File Allocation Table

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Das File Allocation Table (FAT [fæt]; auf Deutsch etwa „Dateizuordnungstabelle“) ist ein Dateisystem und wurde von Seattle Computer Products für dessen Betriebssystem QDOS, dem direkten Vorgänger von MS-DOS, entwickelt.

[Bearbeiten] Hintergrund

FAT war die einzige bedeutende Neuerung von QDOS gegenüber CP/M. Nach langen Rechtsstreitigkeiten und einem zweijährigen Patentierungsverfahren wurde am 10. Januar 2006 das Patent und die damit verbundene enorme Marktmacht für FAT (FAT12, -16, -32, etc.) der Herstellerfirma Microsoft zugesprochen. Zu der Familie der FAT-Dateisysteme gehören:

FAT12 (wird heute immer noch für jede DOS- oder Windows-Diskette gebraucht)
FAT16 (wird heute meist auf allen Arten von mobilen Datenträgern verwendet, die kleiner als 2 GiB sind.)
FAT32 (wird z. B. in allen Arten von mobilen Speichern von mehr als 2 GiB Kapazität genutzt. Von neueren DOS-Systemen unterstützt. WinXP kann auch auf FAT32 installiert werden, ist dadurch teilweise auch schneller.
FATplus (Erweiterung für FAT16 (theoretisch) und FAT32, erhöht die maximale Größe einer Datei von 4 auf 256 GiB) (Wird derzeit unter anderem von Enhanced Dr-DOS unterstützt)
(VFAT)

[Bearbeiten] Aufbau

Ein FAT-Dateisystem gliedert sich in sechs Bereiche:

Bereiche auf einem FAT-Dateisystem
Bootsektor	reservierte Sektoren	FAT 1	FAT 2	Stammverzeichnis	Datenbereich

[Bearbeiten] Bootsektor

Der Bootsektor enthält einerseits ausführbaren x86-Maschinencode, der das Betriebssystem laden soll. An bestimmten Stellen enthält er jedoch Informationen über das FAT-Dateisystem.

Offset (hex) Länge (in Bytes) Inhalt

00 3 x86-Maschinencode. In der Regel eine Sprunganweisung zum Boot-Code, um die Datenbytes im Bootsektor zu überspringen

03 8 OEM Name (mit Leerzeichen aufgefüllt). MS-DOS ermittelt anhand dessen, welche Struktur die übrigen Daten im Bottsektor haben^[1]^[2]. Übliche Werte sind IBM 3.3 (mit zwei Leerzeichen zwischen "IBM" und "3.3") und MSDOS5.0.

0B 2 Bytes pro Sektor. (Gültige Werte sind: 512, 1024, 2048 und 4096. In der Regel ist der Wert 512)

0D 1 Sektoren pro Cluster (Zweierpotenz zwischen 1 und 64, ggf. auch 128)

0E 2 Anzahl reservierter Sektoren (inkl. Bootsektor, also stets mind. 1)

10 1 Anzahl der FAT-Kopien (in der Regel: 2)

11 2 Maximale Anzahl an Verzeichniseinträgen im Stammverzeichnis (Ungenutzt bei FAT 32 und stets 0000_hex)

13 2 Gesamtsektoranzahl des Mediums (max. 65535, bei größeren Medien ist dieser Wert 0 und der eigentliche Wert steht als 4-Byte-Wert an Offset 20_hex. Bei FAT 32 stets ungenutzt.

Media Descriptor Byte. Gilt als veraltet und wird ab Windows Server 2003 nicht mehr beachtet

0xF8	Single sided, 80 Spuren, 9 Sektoren pro Spur
0xF9	Double sided, 80 Spuren, 9 Sektoren pro Spur
0xFA	Single sided, 80 Spuren, 8 Sektoren pro Spur
0xFB	Double sided, 80 Spuren, 8 Sektoren pro Spur
0xFC	Single sided, 40 Spuren, 9 Sektoren pro Spur
0xFD	Double sided, 40 Spuren, 9 Sektoren pro Spur
0xFE	Single sided, 40 Spuren, 8 Sektoren pro Spur
0xFF	Double sided, 40 Spuren, 8 Sektoren pro Spur

16 2 Anzahl der Sektoren pro FAT. (Bei FAT 32 ungenutzt und stets 0000_hex, siehe Offset 24_hex.)

18 2 Sektoren pro Spur

1A 2 Anzahl der Seiten bzw. Schreib-Lese-Köpfe

1C 4 Anzahl der versteckten Sektoren vor dem Bootsektor. Bei Festplatten ist dies die Anzahl der Sektoren zwischen Master Boot Record und Bootsektor der ersten primären Partition. Bei nicht partitionierten Medien stets 0.

