文件系統(五)：exFAT 文件系統原理詳解

前言 exFAT是微軟2006年推出的一種文件系統，距今已快二十年，相比於FAT16和FAT32，exFAT還是算年輕。exFAT一直是微軟的一個專用文件系統，直到2019年微軟發佈它的規範，目前微軟擁有exFAT多個元素的專利，如果產品上使用exFAT，需要微軟授權，否則有可能侵權。 exFAT被 ...

前言

exFAT是微軟2006年推出的一種文件系統，距今已快二十年，相比於FAT16和FAT32，exFAT還是算年輕。exFAT一直是微軟的一個專用文件系統，直到2019年微軟發佈它的規範，目前微軟擁有exFAT多個元素的專利，如果產品上使用exFAT，需要微軟授權，否則有可能侵權。

exFAT被SD協會採用作為大於32GB SDXC卡的預設文件系統，在win11系統上，SDXC卡預設格式化選項已經沒有FAT32選項，exFAT文件系統的使用範圍正逐漸擴大。

為啥微軟要用exFAT來代替FAT32呢？

因為exFAT數據結構開銷比NTFS低，但它又可以突破FAT32 單個文件大小和分區大小的限制。

文件系統(一)：存儲介質、原理與架構

文件系統(二)：分區、格式化數據結構

文件系統(三)：嵌入式、電腦系統啟動流程與步驟

文件系統(四)：FAT32文件系統實現原理

(一)磁碟佈局

在Windows系統上將一張TF卡格式化成exFAT文件系統，發現它是將整個TF格式化成了exFAT文件系統，沒有前面介紹的MBR和GPT分區表信息。

整體分為5個部分：

DBR及其保留扇區
FAT 文件分配表
簇號點陣圖
大寫字元
目錄和文件(根目錄在該區最開始位置)

(1) DBR

DBR 中主要有：跳轉指令，OEM代號、BPB參數、引導程式、結束標誌組成。這裡只介紹BPB(BIOS Parameter Block，BIOS參數塊)，其它部分在前面其它文章中已經有介紹過了。

根據上面第0扇區的DBR信息，可以解析exFAT的BPB參數如下：

從上面解析的數據我們可以知道：

FAT表在第2048扇區
簇位號圖在第4096扇區=首簇起始扇區號=第2號簇
大寫字元在第4160扇區=簇位號圖的下一個簇=4096 + 64 = =第3號簇
根目錄在第4224扇區=首簇起始扇區號 + 根目錄首簇號 - 2 = 4096 +(4-2)*64 = 第4號簇

(2) FAT表

與FAT32不同，exFAT只有一個FAT表，沒有備份

表項里的內容與FAT32的類似：4個位元組表示一個簇，每個簇都有自己的編號，F8 表示介質類型為硬碟，寫入4個FF，表示結束標誌。具體可查看上一篇文件系統(四)：FAT32文件系統實現原理

與FAT32不同的是：exFAT文件系統中FAT表中記錄的是不連續存儲文件的簇鏈，如果是連續的簇鏈，在FAT表中不會體現。

上面exFAT文件系統FAT表中為0的簇，並不能表示該簇是未使用，也有可能它是連續簇

exFAT文件系統的簇使用情況，是通過簇位號圖來實現的

(3) 簇號點陣圖

簇點陣圖中的每一個位，實際映射到數據區中的每一個簇。

如果對應簇已經被使用，簇點陣圖上對應該簇的位值就是1，否則就為0

上面我們看，簇點陣圖上的值為：FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 03

FF = 11111111b = 8個簇，11個FF表示88個簇，03的二進位位11b，表示2個簇

FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 03 表示從第2號簇到92號簇的90個簇號已經被使用了。

為什麼這裡是從第2號簇開始呢？

因為0號和1號FAT項有特殊用途，無法與數據區中的簇形成映射，只能從2號FAT項開始與數據區中的第一個簇映射，所以數據區中的第一個簇也就編號為2號簇。

(4)大寫字元元文件

exFAT是一個大小寫不敏感的文件系統

大寫字元元文件(UPCASE file)裡面存儲的是一個全局字元映射表，包含了所有可能字元的大小寫映射。

它主要作用是：大小寫轉換、文件名比較、國際化支持(跨語言)

(5) 目錄項

exFAT 包含4種目錄項

前面三個是系統目錄項我們就不分析了，簡單介紹一下用戶文件的目錄項以上圖中test3目錄為例進行分析：

第一個目錄項稱為“屬性1”，目錄項首位元組的特征值為“85H”；
第二個目錄項稱為“屬性2”，目錄項首位元組的特征值為“C0H”；
第三個目錄項稱為“屬性3”，目錄項首位元組的特征值為“C1H”。

