AI摘要：本文详细介绍了FAT32文件系统的结构，包括物理地址和逻辑地址、MBR和DBR、扇区和簇等基本概念，以及FAT32文件系统的各个组成部分，如MBR、DBR、文件系统信息扇区、FAT表和数据区。同时，还探讨了NAND FLASH Memory Map和STM32F411RET6 SD卡调试的相关内容。通过分析FAT32文件系统的结构，可以更好地理解文件存储和管理的原理，为后续的文件操作提供基础。

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FAT详解

一、基本概念

先来明确几个概念。

1.1 物理地址和逻辑地址

物理地址就是存储单元的绝对地址，逻辑地址往往是物理地址基础上加一个偏移量，即逻辑地址零 = 物理地址零 + 偏移。

1.2 MBR 和 DBR

MBR：英语全称是 Master Boot Record，即主引导记录。

DBR：英语全称是 Dos Boot Record，即 DOS 引导记录，也称为操作系统引导记录。

1.3 扇区和簇

一个扇区一般分为 512 字节、1024 字节、2048 字节和 4096 字节。

一个簇一般包含 1、2、4、8、16、32、64 和 128 个扇区。

二、FAT32 文件系统的结构

先从整体上把握 FAT32 文件系统的结构，如图 1 所示。

图 1 FAT32 文件系统整体结构

从上图可以看出，FAT32 文件系统结构由隐藏扇区（MBR 等）、保留扇区（DBR 等）、FAT 和数据区等几个部分组成，下面就详细分析一下各个部分的实际意义。

2.1 MBR 分析

已格式化为 FAT32 格式后，从物理地址零开始的 512 个字节是 MBR(Master Boot Record)，即主引导记录。其中的前 446 个字节为引导代码，我们这里不做详解。接下来的 64 个字节为分区表，其中 16 个字节为一组总共四组，每一个组都描述了一个分区，最后两个字节为固定的末尾签名，0x55、0xAA。如图 2 所示。

图 2 FAT32 文件系统 MBR

图 2 中，从物理地址的 0x0000 至 0x01BD 的 446 字节为引导代码，从 0x01BE 至 0x01CD 的 16 字节指示了一个分区（黑色框），其中，0x01C6 至 0x01C9 的 4 字节指示了逻辑扇区 0 的位置（红色框），也就是 DBR 的位置，在物理扇区 0x0000 003F （63）处。

接下来看 DBR 的内容。

2.2 DBR 分析

DBR 部分由跳转指令、OEM ID、BPB（BIOS 参数）、拓展 BPB、引导程序和结束标志组成，如图 3 所示。

图 3 FAT32 文件系统 DBR

• 跳转指令将呈现执行流程跳转到引导程序处；
• OEM ID 由厂商指定，这里是 MSDOS5.0；
• BPB 记录文件系统相关的重要信息，由 BPB 和拓展 BPB 组成，BPB 具体参数解释如下：

表 1 FAT32 分区的 BPB 字段表

拓展 BPB 参数如下：

表 2 FAT32 分区的扩展 BPB 字段

可以通过上述定义分析各个字段的含义，也可以通过 WinHex 中直接查看（逻辑分区–>右键–>模板），如图 4 所示。

图 4 FAT32 文件系统 DBR 属性

2.3 文件系统信息扇区

FAT32 文件系统在 DBR 的保留扇区中安排了一个文件系统信息扇区，用以记录数据区中空闲簇的数量及下一个空闲簇的簇号，该扇区一般在分区的 1 号扇区，也就是紧跟着 DBR 后的一个扇区，其内容如图 5 所示。

图 5 FAT32 文件系统信息扇区

各字段的含义如下：

• 52 52 61 41：拓展引导标签；
• 接下来 480 字节未使用，如果安装了操作系统在这个分区上的话应该是有用的；
• 72 72 41 61：文件系统信息签名；
• 0 01 D1 E9：空闲簇数，约为 3.64GB；
• 00 00 00 08：下一个空闲簇号；
• 接下来的 14 个字节：未用；
• 55 AA：结束标志；

2.4 FAT 表

根据 2.2 小结里面的分析，DBR 引导扇区之后会有一段保留扇区（包括 DBR 引导扇区），保留扇区数(Reserved Sector) 为 0x20（表 1 中 0x0E 字段），所以第一个 FAT 的物理扇区为：

