福州大学操作系统实验报告-文件系统的构建

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计算机操作系统实验三
【实验名称】：文件系统的构建（实验3）
【实验目的】：掌握磁盘的工作原理和操作系统进行文件管理的原理【实验原理】：硬盘的
MBR：MBR（MainBootRecord）,按其字面上的理解
即为主引导记录区，位于整个硬盘的0磁道0柱面1扇区。在
总共512字节的主引导扇区中，MBR只占用了其中的446个字节（偏移0000--偏移01BD），另外的64个字节（偏移01BE--偏移01FD）交给了DPT(DiskPartitionTable硬盘分区表,最后两个字节"55，AA"（偏移01FE-偏移01FF）是分区的结束标志。这个整体构成了硬盘的主引导扇区。大致的结构如图所示：

硬盘依据分区表中的信息把硬盘划分为最多四个分区（对于扩展分区，可进一步划分为多个逻辑分区）。U盘采用类似的方法划分分区。每个分区或软盘上可建立独立的文件系统。下图是FAT文件系统空间分布结构。

引
导扇区

FAT1
FAT2

根目录区
文件数据区
【实验内容】：在掌握磁盘的工作原理和操作系统进行文件管理原理的基础
上，自行设计实现在磁盘上建立文件系统的软件，该软件应该具有与Format类似的功能，至少支持一种文件系统格式，如FAT、NTFS或EXT2，至少能够对一种媒体进行格式化，如软盘，U盘或硬盘（不得在实验室的机器上进行硬盘格式

化的实验）等。不能直接调用操作系统提供的格式化工具或类似SHFormatDrive（）的高层系统函数实现该软件。在Windows环境可使用biosdisk(函数完成底层盘操作，在Linux环境上可参考format的源代码。比较自己设计实现的软件与FORMAT，分析存在什么异同。
一、背景知识
使用“DOC分区”体系时，磁盘的第一个——也就是0号扇区被称为主引导记录扇区，也称为主引导记录MBR（MasterBootrecorder，MBR）。
1、MBR数据结构
MBR由446个字节的引导代码、64字节的主分区（4个）表及两个字节的“55AA”是分区的结束标志。FAT文件系统的整体布局

2、说明
【1】保留区含有一个重要的数据结构——系统引导扇区（DBR）。FAT12、FAT16的保留区通常只有一个扇区，而FAT32的保留扇区要多一些，除0号扇区外，还有其他一些扇区，其中包括了DBR的备份扇区。
【2】FAT区由来年各个大小相等的FAT表组成——FAT1、FAT2，FAT2紧跟在FAT1之后。
【3】FAT12、FAT16的根目录虽然也属于数据区，但是他们并不由簇进行管理。也就是说FAT12、FAT16的根目录是没有簇号的，他们的2号簇从根目录之后开始。而FAT32的根目录通常位于2号簇。
3、典型的FAT32_DBR
【1】0x00~0x02：3个字节，跳转指令。
【2】0x03~0x0A：8个字节，文件系统标志和版本号，这里为MSDOC5.0。【3】0x0B~0x0C：2个字节，每扇区字节数，512（0X0200）。【4】0x0D~0x0D：1个字节，每簇扇区数，8（0x08）。
【5】0x0E~0x0F：2个字节，保留扇区数，2050（0x0802）。【6】0x10~0x10：1个字节，FAT表个数，2。【7】0x11~0x12：2个字节，根目录最多可容纳的目录项数，FAT12/16通常为512。FAT32不使用此处值，置0。
【8】0x13~0x14：2个字节，扇区总数，小于32MB时使用该处存放。超过32MB时使用偏移0x20~0x23字节处的4字节存放。笔者的SD卡容量为2GB，所以不使用该处，置0.
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【9】0x15~0x15：1个字节，介质描述符，0xF8表示本地硬盘。
【10】0x16~0x17：2个字节，每个FAT表的大小扇区数（FAT12/16使用，FAT32不使用此处，置0）。
【11】0x18~0x19：2个字节，每磁道扇区数，63（0x003F）。【12】0x1A~0x1B：2个字节磁头数，255（0x00FF）。【13】0x1C~0x1F：4个字节，分区前已使用扇区数，【14】0x20~0x23：4个字节，文件系统大小扇区数。【15】0x24~0x27：4个字节，每个FAT表的大小扇区数。【16】0x28~0x29：2个字节，标记。【17】0x2A~0x2B：2个字节，版本号。
【18】0x2C~0x2F：4个字节，根目录簇号，2。（虽然在FAT32文件系统下，根目录可以存放在数据区的任何位置，但是通常情况下还是起始于2号簇）
【19】0x30~0x31：2个字节，FSINFO（文件系统信息扇区）扇区号，1。（上图的标注即用黄色条纹的标注有误，请读者注意）该扇区为操作系统提供关于空簇总数及下一可用簇的信息。
【20】0x32~0x33：2个字节，备份引导扇区的位置，6。（上图的标注即用黄色条纹的标注有误，请读者注意）备份引导扇区总是位于文件系统的6号扇区。【21】0x34~0x3F：12个字节，未使用。
【22】0x40~0x40：1个字节，BIOSINT13H设备号，0x80。（这个我也不知道什么意思☺）
【23】0x41~0x41：1个字节，未用。
【24】0x42~0x42：1个字节，扩展引导标志。0x29。
【25】0x43~0x46：1个字节，卷序列号。通常为一个随机值。
【26】0x47~0x51：11个字节，卷标（ASCII码），如果建立文件系统的时候指定了卷标，会保存在此。笔者当时没有指定卷表，上图中的YCY是后来指定的。【27】0x52~0x59：8个字节，文件系统格式的ASCII码，FAT32。【28】0x5A~0x1FD：410个字节，未使用。该部分没有明确的用途。

