FATFS之主引导记录（MBR）

2024 年 6 月 30 日 18点热度 0人点赞 0条评论

FATFS 简介

FATFS 是一个完全免费开源的 FAT 文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。支持 FATl2、FATl6 和 FAT32，支持多个存储媒介；有独立的缓冲区，可以对多个文件进行读／写。

FATFS 模块的层次结构如图所示：

最顶层是应用层，使用者无需理会 FATFS 的内部结构和复杂的 FAT 协议，只需要调用FATFS 模块提供给用户的一系列应用接口函数，如 f_open，f_read，f_write 和 f_close 等，就可以像在 PC 上读／写文件那样简单。中间层 FATFS 模块，实现了 FAT 文件读／写协议。FATFS 模块提供的是 ff.c 和 ff.h。除非有必要，使用者一般不用修改，使用时将头文件直接包含进去即可。

需要我们编写移植代码的是 FATFS 模块提供的底层接口，它包括存储媒介读／写接口（diskI/O）和供给文件创建修改时间的实时时钟。

下载最新版本的 FATFS软件包，解压后可以得到两个文件夹：doc 和 src。doc 里面主要是对 FATFS 的介绍，而 src 里面才是我们需要的源码。其中，与平台无关的是：

        ffconf.h FATFS 模块配置文件
        ff.h FATFS 和应用模块公用的包含文件
        ff.c FATFS 模块
        diskio.h FATFS 和 disk I/O 模块公用的包含文件
        interger.h                       数据类型定义
        option 可选的外部功能（比如支持中文等）

与平台相关的代码（需要用户提供）是：

diskio.c FATFS 和 disk I/O 模块接口层文件

FATFS 模块在移植的时候，我们一般只需要修改 2 个文件，即 ffconf.h 和 diskio.c。FATFS模块的所有配置项都是存放在 ffconf.h 里面，我们可以通过配置里面的一些选项，来满足自己的需求。

本次暂时不讲怎么去移植fatfs，会根据部分源代码分析上一讲FAT文件系统中的MBR内容，MBR在FATFS是怎么实现的，怎么创建DPT，当我们使用f_mount，f_mkfs对MBR又做了什么操作。

我们在使用fatfs进行应用软件编程时，我们一般会按照如下流程来进行。

int main(void)
{
 	......	 
  	res=f_mount(fs[0],"0:",1); 			//挂载SD卡 
 	f_mount(fs[1],"1:",1); 				//挂载FLASH.
    //FLASH磁盘,FAT文件系统错误,重新格式化FLASH
	if(res==FR_NO_FILESYSTEM)
	{
		res=f_mkfs("1:",1,4096);//格式化FLASH,1,盘符;1,不需要引导区,8个扇区为1个簇
		if(res==0)
		{
			f_setlabel((const TCHAR *)"1:XXXX");	//设置Flash磁盘的名字为：XXXX
		}else
		delay_ms(1000);
	}	
	......												  			    
	mf_mkdir("0:/cvt");
	f_open(file, "0:/cvt/1.txt",FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);
    res=f_write(file,dat,len,&bw);
    f_close(file);
}

当我们使用f_mount进行挂在时，会出现挂在不成的现象。根据其返回值就能找到其失败的原因，有硬件驱动跟软件两种错误。当返回值时没有文件系统时，我们可以在编程时创建文件系统。

FR_INVALID_DRIVE：传入参数不对，磁盘无效。
FR_WRITE_PROTECTED：或者驱动层SD卡读写状态，驱动未使能写。
FR_NOT_READY：底层驱动SD卡初始化失败。
FR_DISK_ERR：读取SD卡的MBR信息
FR_NO_FILESYSTEM 没有文件系统

下面我们看f_mount中是怎么检验mbr信息的，f_mkfs是怎么创建文件系统的。

1.获取磁盘驱动编号，强制挂载磁盘。

FRESULT f_mount (FATFS* fs,	const TCHAR* path,	BYTE opt)
{
	......
	/* 获取磁盘驱动编号 */
	vol = get_ldnumber(&rp);
	/* 挂在磁盘 */
	res = mount_volume(&path, &fs, 0);
    ......
}

2.获取磁盘状态，初始化磁盘。

static FRESULT mount_volume (const TCHAR** path, FATFS** rfs, BYTE mode)
{
	/* 获取磁盘驱动器编号 */
	vol = get_ldnumber(path);