第一个 FAT 的物理扇区 = DBR 所在位置+保留扇区数 = 0x3F + 0x20 = 0x5F

跳转到第一个 FAT 的物理扇区，如图 6 所示。

图 6 FAT32 文件系统 FAT 表项

FAT 表项编号从 0 开始，编号 0 表示 FAT 介质类型，编号 1 表示 FAT 文件系统错误标志，这两个表项均不与实际的物理地址对应。

从 FAT 表项编号 2 开始为数据区表项，这里开始才与物理地址对应。其中，2 号表项往往是根目录(格式化就生成了)，占簇区顺序上的第 1 个簇（即 2 号簇），这也可以从表 1 中 0x2C 字段确认。

接下来，3~7 号表项为磁盘中存储的文件，共 5 个文件，每个文件都比较小，各自占用了 1 个簇。文件至少占用一个簇，所以新建文件的时候，即使你只写入 1 字节的数据，它也会占用一个簇的空间。如果是存储的大文件，则会占用多个簇，当前 FAT 表项纪录下一个 FAT 表项编号，依次类推直到最后以“0F FF FF FF“表示文件末尾。

2.5 数据区

同样，根据 2.2 小节的表格，FAT 数为 1（表 1 中 0x10 字段），所以本例中没有 FAT2，那么接下来就是数据区，先来定位数据区的物理扇区。

数据区的物理扇区 = 第一个 FAT 的物理扇区 + FAT 扇区数（表 1 中 0x24 字段） = 0x5F + 0x0000 03A5 = 0x0000 0404

跳转到数据区，如图 7 所示。

图 7 FAT32 文件系统数据区

图中对应 2 号 FAT 表项，也就是根目录区。根目录区，共有 5 个文件，其中上下红框处为自定义的 2 个文件。

为了弄清楚根目录下文件各字段的含义，先看一下 FAT32 短目录项的定义，短目录项就是文件名长 8 位、后缀为 3 位的文件，更长的文件名需要长文件名，后续再说。FAT32 短文件目录项定义如下：

表 3 FAT32 短文件目录项 32 个字节的表示定义

因为 FAT32 使用 4 个字节表示文件或目录大小，因此当文件或目录大于 4Gb 时将会溢出，做截断处理。

FAT32 文件系统分区根目录的文件和目录都存放在根目录区中，子目录文件和文件夹存放在子目录区中，以 32 字节为一项存放目录项（FDT）。

结合图 7 中 0x000808C0~0x000808DF 地址，对照表 3 解释一下各字段的含义：

（1）目录项 0x00~0x07 为文件名“123”，0x08~0x0A 为扩展名“txt”，0x0B 处值为 20，表示的是文件。

（2）目录项 0x0E~0x0F 为文件创建时间：0x5E75 = 0b 0101 1110 0111 0101 –> 01011(11) 110011(51) 10101(21*2) = 11:51:42，即 11 点 51 分 42 秒。

（3）目录项 0x10~0x11 为文件创建日期：0x528C = 0b 0101 0010 1000 1100 –> 0101001(41+1980=2021) 0100(4) 01100(12)，即 2021 年 4 月 12 日。

（4）文件起始簇号：0x14~0x15，文件起始簇号的高 16 位；0x1A~0x1B，文件起始簇号的低 16 位，即 0x0000 0007，和 FAT 表项中的占用一致。

（5）文件大小：0x1C~0x1F，即 0x0000 000A，占用 10 字节。

现在打开文件属性看一下，如图 8 所示。

图 8 123.txt 文件属性

可以看出和分析的一致，占用空间为 32KB，因为该文件占用一簇，一簇有 64 扇区，每个扇区 512 字节，共 32KB。

接下来看到第 7 簇看一下该文件的内容，如图 9 所示。

[图 9 123.txt 文件内容对比

也和实际的 123.txt 文件内容一致。

根据上面的分析，抽茧剥丝，从 MBR 到 DBR，再到 FAT，再到目录区，最后找到文件的存储区域，弄清楚了 FAT32 文件系统的结构，后续将结合几个具体的文件操作来进一步理解 FAT32 文件系统。

