USB下文件系统

USB下文件系统如果你开发过USB相关项目，理解USB的一些基本概念，例如设备描述符、配置描述符、子类规范等，那么开发U盘只要概念清晰应该不难。

以下是我开发过程中的几个相关步骤：Ø 保证USB芯片正常工作，用其他USB成功项目验证硬件连接及固件的正确性Ø 按MassStorage协议Bulk－Only模式提供描述符，使PC机控制面板上设备类型出现MassStorageDeviceØ 响应SCSI指令集中Inquiry命令，可以出现盘符Ø 实现FAT16文件系统Ø 处理SCSI命令集中READ命令及其他UFI命令，可以访问盘符Ø 处理SCSI命令集中WRITE命令Ø U盘开发成功开发U盘有三个工具软件应该必备：l USBVIEW察看设备描述符，端点测试等；l BUSHOUND截取USB总线数据，可分析UFI命令及U盘返回的数据流；l 串口助手可实时了解U盘所收命令流及程序流程由于每个人知识面不同，我想实现上面的几个步骤遇到的问题也不一样。

对我最大的困惑是实现FAT16文件系统，直到在微软网站找到它的白皮书才算解惑。

这里简介一下方便大家有的放矢。

USB组织定义了海量存储设备类（MassStorageClass）的规范，这个类规范包括四个独立的子类规范，即：l USBMassStorageClassControl/Bulk/Interrupt(CBI)Transportl USBMassStorageClassBulk-OnlyTransportl USBMassStorageClassA TACommandBlockl USBMassStorageClassUFICommandSpecification。

前两个子规范定义了数据/命令/状态在USB上的传输方法。

Bulk-Only传输规范仅仅使用Bulk端点传送数据/命令/状态，CBI传输规范则使用Control/Bulk/Interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态传送。

后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。

ATA命令规范用于硬盘，UFI命令规范是针对USB移动存储。

Windows95OSR2和Windows98开始支持FAT32文件系统，它是对早期DOS的FAT16文件系统的增强，由于文件系统的核心--文件分配表FA T由16位扩充为32位，所以称为FAT32文件系统。

在一逻辑盘（硬盘的一分区）超过512兆字节时使用这种格式，会更高效地存储数据，减少硬盘空间的浪费，一般还会使程序运行加快，使用的计算机系统资源更少，因此是使用大容量硬盘存储文件的极有效的系统。

本人对Windows98下的FAT32文件系统做了分析实验，总体上与FAT16文件系统变化不大，现将有关变化部分简介如下：（一）FAT32文件系统将逻辑盘的空间划分为三部分，依次是引导区（BOOT区）、文件分配表区（FAT区）、数据区（DATA区）。

引导区和文件分配表区又合称为系统区。

（二）引导区从第一扇区开始，使用了三个扇区，保存了该逻辑盘每扇区字节数，每簇对应的扇区数等等重要参数和引导记录。

之后还留有若干保留扇区。

而FAT16文件系统的引导区只占用一个扇区，没有保留扇区。

（三）文件分配表区共保存了两个相同的文件分配表，因为文件所占用的存储空间（簇链）及空闲空间的管理都是通过FAT实现的，FAT如此重要，保存两个以便第一个损坏时，还有第二个可用。

文件系统对数据区的存储空间是按簇进行划分和管理的，簇是空间分配和回收的基本单位，即，一个文件总是占用若干个整簇，文件所使用的最后一簇剩余的空间就不再使用，而是浪费掉了。

从统计学上讲，平均每个文件浪费0.5簇的空间，簇越大，存储文件时空间浪费越多，利用率越低。

因此，簇的大小决定了该盘数据区的利用率。

FAT16系统簇号用16位二进制数表示，从0002H到FFEFH个可用簇号(FFF0H到FFFFH另有定义,用来表示坏簇，文件结束簇等)，允许每一逻辑盘的数据区最多不超过FFEDH(65518)个簇。

FAT32系统簇号改用32位二进制数表示，大致从00000002H到FFFFFEFFH个可用簇号。

FAT表按顺序依次记录了该盘各簇的使用情况，是一种位示图法。

每簇的使用情况用32位二进制填写，未被分配的簇相应位置写零；坏簇相应位置填入特定值；已分配的簇相应位置填入非零值，具体为：如果该簇是文件的最后一簇，填入的值为FFFFFF0FH，如果该簇不是文件的最后一簇，填入的值为该文件占用的下一个簇的簇号，这样，正好将文件占用的各簇构成一个簇链，保存在FAT表中。

0000000H、00000001H两簇号不使用，其对应的两个DWORD位置(FAT表开头的8个字节)用来存放该盘介质类型编号。

FAT表的大小就由该逻辑盘数据区共有多少簇所决定，取整数个扇区。

（四）FAT32系统一簇对应8个逻辑相邻的扇区，理论上，这种用法所能管理的逻辑盘容量上限为16TB(16384GB)，容量大于16TB时，可以用一簇对应16个扇区，依此类推。

FAT16系统在逻辑盘容量介于128MB到256MB时，一簇对应8个扇区，容量介于256MB 到512MB时，一簇对应16个扇区，容量介于512MB到1GB时，一簇对应32个扇区，容量介于1GB到2GB时，一簇对应32个扇区，超出2GB的部分无法使用。

