FAT16文件系统详解

一、文件系统简介

文件系统是指计算机操作系统用于管理和组织计算机文件和目录的一种数据结构，是将数据存储到硬盘中的方法。在计算机存储系统中，文件系统是相当重要的一环，因为它将数据存储在硬盘中，并为系统提供了一些基本的文件管理功能，如创建、删除、查找、读取和写入等操作。常见的文件系统类型有NTFS、FAT32、EXT2/3、HFS和FAT16等。

二、FAT16文件系统

FAT16文件系统是Microsoft在DOS操作系统中使用的一种文件系统类型，广泛用于早期的PC和移动设备。FAT16文件系统中最大的特点就是文件名称的8.3命名规则，其中文件名最多可以使用8个字符，扩展名最多可以使用3个字符，例如“test.txt”文件的短文件名可以使用“TEST.TXT”、“TET.TX_”等等。在FAT16文件系统中，文件是通过磁盘上的文件分配表（File Allocation Table）来存储的，这个表格记录了磁盘上每个文件的位置和状态信息。文件分配表也是FAT16文件系统中最为重要的数据之一。

三、FAT16文件系统格式化

FAT16文件系统的格式化可以通过DOS系统中的Format命令来完成，例如：format c: /fs:fat，表示将C盘格式化成FAT16格式的文件系统。在格式化过程中，系统会在磁盘上创建引导扇区、文件分配表、根目录等各种数据结构，并将这些数据结构写入磁盘。在格式化FAT16文件系统时，需要指定磁盘格式为FAT16，并设置扇区大小、簇大小等参数。例如，对于1.44MB的软盘来说，扇区大小为512字节，簇大小为1个扇区，则卷总大小为1.44MB。

四、FAT16文件系统的操作

FAT16文件系统的常见操作包括文件的读取、写入、复制、删除等。读取文件时，系统首先通过文件名查找文件位置和大小信息，然后按照簇的顺序读取磁盘上的数据，将这些数据组合成一个完整的文件。写入文件时，系统首先要在文件分配表中找到一个空闲的簇，然后写入数据到这个簇中，最后修改文件分配表的对应记录。复制文件和删除文件也是类似的操作。

五、FAT16文件系统的缺点

虽然FAT16文件系统是早期计算机系统中广泛使用的一种文件系统，但它也存在一些缺点。首先，FAT16文件系统对文件名长度的限制比较严格，只能使用8个字符的文件名和3个字符的扩展名，这在一些应用场景中可能会造成不便。其次，FAT16文件系统对单个文件的大小也有限制，最大只能存储2GB的文件大小，当存储容量超过2GB时需要使用FAT32或NTFS等更先进的文件系统类型。此外，FAT16文件系统也存在一些安全性和稳定性问题，如文件的删除只是在文件分配表中标记为删除状态而不是真正删除，容易导致磁盘空间的浪费等问题。

六、FAT16文件系统的完整示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

//定义磁盘块大小
#define BLOCK_SIZE 512

//定义文件分配表占据的块数
#define FAT_BLOCKS 10

//定义FAT16文件名长度
#define FILENAME_LENGTH 8

//定义FAT16扩展名长度
#define EXTENSION_LENGTH 3

//定义文件分配表项结构体
struct fat16_fat_entry {
    unsigned short next_cluster;
};

//定义目录项结构体
struct fat16_directory_entry {
    unsigned char filename[FILENAME_LENGTH];
    unsigned char extension[EXTENSION_LENGTH];
    unsigned char attributes;
    unsigned short reserved;
    unsigned short created_time;
    unsigned short created_date;
    unsigned short last_accessed_date;
    unsigned short first_cluster_high;
    unsigned short last_modified_time;
    unsigned short last_modified_date;
    unsigned short first_cluster_low;
    unsigned int file_size;
};

//定义文件系统结构体
struct fat16_filesystem {
    char *image;
    int img_size;
    int fat_start_block;
    int rootdir_start_block;
    int data_start_block;
    int block_size;
    int fat_blocks;
    int rootdir_blocks;
    int clusters;
    int fat_entry_size;
};

