才可以获取目前的时间。
FAT1表的结构：
值得注意的是FAT1的前两个FAT表项留作特殊用途，所以我们一般从FAT的第三个表项开始计算。
由于FAT12每个表项占据12位，计算机为对齐（n*8字节），我们考虑将一个FAT表项囊括两个簇号，以便节省空间同时加快计算机读取速度。
FAT[0] FAT[1] FAT[2] FAT[3] FAT[4]
FO FF FF 03 40 00 05 FO FF FF FF FF FF FF FF
FF0 FFF 003 004 005 FFF FFF FFF FFF FFF
0簇 1簇 2簇 3簇 4簇 5簇 6簇 7簇 8簇 9簇
对于FAT1[1] 作为起始，我们有其低字节与中字节部分，高字节部分。
所以我们的首个可用是由第二个字节的高地址部分 拼接 第一个字节的8位地址部分组成簇号。
第二个簇是由 第三个字节的全部部分 拼接 第二个字节的低位地址部分形成簇号。
在我们根据簇号寻找FAT表项时候只需要分奇偶项即可，若是偶数则直接寻找其低地址部分的二字节。
如果是奇数则直接寻找其高地址部分的二字节。
为进一步了解文件系统的构造，了解FAT12文件系统的思想。我实现了一下功能：
dir命令，展示当前目录下的文件以及文件夹。cat命令，使用cat 文件名 的命令，可以展示其文件的内容。cd命令， 使用cd命令可以进入当前目录子文件夹以及上一层文件夹或回到根目录。pwd命令，通过pwd命令可以获取当前用户所在路径。touch命令，通过touch命令用户可以创建需要的文件并且填入相应的内容保存到软盘。rm命令，通过rm 文件名 命令可以移除根目录下的某个文件名。具体的实现过程在下方介绍。mkdir命令，使用mkdir命令可以建立一个文件夹。format命令，通过format命令可以格式化磁盘至初始化状态。
本地使用GCC 11.2.0 进行开发，使用Windows11操作系统，使用JetBrains旗下的Clion 集成工具进行编码，同时使用winImage软件进行软盘的制造，以及使用了windows 7（虚拟机）挂载网盘查看具体细节。
使用winImage软件创建vfd即可，添加一些文件以及文件夹，子文件夹。
软盘的制作也可以采用本地配置InitMBR和InitFat表进行。本实验未采用代码模拟软盘（配有部分代码模拟软盘）。
在第一章节已详细介绍。
特别地：
笔者使用的软盘，为1簇1扇区，更方便我们定位位置。
#pragma pack(1)
--1. fat表项的创建
typedef struct FATEntry {
uint8_t data[3]; // 3字节 24位，存储两个簇号
} FATEntry;
FATEntry表示FAT表的一个条目，每个条目 使用了3个字节来存储12位的簇号。
--2. mbrHeader的创建
typedef struct MBRHeader {
char BS_jmpBOOT[3];
char BS_OEMName[8];
// 每个扇区字节数 512
uint16_t BPB_BytesPerSec;
// 每簇扇区数 1
uint8_t BPB_SecPerClus;
// boot引导占扇区数 1
省略...
} MBRHeader;
--3. 根目录的创建
typedef struct RootEntry {
uint8_t DIR_Name[11];//文件名与扩展名
uint8_t DIR_Attr;//文件属性
uint8_t DIR_reserve[10];//保留位
uint8_t DIR_WrtTime[2];//最后一次写入时间
uint8_t DIR_WrtDate[2];//最后一次写入日期
uint16_t DIR_FstClus;//文件开始的簇号
uint32_t DIR_FileSize;//文件大小
} RootEntry;
--4. 定义磁盘属性
struct Disk {
MBRHeader MBR; //1个扇区
FATEntry FAT1[1536]// 9个扇区 全部表示出来的 所以 9 * 512 = 4608B ，每个占3字节，1608 / 3 = 1536
FATEntry FAT2[1536]; // copy fat1
RootEntry rootDirectory[ROOT_DICT_NUM];
};
#pragma pack()
//注意一定要取消字节对齐 1表示不对齐void read_mbr_from_vfd(char *vfd_file) {
//一个MBR也就是512字节 申请512字节空间
MBRHeader *mbr = (MBRHeader *) malloc(sizeof(MBRHeader));
fseek(diskFile, 0, SEEK_SET);
uint32_t readed_size = fread(mbr, 1, SECTOR_SIZE, diskFile);
disk.MBR = *mbr;
uint32_t rootDirStartSec = 1 + (disk.MBR.BPB_NumFATs * disk.MBR.BPB_FATSz16); // 1 MBR，2 是 FAT 表的扇区数
fseek(diskFile, rootDirStartSec * SECTOR_SIZE, SEEK_SET); //移动到根目录区了
uint16_t read_size = fread(disk.rootDirectory, sizeof(RootEntry), disk.MBR.BPB_RootEntCnt, diskFile);
free(mbr);
}void read_fat_from_vfd(char *vfd_file) {
fseek(diskFile, 512, SEEK_SET);
fread(&disk.FAT1, sizeof(FATEntry), 1536, diskFile);
}由于一个FAT表项对应两个簇，我们获取簇号时，只需要根据规则：
偶数：
第二个字节的高地址部分（4位） 拼接 第一个字节的8位地址部分组成簇号。
奇数：
第三个字节的全部部分 拼接 第二个字节的低位地址部分形成簇号。
uint8_t getClus(uint8_t *buf) {
uint16_t res = 0;
if (flag % 2 == 0) { //偶数
res += buf[0];
res += (buf[1] << 8) & 0xFFF;
} else { //奇数
res += buf[1] << 4;
res += buf[0] >> 4;
}
return ans;
}实现逻辑： 我们遍历此时的根目录的所有条目（最大224),如果非空获取他的文件名、拓展名、以及文件大小，通过函数来解析 最后一次修改日期 和修后一次修改时间，同时获取他的类型,文件标注 文件夹标注
实现效果：
解析时间的部分在1.5部分叙述，在这里粘贴一部分dir代码：
实现代码：
void dir() {
for (int i = 0; i < disk.MBR.BPB_RootEntCnt; i++) {
if (disk.rootDirectory[i].DIR_Name[0] == 0) {
continue; // 空条目，跳过
}
//文件名处理 略了一些...
