FAT文件系统原理及硬盘的物理与逻辑结构

FAT文件系统是一种常用的文件系统，被广泛应用于存储设备如硬盘、U盘和SD卡等中。本文旨在介绍FAT文件系统的原理和构建方式，以及数据在FAT文件系统中的存储方式。 首先，我们来了解一下硬盘的物理结构。硬盘是由一个或多个盘片、磁头和控制电路组成。盘片是由磁性物质镀覆在金属或玻璃等物质上的圆盘，而磁头则是位于盘片表面的装置，可以在不同区域读取和写入数据。当系统向硬盘写入数据时，磁头中的电流产生磁场，改变盘片表面磁性物质的状态，并保持在磁场消失后。当系统从硬盘中读取数据时，磁头经过盘片指定区域，盘片表面的磁场会使磁头产生感应电流或线圈阻抗发生变化，经过相关电路处理后将数据还原出来。因此，盘片表面的平滑度、磁头的设计精度以及盘片的旋转速度都会影响硬盘的读写能力和速度。 接下来，我们来介绍硬盘的逻辑结构。硬盘由多个盘片组成，每个盘片的每个面都被划分成若干个同心圆，我们将这些同心圆称为磁道。每个磁道又被划分成若干个等长的弧长，我们将这些弧长称为扇区。每个扇区都有一个唯一的地址（逻辑扇区号），系统通过地址来定位特定的扇区。为了使文件的读写更加高效，文件系统将磁道划分成若干个簇。簇是文件系统中最小的单位，它可以包含一个或多个扇区。在FAT文件系统中，每个簇的大小是固定的，通常为2个扇区到64个扇区不等。 FAT文件系统的构建是基于这样的逻辑结构的。FAT是指文件分配表（File Allocation Table），是一个存储文件分配信息的表。每个簇在FAT中都有一个对应的表项，用来记录该簇的状态。这些状态包括：该簇是文件的起始簇，该簇是文件的中间簇，该簇是文件的结束簇，或者该簇是空闲的。通过FAT，文件系统可以根据文件的起始簇找到文件的所有簇，从而读取或写入文件的数据。 在FAT文件系统中，还有一个根目录区，用来存储文件和文件夹的元数据信息。每个文件和文件夹都有一个目录项，目录项中包含了该文件或文件夹的名称、大小、起始簇号等信息。通过根目录区中的目录项，文件系统可以找到文件的元数据信息，然后根据起始簇号在FAT中找到文件的所有簇，最终读取或写入文件的数据。 总的来说，FAT文件系统利用硬盘的逻辑结构构建了一个存储文件的层次化结构，使得文件的读写更加高效。通过FAT表和根目录区，文件系统可以追踪文件的簇分配情况，并读取或写入文件的数据。FAT文件系统的优点是简单、可移植性好，被广泛应用在各种存储设备上。然而，由于FAT文件系统的较低簇利用率和较慢的读写速度，随着存储设备容量的增大和读写速度的提高，现代操作系统和存储设备更多地采用了其他文件系统，如NTFS和exFAT等。