20 4 Gesamtsektoranzahl, falls größer als 65535

Anschließend unterscheiden sich die Daten, je nach FAT-Variante. Bei FAT 12 und FAT 16 folgt folgende Datenstruktur:

Offset (hex)	Länge (in Bytes)	Inhalt
24	1	Physische Laufwerksnummer (00_hex bei Disketten, 80_hex, 81_hex,... bei Festplatten) Ist nur für Bootlaufwerke relevant, da diese Nummer beim Booten für BIOS-Aufrufe zum Zugriff auf das Medium benutzt wird.
25	1	Reserviert (stets 00_hex bei FAT 12/16)
26	1	Erweiterte Bootsignatur.
0x27	4	Dateisystems-ID (Seriennummer) Wird beim Anlegen des Dateisystems erzeugt und dient der Unterscheidung verschiedener Medien (z.B. bei Wechselmedien)
2B	11	Name des Dateisystems (max. 11 Zeichen, durch Leerzeichen aufgefüllt). Veraltet. Wird durch einen speziellen Verzeichniseintrag im Stammverzeichnis abgelöst
36	8	FAT-Variante, mit Leerzeichen aufgefüllt, z. B.: "`FAT12` ", "`FAT16` "
3E	448	x86-Maschinencode, der vom Bootloader verwendet wird.
1FE	2	BIOS-Bootsektorsignatur. Enthält die beiden Werte 0x55 0xAA, anhand derer das BIOS beim Booten einen gültigen Bootsektor erkennt.

FAT 32 benutzt eine davon abweichende Struktur ab Offset 24_hex:

Offset	Länge (in Bytes)	Inhalt
24	4	Anzahl der Sektoren pro FAT
28	2	FAT Flags
2A	2	FAT-32-Version derzeit stets 0000_hex. Für eventuelle spätere Erweiterungen
2C	4	Clusternummer, an der das Stammverzeichnis beginnt. Meistens 2.
30	2	Sektornummer des "FS Information Sector" (In der Regel: 1)
32	2	Sektornummer der Bootsektorkopie (in der Regel: 6, Microsoft empfielt, keinen anderen Wert zu benutzen)
34	12	Reserviert für spätere Erweiterungen. Derzeit stets 0.
40	1	Physische BIOS-Laufwerksnummer
41	1	Reserviert
42	1	Signatur
43	4	Dateisystems-ID (Seriennummer)
47	11	Name des Dateisystems (Ungenutzt)
52	8	FAT-Version. Stets: "`FAT32&& nbsp;nbsp;`"
5A	420	x86-Maschinencode des Bootloaders
1FE	2	BIOS-Bootsektorsignatur. Enthält die beiden Werte 55_hex AA_hex, anhand derer das BIOS beim Booten einen gültigen Bootsektor erkennt.

[Bearbeiten] Reservierte Sektoren

Zwischen Bootsektor und der ersten FAT können Sektoren reserviert werden, die vom Dateisystem nicht benutzt werden. Dieser Bereich kann von einem Bootmanager oder für betriebssystemspezifische Erweiterungen genutzt werden. Auf den meisten FAT-Dateisystemen existieren – außer dem Bootsektor – keine weiteren reservierten Sektoren. Die FAT folgt somit direkt im Anschluss an den Bootsektor.

[Bearbeiten] FAT

Die FAT ist eine Tabelle fester Größe in der über die belegten und freien Cluster eines FAT-Dateisystems buchgeführt wird. Ein Cluster ist die aus einem oder mehreren Sektoren bestehende Zuordnungseinheit, die von einer Datei belegt werden kann. Der Datenbereich ist eine feste Anzahl von Clustern eingeteilt. Zu jedem dieser Cluster existiert ein Eintrag in der FAT, der folgendes über den Cluster angeben kann:

Der Cluster ist nicht belegt,
- der Cluster ist frei.
- das Medium ist an der Position dieses Clusters beschädigt.
Der Cluster ist von einer Datei belegt,
- der nächste Cluster der Datei ist der Cluster mit der Nummer X.
- dies ist der letzte Cluster der Datei.

Die Größe (in Bit) und der Wertebereich der Tabellenträge unterscheiden sich zw. FAT 12, FAT 16 und FAT 32 wie folgt:

Bedeutung	Wert
Bedeutung	FAT 12	FAT 16	FAT 32
Freier Cluster	000₁₆	0000₁₆	00000000₁₆
Defekter Cluster	FF7₁₆	FFF7₁₆	FFFFFFF7₁₆
letzer Cluster einer Clusterkette	FF8₁₆...FFF₁₆	FFF8₁₆...FFFF₁₆	FFFFFFF8₁₆...FFFFFFFF₁₆
sonstiger Cluster einer Clusterkette	002 < X < FF6₁₆	002 < X < FFF6₁₆	002 < X < 0FFFFFFF₁₆

Die belegten Cluster einer Datei bilden eine verkettete Liste, die Clusterkette genannt wird.