三、NAND FLASH Memory Map

RA[17:6]表示Blocks的index，RA[5:0]表示Pages的index，CA[11:0]表示具体到每个page中字节的地址。

RA[17:6]有12位，最大为2^12=4096，说明Blocks只有4096个，index范围为[0:4095]。

RA[5:0]有6位，最大为2^6=64，表示每个block有64个page。

CA[11:0]有12位，但是实际只有2175Byte可用。

每次操作时最小单元就是page，则最小单元扇区为：page_size=4096Byte，实际只有2175Byte，可用的为2048Byte=2KByte。

每个block有64 page，故block size=page_num*page_size=64*4096Byte=256KByte，实际可用为128Kbyte。

sector：表示扇区，每个扇区有1page，sector size：2KByte。sector可等同于page。

cluster：表示簇，每个簇有64page或者64sector，cluster size:128Kbyte。cluster可等同于block。

总计有4096*64个page。

int8_t STORAGE_GetCapacity_FS(uint8_t lun, uint32_t block_num, uint16_t block_size)

这里的block_num指的是扇区的个数，即page的个数，为64*4096；block_size指的是一个扇区大小，即page大小，为2048Byte，即2KByte。

int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)

int8_t STORAGE_Write_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)

传进来的参数是扇区的地址和扇区的个数（即page的index和page个数），在进行读的时候要转换成字节地址和字节大小，读写是按照page来操作的。但是写之前需要擦除block，写block中，剩余page时不需要重复擦写。

写函数先将1 block内容读出来，再擦除，然后写进去。page是否为脏污应该由fat表来表明，但首先应该先擦除全部空间。读写速度受到限制。

使用数组flag标记是否脏污，或者擦除过。但是这种，脏污后重新擦除时不可用，因为标记是说明是否有擦除。如果有写过则是脏page，再写时需要擦除。如果不擦除则无法写入。每次断电后参数复位后，可能会重新擦除。这时候是由FAT表和FATFS管理。断电后写重复位置会擦除该区域。

/**
  * @brief  传进来的参数是扇区的地址和扇区的个数（即page的地址和page个数），在进行读的时候要转换成字节地址和字节大小
  * 这里USB的最大数据包是2048，为1page，故blk_len最大就是1
  * @param  lun: .
  * @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL
  */
int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  uint32_t n;
  uint32_t block_num = 0;
  uint32_t page_num = 0;

  if (blk_len > 1)
  {
    return USBD_FAIL;
  }
  //SEGGER_RTT_printf(0, "Read=> blk_addr=%d,     blk_len=%d\r\n", blk_addr, blk_len);
  block_num = blk_addr / 64;
  page_num = blk_addr % 64;
  flash_Read(block_num, page_num, 0, buf, STORAGE_BLK_SIZ);
  //SEGGER_RTT_printf(0, "Read=> Block=%d,Page=%d\r\n", block_num, page_num);
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 6 */
}
uint8_t erase_flag[512] = {0}; //block erase flag,0:not erase,1:erase
uint8_t erase_f = 0x00;
uint8_t data_buf_t[2048];
uint32_t temp_block_num = 5000;

/**
  * @brief  .
  * @param  lun: .
  * @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL
  */
int8_t STORAGE_Write_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{
  /* USER CODE BEGIN 7 */
  uint32_t n;
  uint32_t block_num = 0;
  uint32_t page_num = 0;
  SEGGER_RTT_printf(0, "Write=> blk_addr=%d,     blk_len=%d\r\n", blk_addr, blk_len);

  block_num = blk_addr / 64;
  page_num = blk_addr % 64;
  if ((erase_flag[block_num / 8] & erase_f) == 0)
  {
    /*
    flash_Erase(4095);
    for (n = 0; n < 64; n++)
    {
      flash_Read(block_num, n, 0, data_buf_t, STORAGE_BLK_SIZ);
      flash_Write(4095, n, 0, data_buf_t, STORAGE_BLK_SIZ);
    }
    */
    flash_Erase(block_num);

    erase_f = (1 << (block_num % 8));
    erase_flag[block_num / 8] |= erase_f;
    SEGGER_RTT_printf(0, "Write=> Erase Block=%d\r\n", block_num);
  }

  flash_Write(block_num, page_num, 0, buf, STORAGE_BLK_SIZ);
  /*
  if (temp_block_num != block_num)
  {
    for (n = 0; n < page_num; n++)
    {
      flash_Read(4095, n, 0, data_buf_t, STORAGE_BLK_SIZ);
      flash_Write(block_num, n, 0, data_buf_t, STORAGE_BLK_SIZ);
    }
    for (n = page_num; n < 64; n++)
    {
      flash_Read(4095, n, 0, data_buf_t, STORAGE_BLK_SIZ);
      flash_Write(block_num, n, 0, data_buf_t, STORAGE_BLK_SIZ);
    }
  }
  temp_block_num = block_num;
  */
  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 7 */
}