显然，对于容量大于512MB的逻辑盘，采用FAT32的簇比采用FAT16的簇小很多，大大减少了空间的浪费。

但是，对于容量小于512MB的盘，采用FAT32虽然一簇8个扇区，比使用FAT16一簇16个扇区，簇有所减小，但FAT32的FAT表较大，占用空间较多，总数据区被减少，两者相抵，实际并不能增加有效存储空间，所以微软建议对小于512M的逻辑盘不使用FAT32。

另外，对于使用FAT16文件系统的用户提一建议，硬盘分区时，不要将分区(逻辑盘)容量正好设为某一区间的下限，例：将一逻辑盘容量设为1100M(稍大于1024M)，则使用时其有效存储容量比分区为950M的一般还少，因其簇大一倍，浪费的空间较多。

还有，使用FDISK等对分区指定容量时，由于对1MB的定义不一样(标准的二进制的1MB为1048576B，有的系统将1MB理解为1000000B，1000KB等),及每个分区需从新磁道开始等因素，实际分配的容量可能稍大于指定的容量，亦需注意掌握。

（五）根目录区（ROOT区）不再是固定区域、固定大小，可看作是数据区的一部分。

因为根目录已改为根目录文件，采用与子目录文件相同的管理方式，一般情况下从第二簇开始使用，大小视需要增加，因此根目录下的文件数目不再受最多512的限制。

FAT16文件系统的根目录区（ROOT区）是固定区域、固定大小的，是从FAT区之后紧接着的32个扇区，最多保存512个目录项，作为系统区的一部分。

（六）目录区中的目录项变化较多，一个目录项仍占32字节，可以是文件目录项、子目录项、卷标项(仅跟目录有)、已删除目录项、长文件名目录项等。

目录项中原来在DOS 下保留未用的10个字节都有了新的定义，全部32字节的定义如下：(1)0--7字节文件正名。

(2)8--10字节文件扩展名。

(3)11字节文件属性，按二进制位定义，最高两位保留未用，0至5位分别是只读位、隐藏位、系统位、卷标位、子目录位、归档位。

(4)12--13字节仅长文件名目录项用，用来存储其对应的短文件名目录项的文件名字节校验和等。

(5)14--15字节24位二进制的文件建立时间，其中的高5位为小时，次6位为分钟。

(6)16--17字节16位二进制的文件建立日期，其中的高7位为相对于1980年的年份值，次4位为月份，后5位为月内日期。

(7)18--19字节16位二进制的文件最新访问日期，定义同(6)。

(8)20--21字节起始簇号的高16位。

(9)22--23字节16位二进制的文件最新修改时间，其中的高5位为小时，次6位为分钟，后5位的二倍为秒数。

(10)24--25字节16位二进制的文件最新修改日期，定义同(6)。

(11)26--27字节起始簇号的低16位。

(12)28--31字节32位的文件字节长度。

其中第(4)至(8)项为以后陆续定义的。

对于子目录项，其(12)为零；已删除目录项的首字节值为E5H。

在可以使用长文件名的FAT32系统中，文件目录项保存该文件的短文件名，长文件名用若干个长文件名目录项保存，长文件名目录项倒序排在文件短目录项前面，全部是采用双字节内码保存的，每一项最多保存十三个字符内码，首字节指明是长文件名的第几项,11字节一般为0FH，12字节指明类型，13字节为校验和，26--27字节为零。

（七）以前版本的Windows和DOS与FAT32不兼容，不能识别FAT32分区，有些程序也依赖于FAT16文件系统，不能和FAT32驱动器一道工作。

将硬盘转换为FAT32，就不能再用双引导运行以前版本的Windows（Windows95[Version4.00.950]、WindowsNT3.x、WindowsNT4.0和Windows3.x）。

磁盘结构综述1.硬盘结构硬盘的内部是由圆形金属片堆叠起来的，每个盘片的两面都有一个磁头（Head）负责读写这个磁面（Side），在每个磁面上划分了一圈一圈的同心圆，叫做柱面（Cylinder）对于软盘通常称之为磁道，在每个柱面中又划分了若干段，称之为扇区（Sector）。

由于技术的发展，硬盘的密度越来越大，使得硬盘的实际盘片数越来越少，对磁盘操作的柱面、磁头、扇区被硬盘控制器内部转换，已经不是实际的柱面、磁头、扇区了。

由于最早时磁盘存取系统估计不足，传输数据时只给扇区留了6位，柱面留了10位，磁头留了8位。

也就是说，柱面最大只能为1023。

但是大硬盘的柱面远大于这个数，所以后来就采用将柱面数减少，将磁头数增加的方式来满足磁盘寻址的要求，对于实际地址的转换在BIOS中进行，这叫逻辑块寻址方式(LogicalBlockAddressing,LBA)硬盘中有关柱面、磁头、扇区的数据都是以此为基准的。

2.分区结构众多的文件数据存放在磁盘上，需要有组织，这就形成了文件系统。

但是各个操作系统的文件系统都不尽相同，为了划分管理文件系统，在现在的PC机上都采用通用的分区结构。

分区机构是这样的：硬盘的以一个扇区（就是0柱面0磁头1扇区）叫主引导扇区（MainBootRecord,MBR），存放着引导程序和主分区表(MainPartitionTable)和结束标志“55AA”。

一般称的分区表即是主分区表。

一个分区表最多可包含四个分区表项，每个分区表项中标示着一个分区信息或一个扩展分区表的位置，而扩展分区表中可能还有扩展分区表，这就形成了一个链状结构，可以记录很多个分区。