char name[9] = "";
char ext[4] = "";
memcpy(name, disk.rootDirectory[i].DIR_Name, 8);
memcpy(ext, disk.rootDirectory[i].DIR_Name + 8, 3);
//解析时间操作 略了一些...
int hours = (lastWriteTime >> 11) & 0x1F; // 获取小时
int minutes = (lastWriteTime >> 5) & 0x3F; // 获取分钟 略...
// 解析最后一次写入时间
int hours = (lastWriteTime >> 11) & 0x1F; // 获取小时
int minutes = (lastWriteTime >> 5) & 0x3F; // 获取分钟
//最后解析
bool isDirectory = (disk.rootDirectory[i].DIR_Attr & DIRECTORY_CODE) != 0;
if (isDirectory) {
cout << year << "/" << month << "/" << day << setw(7) << hours << ":" << minutes << setw(13) << "<folder>"
<< setw(20) << fileName << endl;
}实现逻辑:
输入cat xx命令之后，我们通过findFile()进行解析(此函数的作用是分离分离它的文件名和拓展名,因为11位有空格部分，所以需要分割,如果找到了返回RootEntry，否则返回null）。
我们获得了他的目录信息则可以通过getClus（）获取下一个簇号（此函数的作用为获取下一个FAT项的簇号）,如果下一个簇号 clusterNum > 0x0ff8,说明有问题（停止或者坏簇）。
这里粘贴一部分读取文件的 重要 内容的代码：
实现代码:
uint16_t currentCluster = firstCluster;
uint32_t bytesRead = 0;
while (bytesRead < fileSize) {
// 计算当前簇对应的起始扇区
uint32_t clusterSector = dataStartSector + (currentCluster - 2) * sectorsPerCluster;
// 用于存储读取的字节
uint8_t buffer[SECTOR_SIZE];
// 逐扇区读取数据
for (uint8_t sector = 0; sector < sectorsPerCluster; ++sector) {
if (bytesRead >= fileSize) break; // 如果已读取完毕，退出循环
FILE *boot = fopen(PATH, "rb+");
// 读取当前扇区
fseek(boot, (clusterSector + sector) * SECTOR_SIZE, SEEK_SET);
size_t readSize = fread(buffer, 1, SECTOR_SIZE, boot);
fclose(boot);
// 输出读取的数据
for (size_t i = 0; i < readSize && bytesRead < fileSize; i++, bytesRead++) {
putchar(buffer[i]); // 输出字符到控制台
}
}
unsigned short nextClusNum = getClus(&disk.FAT1[currentCluster / 2].data[currentCluster % 2],
currentCluster % 2);
currentCluster = nextClusNum ;//+1
// cout << "将要读取的簇是" << currentCluster <<endl;
// 如果获取的下一个簇是 ff8 ~ fff，结束读取
if (currentCluster >= 0xFF8) { // 对于 FAT12，0x0FF8 及以上的簇表示 over
break;
}
}
效果截图：cat一个 > 一个簇的文件（需要寻簇的情况）
实现逻辑：
cd命令我使用了栈来维护路径，记录下当前所在的簇号和路径号。
- 如果是
cd .则处于当前目录不做处理 - 如果是
cd ..，则表示上一级目录，如果当前处于 / 根目录则不做处理，否则会弹出栈到上一级目录的位置，通过更新栈内信息 - 如果是
cd /则直接回到主目录全部出战，只有根目录在栈中。
实现效果:
实现代码
pwd 较为简单，复制一个当前栈内情况，至今拼接路径即可。
实现逻辑
创建一个目录项。首先检查目录下其是否存在，设置它的名称，属性，时间，保留位等。
现在通过getFreeClus（）作为簇号，并调用 usedClus(a) 将该簇号标记为已使用。
此时输入写入的内容，是否大于1个扇区，如果大于1个扇区我们需要分配FAT表项。
-
情况1（size <= 512）：
根据簇号a计算偏移量 直接跳转到对应位置，然后写入软盘，同时标记文件结束了。
-
情况2（size > 512）：
计算需要的扇区（向上取整），每次写入512B内容，并且重新写入偏移量。如果剩余大小>512字节，分配新的簇，让当前的簇指向下一个簇，并且标记新簇已经使用。如果<512字节，把最后一个簇标记为0XFFF即可。
最后写入文件系统并且刷新即可。
实现效果
此时dir可以看到
实现代码(重要部分，其余属性设置在此省略)
if (remain_size <= 512) {
// 直接写入并结束
uint32_t offset = (31 + a) * 512;