本实验关键点：
FAT1起始扇区=DBR的扇区号+保留扇区号
根目录起始扇区=保留扇区数+一个FAT的扇区数×FAT表个数+(起始始簇号-2x每簇的扇区数
Fat32查找目录区簇号，在fat表中从根目录查起，直到其表项标记结束。使用到的工具：winhex（自行网上下载），a.c，b.c，c.c（将下面源码复制进相应文件里即可,linux下运行没问题，windows会报错）
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二、实验方案（如图）：

获取FAT32引
导记录
更改记录
写入引导记
录
清空分配表

三、预计实验结果：
将u盘格式化成fat32文件系统，8G容量。
四、关键代码：
a.c文件
读取FAT32DBR保存到tmp.txt
#include#include#include#includeintmain({intfd;charmbr[512];FILE*fp;chartmp[20];printf("input:\n";scanf("%s",tmp;fd=open(tmp,O_RDWR;//打开驱动器read(fd,mbr,sizeof(mbr;close(fd;fp=fopen("tmp.txt","w";fwrite(mbr,sizeof(mbr,1,fp;fclose(fp;}
b.c文件
#include#include#include#include

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#include#include//DBR结构
typedefstructFAT32_DBR{charBS_jmpBoot[3];//跳转指令charBS_OEMName[8];//操作系统的名称和版本号charBPB_BytesPerSec[2];//每扇区字节数charBPB_SecPerClus[1];//每簇扇区数charBPB_RsvdSecCnt[2];//保留扇区数目charBPB_NumFATs[1];//此卷中FAT表数charBPB_RootEntCnt[2];//FAT32为0charBPB_TotSec16[2];//FAT32为0charBPB_Media[1];//存储介质charBPB_FATSz16[2];//FAT32为0charBPB_SecPerTrk[2];//磁道扇区数charBPB_NumHeads[2];//磁头数charBPB_HiddSec[4];//FAT区前隐扇区数charBPB_TotSec32[4];//该卷总扇区数charBPB_FATSz32[4];//一个FAT表扇区数charBPB_ExtFlags[2];//FAT32特有charBPB_FSVer[2];//FAT32特有charBPB_RootClus[4];//根目录簇号charFSInfo[2];//保留扇区FSINFO扇区数charBPB_BkBootSec[2];//通常为6charBPB_Reserved[12];//扩展用charBS_DrvNum[1];//charBS_Reserved1[1];//charBS_BootSig[1];//charBS_VolID[4];//charBS_FilSysType[11];//charBS_FilSysType1[8];//"FAT32"charleft[422];//剩余空间}fat32;
intmain({fat32mymbr;intfd,i;FILE*fp;chartmp[20];charini=0x00;charend2=0xff;printf("input:\n";