后续的读写如果考虑erase就擦除，可能导致写不进去。需要擦除后再写。

/*---------- -----------*/
#define USBD_MAX_NUM_INTERFACES     1U
/*---------- -----------*/
#define USBD_MAX_NUM_CONFIGURATION     1U
/*---------- -----------*/
#define USBD_MAX_STR_DESC_SIZ     2048U
/*---------- -----------*/
#define USBD_DEBUG_LEVEL     0U
/*---------- -----------*/
#define USBD_LPM_ENABLED     1U
/*---------- -----------*/
#define USBD_SELF_POWERED     1U
/*---------- -----------*/
#define MSC_MEDIA_PACKET     2048U

/* MSC Class Config */
#ifndef MSC_MEDIA_PACKET
#define MSC_MEDIA_PACKET             512U
#endif /* MSC_MEDIA_PACKET */

#define MSC_MAX_FS_PACKET            0x40U
#define MSC_MAX_HS_PACKET            0x200U

#define BOT_GET_MAX_LUN              0xFE
#define BOT_RESET                    0xFF
#define USB_MSC_CONFIG_DESC_SIZ      32


#define MSC_EPIN_ADDR                0x81U
#define MSC_EPOUT_ADDR               0x01U

可见USB操作时最大是2048Byte，即2Kbyte。就是1page数据。

Fatfs和USB都是按照最小单元page（sector）进行读写。即每次都是读写1page数据。

挂载和open有问题，貌似没有FAT表。写是128K擦除，读是2K读，导致读写page时如果写的是同一个block的同一个page则需要擦除整个block，会导致其他数据丢失。

改成以下方式后，erase次数太多，但是调试OK。

uint8_t data_buf_t[2048];
uint32_t temp_block_num = 5000, temp_page_num = 65;
DRESULT USER_write(
    BYTE pdrv,        /* Physical drive nmuber to identify the drive */
    const BYTE *buff, /* Data to be written */
    DWORD sector,     /* Sector address in LBA */
    UINT count        /* Number of sectors to write */
)
{
  /* USER CODE BEGIN WRITE */
  /* USER CODE HERE */
  uint32_t n = 0, k = 0;
  uint32_t block_num = 0;
  uint32_t page_num = 0;
  uint8_t i = 0, j = 0, temp = 0;

  SEGGER_RTT_printf(0, "Fatfs Write=> sector=%d,     count=%d\r\n", sector, count);

  for (n = 0; n < count; n++)
  {
    block_num = sector / 64;
    page_num = sector % 64;

    flash_Erase(BLOCK_RSV);
    for (k = 0; k < 64; k++)
    {
      flash_Read(block_num, k, 0, data_buf_t, PAGE_SIZE);
      flash_Write(BLOCK_RSV, k, 0, data_buf_t, PAGE_SIZE);
    }
    flash_Erase(block_num);
    SEGGER_RTT_printf(0, "Fatfs Erase=> block=%d\r\n", block_num);

    for (i = 0; i < 64; i++)
    {
      if (i == page_num)
      {
        flash_Write(block_num, i, 0, (uint8_t *)&buff[0 + n * PAGE_SIZE], PAGE_SIZE);
      }
      else
      {
        flash_Read(BLOCK_RSV, i, 0, data_buf_t, PAGE_SIZE);
        flash_Write(block_num, i, 0, data_buf_t, PAGE_SIZE);
      }
    }

    sector++;
    //SEGGER_RTT_printf(0, "Write=> Block=%d,Page=%d\r\n", block_num, page_num);
  }
  return RES_OK;
  /* USER CODE END WRITE */
}

写时如果不close，则无法同时read。

四、STM32F411RET6 SD卡调试