fseek(diskFile, offset, SEEK_SET);
fwrite(content.c_str(), sizeof(char), remain_size, diskFile);
usedClus(a); // 标记最后一个簇为结束
} else {
// 计算需要的扇区数
uint16_t need_sector_num = (rootEntry.DIR_FileSize + 511) / 512;
cout << "需要的扇区数为：" << (int)need_sector_num << endl;
//
for (uint8_t i = 0; i < need_sector_num; i++) {
//写入
uint32_t offset = (31 + a) * 512;
fseek(diskFile, offset, SEEK_SET);
uint32_t bytesToWrite = (remain_size < 512) ? remain_size : 512;
fwrite(content + written_size, sizeof(char), bytesToWrite, diskFile);
written_size += bytesToWrite;
remain_size -= bytesToWrite;
if (remain_size > 0) {
// 获取空闲簇,并且把下个簇标记为已使用
uint16_t next_free_clus = getFreeClusNum();
usedClus(next_free_clus);
setFATEntry(a,next_free_clus); //成功连接到下一个
a = next_free_clus;
} else {
// 最后一个簇直接标记为结束
usedClus(a);
}
}
}
实现逻辑：
首先查找文件，服用findFile（）函数（作用是：寻找文件），如果找到了获得它的起始簇号，
然后清理它的数据区（这步可能非必要，因为用FAT判断此空间为00则覆盖，但考虑到新文件写不到512B的情况我选择留下这个函数），以及FAT链表的链式关系.
在清理FAT链表的关系中
使用while循环获取下一个簇的簇号，并且把它标记为空闲簇。不要忘记第一个簇还没有标记0X000，所以将最初的firstClus标记为空闲。
实现效果:
未删除：
删除后：
实现代码：
void deleteFile(string filename) {
// 1. 在根目录中查找文件
string fileFullName = filename.substr(3); // 从 "rm " 后开始
RootEntry *pEntry = findFile(fileFullName);
cout << "待删除的文件信息" << pEntry->DIR_FstClus<<endl;
// 2. 获取文件的起始簇号
uint16_t clus_num = pEntry->DIR_FstClus;
uint16_t firstClus = clus_num;
//3.循环清除他的数据区
clearDataArea(clus_num);
// 4. 清除FAT链表中的所有簇
while (clus_num != 0xFFF) {
uint16_t next_clus = getClus(&disk.FAT1[clus_num / 2].data[clus_num % 2],clus_num %2);
setFATEntry(clus_num, 0); // 标记簇为空闲
clus_num = next_clus;
}
setFATEntry(firstClus, 0); // 标记簇为空闲
// setFATEntry(firstClus, 0x000); // 标记簇为空闲
//4.1 找到他的根目录把那个32字节删掉
uint32_t offset = (firstClus * sizeof(RootEntry)) + (31 * 512); // 根目录从第31个扇区开始
fseek(diskFile, offset, SEEK_SET); // 定位到目录项位置
memset(pEntry, 0, sizeof(RootEntry)); // 将目录项清空
实现逻辑：
创建一个目录项，设置目录属性、保留字节、时间等等信息之后，分配对应的簇号，同时标记此簇已经被使用过了。此时创建 . (s当前目录)和..(上一级目录),并且把新目录项写到根目录项中，最后写回磁盘中。
实现效果：
实现代码：
实现逻辑：
首先MBR区域是固定信息不应该被format。
其次初始化FAT区，把前两个簇（0，1）的值设置为初始值 FF0 FFF。然后将1536大小的数组写入FAT1表的位置，然后将FAT1表的内容赋值到FAT2表，实现冗余备份。
然后初始化根目录区域，根目录区域一共7168字节，相当于14个扇区，将其全部置为0，最后初始化数据区 把数据区的每个簇初始化为0。
实现效果：
-
其中MBR未改动.
-
format前FAT
forma*后FAT:
- format前根目录区：
***format/***后目录区：/
实现代码：
通过本次实验，我了解了FAT12的实现结构和实现细节。掌握了使用c和c++进行文件操作的办法，如FSEEK（）以及FWRITE()等等函数的使用。了解了目录项的管理，簇的分配和释放，以及如何维护FAT链表，这些知识都有助于我了解文件创建、删除、管理等操作。
在实验中我也遇到了一些挑战，比如如何正确表示簇的状态，如何管理簇，扇区。在这个过程中我提升了自己的编程思维和逻辑能力。虽然FAT12是较为古老的文件系统，但实现过程中仍然让我对操作系统知识有了重要理解。