    /* 根据磁盘状态返回 */
	mode &= (BYTE)~FA_READ;				
	if (fs->fs_type != 0) {				
		stat = disk_status(fs->pdrv);
		if (!(stat & STA_NOINIT)) {		
			if (!FF_FS_READONLY && mode && (stat & STA_PROTECT)) {	
				return FR_WRITE_PROTECTED;
			}
			return FR_OK;				
		}
	}
    
    /* 初始化磁盘驱动器 */
	fs->fs_type = 0;					
	fs->pdrv = LD2PD(vol);				
	stat = disk_initialize(fs->pdrv);	
	if (stat & STA_NOINIT) { 			
		return FR_NOT_READY;		
	}

	/* 读取主引导记录信息，校验文件系统 */
	fmt = find_volume(fs, LD2PT(vol));
	if (fmt == 4) return FR_DISK_ERR;		
	if (fmt >= 2) return FR_NO_FILESYSTEM;	
	......
}

3.检验MBR文件信息

static UINT find_volume (FATFS* fs,	UINT part)
{
    /* 读取MBR信息并校验 */
	fmt = check_fs(fs, 0);				
	if (fmt != 2 && (fmt >= 3 || part == 0)) return fmt;
	
    /* 在MBR信息中获取DPT，并校验DPT文件系统信息 */
	for (i = 0; i < 4; i++) {		
		mbr_pt[i] = ld_dword(fs->win + MBR_Table + i * SZ_PTE + PTE_StLba);
	}
	i = part ? part - 1 : 0;		
	do {							
		fmt = mbr_pt[i] ? check_fs(fs, mbr_pt[i]) : 3;
	} while (part == 0 && fmt >= 2 && ++i < 4);
	return fmt;
}

4.对MBR进行校验。MBR的引导程序占了其中的前 446 个字节(偏移 0H~偏移 1BDH)，随后的 64 个字节(偏移 1BEH~偏移 1FDH)为DPT(DiskPartitionTable，硬盘分区表)，最后的两个字节“55 AA”(偏移 1FEH~偏移1FFH)是分区有效结束标志。

/* check fs on the physical drive in MBR
 * fs：   Filesystem object
 * sect:  Sector to load and check if it is an FAT-VBR or not
 * return 0:FAT/FAT32 VBR, 1:exFAT VBR, 2:Not FAT and valid BS, 3:Not FAT and invalid BS, 4:Disk error */
static UINT check_fs (FATFS* fs, LBA_t sect)
{
    WORD w, sign;
    BYTE b;
    fs->wflag = 0; fs->winsect = (LBA_t)0 - 1;      
    /* 读取第1个扇区信息数据,即MBR数据 */
    if (move_window(fs, sect) != FR_OK) return 4;  
    /* 拿到MBR结束标志 */
    sign = ld_word(fs->win + BS_55AA);
#if FF_FS_EXFAT
     /* It is an exFAT VBR */
    if (sign == 0xAA55 && !memcmp(fs->win + BS_JmpBoot, "\xEB\x76\x90" "EXFAT   ", 11)) return 1;  
#endif
    b = fs->win[BS_JmpBoot];
    if (b == 0xEB || b == 0xE9 || b == 0xE8) {  
        /* 跳转指令，结束标志，且文件系统信息比对正确，返回 */
        if (sign == 0xAA55 && !memcmp(fs->win + BS_FilSysType32, "FAT32   ", 8)) {
            return 0;   /* It is an FAT32 VBR */
        }
        /* 使用早期MS-DOS缺少BS_55AA，因此需要识别FAT VBR来判断FAT文件系统 */
        w = ld_word(fs->win + BPB_BytsPerSec);
        b = fs->win[BPB_SecPerClus];
        if ((w & (w - 1)) == 0 && w >= FF_MIN_SS && w <= FF_MAX_SS  
            && b != 0 && (b & (b - 1)) == 0             
            && ld_word(fs->win + BPB_RsvdSecCnt) != 0   
            && (UINT)fs->win[BPB_NumFATs] - 1 <= 1      
            && ld_word(fs->win + BPB_RootEntCnt) != 0   
            && (ld_word(fs->win + BPB_TotSec16) >= 128 || ld_dword(fs->win + BPB_TotSec32) >= 0x10000)
            && ld_word(fs->win + BPB_FATSz16) != 0) {   
                return 0;
        }
    }
    return sign == 0xAA55 ? 2 : 3;
}