第一目錄項

與FAT32 文件系統相比多了附屬目錄項數，校驗和,這裡重點介紹一下校驗和的作用。

校驗和

校驗和是用來確保目錄項數據的完整性和可靠性，防止和檢測目錄項數據損壞。

在目錄項讀取的時候，可以通過校驗和確定目錄項數據是否損壞或是被篡改。

第二目錄項

這裡需要註意文件碎片標誌和文件名Hash值兩個參數，這是FAT32文件系統不具有的功能。

文件碎片標誌

文件碎片是用來標記文件是否連續存儲。

如果值為0x03，表示文件是連續的，沒有碎片，在FAT表中不會有記錄。在文件讀取的時候，可以直接根據文件所在的起始簇號，直接進行數據連續讀取，而不需要去查找FAT表的中FAT項。

如果值為0x01，表示文件是不連續的，有碎片，在FAT表中會記錄該文件簇鏈，在文件讀取的時候，除了文件的起始簇號，還需要根據FAT表中的信息去尋找下一個簇號。

因為有了文件碎片標記，exFAT文件讀寫效率要比FAT32高。

文件名Hash值

文件名Hash值是用來加速文件查找過程，通過快速匹配Hash值減少詳細比較的次數。

在目錄查找過程中，通過先比較Hash值，可以減少實際需要比較完整文件名的次數。

如果Hash值不匹配，則文件名一定不匹配；如果Hash值匹配，再進行文件名的詳細比較。

第三目錄項

在exFAT 中沒有長文件名和短文件名的區分，統一記錄到文件名位置，如果文件名超出了第三目錄項空間，就繼續寫入到下一個目錄項中，

比如上面第一個文件 System Volume Information 的目錄項

(二)實現原理

這裡從文件創建、寫入、讀取、刪除、查找的角度來介紹一下exFAT文件系統的實現原理

(1)文件創建

根據簇號點陣圖查找空閑簇號
將簇號點陣圖中該簇號標記為已使用
目錄項中添加一個新的目錄條目，記錄新文件的元數據，包括文件名、文件大小、創建時間、起始簇號、HASH值、校驗和等信息

(2)文件寫入

通過目錄項找到文件的起始簇號
如果數據超過了一個簇大小，通過簇號點陣圖查找下一個可寫入的簇
如果下一個簇與當前簇不連續，則將簇號信息同步到FAT表中，同時目錄項文件碎片標誌設置為0x01
如果一下簇與當前簇是連續的，FAT表信息就不需要修改
更新目錄項的其它信息，比如文件大小和最後修改時間

(3)文件讀取

通過目錄項找到文件的起始簇號，通過件碎片標誌判斷文件是否連續
如果文件連讀，可根據起始簇號直接按序讀取
如果文件不連續，還需要根據FAT表查找下一個數據所在的簇號

(4)文件刪除

文件刪除是文件創建的一個逆過程

(5)文件查找

通過BPB(BIOS參數塊)定位到根目錄或是起始目錄位置
讀取目錄簇數據
計算目標文件名的Hash值
遍歷目錄，逐個比較目錄項的Hash值，如果Hash值相同，則進行文件名比較
文件名比較，使用UPCASE表(大寫字元元文件)進行大小寫無關的比較
檢查匹配結果,如果匹配，則讀取該目錄項的詳細信息併進行校驗
如果未找到匹配項且當前目錄有子目錄，遞歸進入子目錄繼續查找

(三)優缺點

優點

(1)支持大文件和大容量捲

FAT32 支持最大文件4GB、最大卷2TB、每子目錄最大支持65534個文件

exFAT 支持最大文件16EB、最大卷128PB、每子目錄最大支持2796202個文件

(2)輕量級和高相容性

exFAT與FAT32類似，文件系統的元數據比較小，適用於記憶體空間有限的嵌入式設備

同時，exFAT也可以相容Windows、Linux、macOS 這幾個常用操作系統

(3)支持元數據校驗

exFAT 目錄項上有校驗和參數，當目錄項內容損壞或是被篡改的時候，可以通過校驗和進行檢測

(4)效率比FAT32高

exFAT 採用簇號點陣圖+簇號鏈表的方式來管理簇號，比FAT32只能通過簇號鏈表的方式效率高

exFAT 文件查找的時候，首先是根據Hash值查找，在匹配文件名，比FAT32只能比較文件名效率高

缺點

(1)專利和授許可權制

微軟擁有exFAT的多項專利，使用exFAT在某些情況下可能會涉及專利和授權問題，尤其是對於商業產品。

(2)缺乏日誌功能

與NTFS相比，exFAT缺乏日誌功能，這意味著在突然斷電或系統崩潰時，數據損壞的風險更高。

(3)碎片問題：

雖然exFAT在一定程度上減輕了文件碎片的問題，但它依然沒有NTFS那麼高效地管理碎片。

結尾

以上就是關於exFAT文件系統的介紹，如有錯誤，歡迎在下麵評論區批評指正，不勝感激。下一篇將介紹ext4 或是ntfs 文件系統。

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