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scanf("%s",tmp;fp=fopen("tmp.txt","r";//从文件读取DBRfread(&mymbr,sizeof(fat32,1,fp;fd=open(tmp,O_RDWR;//打开驱动器if(fd<0{printf("error!\n";exit(1;}write(fd,&mymbr,sizeof(mymbr;//写入DBRprintf("SUCCESS!\n";close(fd;fclose(fp;return0;}
c.c文件
#include#include#include#include#include#includeintmain({intfd,i;chartmp[20];charini=0x00;intfat1,fat2,dir;fat1=1049600;fat2=8913408;dir=16777216;fat1+=12;fat2+=12;printf("input:\n";scanf("%s",tmp;fd=open(tmp,O_RDWR;//打开驱动器if(fd<0{printf("error!\n";exit(1;}lseek(fd,fat1,SEEK_SET;//跳到fat1位置for(i=0;i<100000;i++//清空分配表write(fd,&ini,1;lseek(fd,fat2,SEEK_SET;//跳到fat2位置for(i=0;i<100000;i++//清空分配表write(fd,&ini,1;lseek(fd,dir,SEEK_SET;//跳到dir位置

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}
for(i=0;i<10000;i++//清空目录表write(fd,&ini,1;printf("SUCCESS!\n";close(fd;return0;
五、傻瓜式操作步骤及实验代码分析

1，将上面代码存到a.c,b.c,c.c3个文件中，放到linux同一目录下就好了2，在windows下将实验U盘格式化成fat32文件系统(右击格式化就好了
3，在linux下插入U盘运行a.c程序，输入u盘物理地址（一般是/dev/sdb或者/dev/sdb1不懂的话可以通过fdisk-l指令查看，那个个字母是小写L）
会自动生成一个tmp.txt，复制到windows（这个就是标准的fat32文件系统dbr内容，可以通过winhex打开）
4，windows打开winhex软件，打开tmp.txt文件后得到上图。5，根据上面dbr的说明和图计算后可得到如下数据。
保留扇区数为Ox0802（高地址在前）=2050（十进制）每个fat表扇区数Ox3bff=15359（十进制）
FAT1起始扇区=DBR的扇区号+保留扇区号=0+2050=2050FAT2起始扇区=FAT1起始扇区+每个fat表扇区数
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根目录起始扇区=保留扇区数+一个FAT的扇区数×FAT表个数
得到以上数据后，将每个值乘以512（每个扇区的字节数），即可得到对应起始字节数。这些信息在代码3.c中有用到（注意每个u盘的这些信息都不一样）。本人U盘的值如下：
fat1=1049600;//fat1起始字节fat2=8913408;//fat2起始字节dir=16777216;//dir起始字节
6，现在先将刚才的U盘随便塞点东西进去，以便格式化完后看效果如果你没将u盘改成其他文件系统（就是没重新格式化成非fat32系统），省略步骤77，回到linux下，插入u盘，运行b.c文件，输入/dev/sdb（和刚才一样），他会自动将tmp.txt的内容重新写到u盘第一个扇区。
8，将c.c文件中fat1，fat2，dir设置成你自己dbr的（刚才教过怎么算了）


9，运行c.c程序，输入/dev/sdb就格式成功了。
六、调试过程

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七、实验结果：
更改了DBR，格式成8G优盘：


八、实验结果分析：
本实验只简单的对U盘格式化，没进行坏道检查等操作。实验先读取到FAT32的DBR，然后更改内容，或者原样写入U盘，清空分区，FAT1,FAT2,有遇到没有找到备份的FAT2情况。
实验实践了操作系统的理论知识，对文件系统的构建有了具体的认识。

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福州大学操作系统实验报告-文件系统的构建

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