5.创建文件系统中的DBR信息及MBR数据

FRESULT f_mkfs (const TCHAR* path,const MKFS_PARM* opt,void* work,UINT len)
{
	/* 获取磁盘驱动编号 */
	vol = get_ldnumber(&path);					
	
	/* 初始化磁盘，获取磁盘总扇区个数，扇区大小 */
	ds = disk_initialize(pdrv);
	if (ds & STA_NOINIT) return FR_NOT_READY;
	if (ds & STA_PROTECT) return FR_WRITE_PROTECTED;
	sz_blk = opt->align;
	if (sz_blk == 0 && disk_ioctl(pdrv, GET_BLOCK_SIZE, &sz_blk) != RES_OK) sz_blk = 1;
 	if (sz_blk == 0 || sz_blk > 0x8000 || (sz_blk & (sz_blk - 1))) sz_blk = 1;
	if (disk_ioctl(pdrv, GET_SECTOR_SIZE, &ss) != RES_OK) return FR_DISK_ERR;
	/* 文件系统及DBR初始化*/
	......
	/* Create FAT VBR */
	memset(buf, 0, ss);
	/* 跳转指令, 文件系统标志和版本号，这里为MSDOS5.0 */
	memcpy(buf + BS_JmpBoot, "\xEB\xFE\x90" "MSDOS5.0", 11);	
	/* 每扇区字节数，0x0200=512 */
	st_word(buf + BPB_BytsPerSec, ss);				
	/* 每簇扇区数，0x08 */
	buf[BPB_SecPerClus] = (BYTE)pau;			
	/* 保留扇区数，0x0C22=3106 */
	st_word(buf + BPB_RsvdSecCnt, (WORD)sz_rsv);	
	/* FAT表个数，0x02 */
	buf[BPB_NumFATs] = (BYTE)n_fat;				
	/* FAT32必须等于0，FAT12/FAT16为根目录中目录的个数 */
	st_word(buf + BPB_RootEntCnt, (WORD)((fsty == FS_FAT32) ? 0 : n_root));
	/* FAT32必须等于0，FAT12/FAT16为扇区总数 */
	if (sz_vol < 0x10000) {
		st_word(buf + BPB_TotSec16, (WORD)sz_vol);	
	} else {
		st_dword(buf + BPB_TotSec32, (DWORD)sz_vol);	
	}
	/* 哪种存储介质，0xF8标准值，可移动存储介质 */
	buf[BPB_Media] = 0xF8;							
	/* 每磁道扇区数，只对于“特殊形状”（由磁头和柱面分割为若干磁道）的存储介质有效，0x003F=63 */
	st_word(buf + BPB_SecPerTrk, 63);				
	/* 磁头数，只对特殊的介质才有效，0x00FF=255 */
	st_word(buf + BPB_NumHeads, 255);				
	/* EBR分区之前所隐藏的扇区数，0x0004A800=305152又出现了呢，与MBR中地址0x1C6开始的4个字节数值相等 */
	st_dword(buf + BPB_HiddSec, (DWORD)b_vol);		/
	if (fsty == FS_FAT32) {
		st_dword(buf + BS_VolID32, vsn);			
		st_dword(buf + BPB_FATSz32, sz_fat);		
		st_dword(buf + BPB_RootClus32, 2);		
		st_word(buf + BPB_FSInfo32, 1);				
		st_word(buf + BPB_BkBootSec32, 6);			
		buf[BS_DrvNum32] = 0x80;					
		buf[BS_BootSig32] = 0x29;					
		memcpy(buf + BS_VolLab32, "NO NAME    " "FAT32   ", 19);	
	} 
	/* 签名标志“55 AA */
	st_word(buf + BS_55AA, 0xAA55);					/* Signature (offset is fixed here regardless of sector size) */
	/* 将数据信息写入到DBR中*/
	if (disk_write(pdrv, buf, b_vol, 1) != RES_OK) LEAVE_MKFS(FR_DISK_ERR);	/* Write it to the VBR sector */
	......
	/* 创建MBR及DPT*/
	fr = create_partition(pdrv, lba, sys, buf);
	......
}

6.创建MBR及DPT,64 个字节(偏移 1BEH~偏移 1FDH)为DPT(DiskPartitionTable，硬盘分区表)，最后的两个字节“55 AA”