Aufgrund ihrer grundlegenden Bedeutung für das Dateisystem existieren in der Regel zwei Kopien, um bei Datenverlust noch immer eine funktionsfähige andere FAT zu haben. Mit diversen Programmen ist eine Datenwiederherstellung in vielen Fällen möglich.

Auf Installationsdisketten oder mit Spezialprogrammen formatierten Medien findet man manchmal keine zweite FAT, wodurch der verfügbare Speicherplatz etwas größer wird. Theoretisch ist es auch möglich, ein Dateisystem mit mehr als zwei FAT-Kopien zu formatieren. Diese Dateisysteme können zwar in der Regel von jedem Betriebssystem gelesen werden, jedoch wird die dritte (und jede weitere FAT-Kopie) bei Schreibzugriffen meist nicht aktualisiert, so dass bei Beschädigung der ersten beiden FATs oft keine Reparatur über die weiteren Kopien möglich ist.

[Bearbeiten] Stammverzeichnis

Das Stammverzeichnis (engl. "root directory"), auch Wurzelverzeichnis genannt, ist eine Tabelle von Verzeichniseinträgen. Jede Datei oder Unterverzeichnis wird in der Regel durch je einen Verzeichniseintrag repräsentiert. Die bei Windows 95 eingeführte Erweiterung um "Lange Dateinamen" benutzt jedoch ggf. mehrere Verzeichniseinträge pro Datei/Verzeichnis, um die langen Dateinamen unterzubringen.

Das Stammverzeichnis folgt bei FAT 12 und FAT 16 direkt der FAT und hat eine feste Größe, und damit die Maximalanzahl an Verzeichniseinträgen. Diese wird beim Formatieren des Dateisystems festgelegt und kann später – außer mit Spezialsoftware – nicht mehr geändert werden.

Bei FAT 32 hat das Stammverzeichnis eine variable Größe und kann sich an beliebiger Position im Datenbereich befinden.

Je nach Medientyp gibt es unterschiedliche Vorgabegrößen für das Stammverzeichnis. Mit speziellen Formatierungsprogrammen lässt sich jedoch die Größe des Stammverzeichnisses frei wählen. So existieren beispielsweise Installationsdisketten, die nur sehr wenige Archivdateien enthalten, oft nur ein minimales Stammverzeichnis, das nur 1 Sektor groß ist und somit nur Platz für 16 Verzeichniseinträge bietet.

Medientyp	Speicherkapazität	Anzahl der Verzeichniseinträge	Sektoren für Stammverzeichnis
5 1/4" DD einseitig	180 KiB	64	4
5 1/4" DD beidseitig	320 KiB	64	4
5 1/4" DD beidseitig	360 KiB	112	7
5 1/4" HD beidseitig	1200 KiB	224	14
3 1/2" DD beidseitig	720 KiB	112	7
3 1/2" HD beidseitig	1440 KiB	224	14
3 1/2" ED beidseitig	2880 KiB	448	28
Festplatten	variabel	512	32

[Bearbeiten] Versionen

[Bearbeiten] FAT12

Mit der 1980 erschienenen ersten Version von QDOS wurde FAT als Dateisystem eingeführt. Anfangs wurden keine Unterverzeichnisse verwaltet. Dies änderte sich mit MS-DOS Version 2.0.

FAT12 wird nur auf Datenträgern bzw. Partitionen bis zu einer Größe von 16 MiB (16.777.216 Byte) eingesetzt; es ist bis heute auf allen FAT-formatierten 3,5″-Disketten im Einsatz.

Merkmale:

12-Bit-Clusternummern, mit denen 2¹² = 4096 Cluster angesprochen werden können. Die Nummerierung der Cluster beginnt auf Disketten bei der Nummer 2.
Es werden nur Dateinamen im Schema 8.3 (acht Zeichen für den Dateinamen und drei Zeichen für die Dateinamenserweiterung) unterstützt.
Die Clustergröße beträgt 512 Byte bis 4096 Byte.
Das Hauptverzeichnis (Root-Directory) der Partition ist auf eine Größe von 14 Clustern beschränkt, hierdurch ergibt sich eine maximale Anzahl von 224 Einträgen (Verzeichnisse oder Dateien). Normalerweise wird der erste Eintrag durch die Bezeichnung des Datenträgers belegt.
Unterstützt die Dateiattribute "Schreibgeschützt", "Versteckt", "System" und "Archiv"
Es werden keine Berechtigungen für Dateien oder Ordner unterstützt

Lange Dateinamen auf Disketten

Um lange Dateinamen auf FAT12-Disketten einsetzen zu können, nutzt Windows die VFAT Erweiterung. Mehrere zusätzliche Verzeichniseinträge liegen vor dem eigentlichen Verzeichniseintrag im FAT12-Format zur Speicherung des langen Dateinamens. Ältere Systeme (z. B. MS-DOS) ignorieren diese Verzeichniseinträge, da sie durch eine spezielle Kombination von Attributen markiert sind, u. a. als „Volume“ und „Hidden“.