//定义函数
void read_sector(struct fat16_filesystem *fs, char *buf, int sector);
void read_block(struct fat16_filesystem *fs, char *buf, int block);
void read_fat_entry(struct fat16_filesystem *fs, struct fat16_fat_entry *entry, int cluster);
void write_fat_entry(struct fat16_filesystem *fs, struct fat16_fat_entry *entry, int cluster);
void read_directory_entry(struct fat16_filesystem *fs, struct fat16_directory_entry *entry, int block, int index);
void write_directory_entry(struct fat16_filesystem *fs, struct fat16_directory_entry *entry, int block, int index);

//主函数
int main(int argc, char *argv[]) {
    struct fat16_filesystem fs;
    char buf[BLOCK_SIZE];
    struct fat16_directory_entry rootdir_entry;
    char filename[] = "test.txt";
    char contents[] = "Hello, World!";
    int cluster, index;
    int i;

    //读取FAT16文件系统映像
    FILE *fp = fopen("fat16.img", "rb");
    fseek(fp, 0, SEEK_END);
    fs.img_size = ftell(fp);
    fseek(fp, 0, SEEK_SET);
    fs.image = malloc(fs.img_size);
    fread(fs.image, fs.img_size, 1, fp);
    fclose(fp);

    //计算FAT16文件系统数据结构
    fs.block_size = BLOCK_SIZE;
    fs.fat_blocks = FAT_BLOCKS;
    fs.fat_entry_size = sizeof(struct fat16_fat_entry);
    fs.rootdir_blocks = 1;
    fs.clusters = (fs.img_size / BLOCK_SIZE) - (1 + FAT_BLOCKS + fs.rootdir_blocks);
    fs.data_start_block = 1 + FAT_BLOCKS + fs.rootdir_blocks;
    fs.fat_start_block = 1;
    fs.rootdir_start_block = 1 + FAT_BLOCKS;

    //创建文件
    cluster = fs.data_start_block;
    for(i=0; iimage[sector*fs->block_size], fs->block_size);
}

//读取磁盘块
void read_block(struct fat16_filesystem *fs, char *buf, int block) {
    memcpy(buf, &fs->image[block*fs->block_size], fs->block_size);
}

//读取FAT表项
void read_fat_entry(struct fat16_filesystem *fs, struct fat16_fat_entry *entry, int cluster) {
    char fat_entry[fs->fat_entry_size];
    read_block(fs, fat_entry, fs->fat_start_block + (cluster / (fs->block_size / sizeof(struct fat16_fat_entry))));
    memcpy(entry, &fat_entry[(cluster % (fs->block_size / sizeof(struct fat16_fat_entry))) * sizeof(struct fat16_fat_entry)], sizeof(struct fat16_fat_entry));
}

//写入FAT表项
void write_fat_entry(struct fat16_filesystem *fs, struct fat16_fat_entry *entry, int cluster) {
    char fat_entry[fs->fat_entry_size];
    read_block(fs, fat_entry, fs->fat_start_block + (cluster / (fs->block_size / sizeof(struct fat16_fat_entry))));
    memcpy(&fat_entry[(cluster % (fs->block_size / sizeof(struct fat16_fat_entry))) * sizeof(struct fat16_fat_entry)], entry, sizeof(struct fat16_fat_entry));
    write_block(fs, fat_entry, fs->fat_start_block + (cluster / (fs->block_size / sizeof(struct fat16_fat_entry))));
}

//读取目录项
void read_directory_entry(struct fat16_filesystem *fs, struct fat16_directory_entry *entry, int block, int index) {
    char dir_entry[32];
    read_block(fs, dir_entry, block+index);
    memcpy(entry, dir_entry, sizeof(struct fat16_directory_entry));
}

//写入目录项
void write_directory_entry(struct fat16_filesystem *fs, struct fat16_directory_entry *entry, int block, int index) {
    char dir_entry[32];
    memcpy(dir_entry, entry, sizeof(struct fat16_directory_entry));
    write_block(fs, dir_entry, block+index);
}