/* Create partitions on the physical drive in format of MBR or GPT
 * drv：   Physical drive number
 * plst[]: Partition list
 * sys:    System ID (for only MBR, temp setting)
 * buf:    Working buffer for a sector */
static FRESULT create_partition (BYTE drv, const LBA_t plst[], BYTE sys, BYTE* buf)
{
    UINT i, cy;
    LBA_t sz_drv;
    DWORD sz_drv32, nxt_alloc32, sz_part32;
    BYTE *pte;
    BYTE hd, n_hd, sc, n_sc;

    /* 获取物理磁盘扇区总数 */
    if (disk_ioctl(drv, GET_SECTOR_COUNT, &sz_drv) != RES_OK) return FR_DISK_ERR;

    /* 在MBR中创建磁盘DPT信息 */
    sz_drv32 = (DWORD)sz_drv;
    /* 每柱面扇区数 */
    n_sc = N_SEC_TRACK; 
    /* 根据总扇区大小，计算出磁头个数 */           
    for (n_hd = 8; n_hd != 0 && sz_drv32 / n_hd / n_sc > 1024; n_hd *= 2) ;
    if (n_hd == 0) n_hd = 255;
    /* 清空MBR buf信息 */
    memset(buf, 0, FF_MAX_SS);      
    /* 偏移到DPT处， MBR_Table = 446 */
    pte = buf + MBR_Table;

    for (i = 0, nxt_alloc32 = n_sc; i < 4 && nxt_alloc32 != 0 && nxt_alloc32 < sz_drv32; i++, nxt_alloc32 += sz_part32) {
        /* 获取该分区总扇区数 */
        sz_part32 = (DWORD)plst[i]; 
        /* 计算该分区有效扇区总数， 如果传入参数是百分比大小，则根据磁盘百分比来计算 */
        if (sz_part32 <= 100) sz_part32 = (sz_part32 == 100) ? sz_drv32 : sz_drv32 / 100 * sz_part32;
        if (nxt_alloc32 + sz_part32 > sz_drv32 || nxt_alloc32 + sz_part32 < nxt_alloc32) sz_part32 = sz_drv32 - nxt_alloc32;    
        /* 如分区大小为零，则退出分区创建 */
        if (sz_part32 == 0) break;  
        /* 记录从磁盘开始到该分区的开始的偏移扇区数（相对扇区数）*/
        st_dword(pte + PTE_StLba, nxt_alloc32); 
        /* 记录该分区的总扇区数 */
        st_dword(pte + PTE_SizLba, sz_part32);  
        /* 记录系统ID */
        pte[PTE_System] = sys;                  
        /* 填充开始结束CHS*/
        cy = (UINT)(nxt_alloc32 / n_sc / n_hd); /* 开始柱面 */
        hd = (BYTE)(nxt_alloc32 / n_sc % n_hd); /* 开始磁头 */
        sc = (BYTE)(nxt_alloc32 % n_sc + 1);    /* 开始扇区 */
        pte[PTE_StHead] = hd;
        pte[PTE_StSec] = (BYTE)((cy >> 2 & 0xC0) | sc);
        pte[PTE_StCyl] = (BYTE)cy;

        cy = (UINT)((nxt_alloc32 + sz_part32 - 1) / n_sc / n_hd);   /* 结束柱面 */
        hd = (BYTE)((nxt_alloc32 + sz_part32 - 1) / n_sc % n_hd);   /* 结束磁头 */
        sc = (BYTE)((nxt_alloc32 + sz_part32 - 1) % n_sc + 1);      /* 结束扇区 */
        pte[PTE_EdHead] = hd;
        pte[PTE_EdSec] = (BYTE)((cy >> 2 & 0xC0) | sc);
        pte[PTE_EdCyl] = (BYTE)cy;
        /* 偏移到下一个分区表项地址，记录信息 */
        pte += SZ_PTE;  
    }
    /* 填充MBR结束标志 */
    st_word(buf + BS_55AA, 0xAA55);     /* MBR signature */
    /* 将数据写入到磁盘的第1个扇区0开始 */
    if (disk_write(drv, buf, 0, 1) != RES_OK) return FR_DISK_ERR;   /* Write it to the MBR */
    return FR_OK;
}

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FATFS之主引导记录（MBR）

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