[Bearbeiten] FAT16

FAT16 ist ein Dateisystem, das 1983 zu FAT12 dazukam. Durch die zunehmende Größe der eingesetzten Festplatten wurde eine Erweiterung des Adressraumes notwendig. Nun waren selbst mit 512-Byte Clustern insgesamt 32 MiB große Platten verwaltbar.

Da FAT12 nur noch für Disketten verwendet wird, ist es fast in Vergessenheit geraten. Allgemein wird heute deshalb oft auch das FAT16 nur als FAT bezeichnet. Allerdings benötigte das Server-Betriebssystem Novell-Netware bis zur Version 4.0 nur eine bis zu 16 MiB große „DOS“-Boot-Partition, die also (automatisch) mit FAT12 erzeugt wurde.

Es hat die folgenden Merkmale:

65.536 Einträge sind möglich, Allerdings nur 512 im Rootverzeichnis.
Es können 2¹⁶ − 12 = 65.524 Cluster angesprochen werden (12 Cluster reserviert FAT16, deshalb nicht 65.536).
8.3-Dateinamensformat
Die Partitionsgröße ist unter MS-DOS und Windows 9x (die auf DOS basieren) auf 2 GiB begrenzt. Windows NT, Enhanced DR-DOS können allerdings knapp unter 4 GiB große FAT16-Partitionen erzeugen und verwalten. (Clustergröße 64 KiB)
Die Cluster sind je nach Partitionsgröße zwischen 512 Byte und maximal 32 KiB groß.
Dateien dürfen bis 2 GiB groß werden, unter Windows NT und Enhanced DR-DOS 4 GiB.
Das Haupt-(Root-)Verzeichnis muss sich an einer bestimmten Position auf dem Datenträger befinden. Seine Größe wird bei Erstellung des Dateisystems festgelegt, d.h. es kann nicht wachsen.

Eine Weiterentwicklung erfolgte mit FAT32.

[Bearbeiten] VFAT

VFAT („Virtual FAT“) ist ein Dateisystem für die Verwaltung von Festplatten und Disketten unter Windows ab Version 95. Es ist nur eine Erweiterung des FAT-Formats und kann auf FAT16 und FAT12, seit Windows 98 auch auf FAT32 angewendet werden.

Als Windows 95 veröffentlicht wurde, hatten die Festplatten in einem PC um die 400 MiB Kapazität. FAT16 verwaltet 2¹⁶ = 65.536 Cluster. Selbst bei einer Clustergröße von 8.192 Byte sind 512 MiB adressierbar. Dies war für damalige Verhältnisse ausreichend (Maximalgrößen siehe FAT16).

Dennoch hatten die Designer von Windows 95 das Ziel, die Nutzung von langen Dateinamen zu ermöglichen. Durch einen Trick im Layout des Dateisystems wurde dies erreicht. Die Datei wird wie bisher als 8.3-Dateiname gespeichert, bei längeren Namen wird jedoch ein Alias in der Form xxxxxx~1.xxx verwendet, wobei die Nummer hochgezählt wird. Der lange Name wird dann über mehrere Verzeichniseinträge verteilt. Während bisher ein Eintrag auf eine Datei verwies, kann jetzt eine Datei mehrere Einträge mit je 32 Byte belegen. Das endgültige Format erlaubte bis zu 255 Zeichen lange Dateinamen und setzte konsequent auf Unicode als Zeichensatz mit der Kodierung UCS-2.

In bisher von Microsoft-Systemen nicht genutzten Bereichen des Eintrages mit dem 8.3-Dateiname wurden nun auch das Erstellungsdatum und das Datum des letzten Zugriffes gespeichert.

VFAT wird in Windows 95 und höher und in Windows NT 3.5 und höher unterstützt. Gelegentlich wird in der Literatur (insbesondere in WWW-Artikeln) auch fälschlich VFAT mit FAT32 gleichgesetzt.

[Bearbeiten] FAT32

FAT32 ist ein von Microsoft entwickeltes Dateisystem, das ab 1997 die Vorgängerversion FAT16 ergänzt hat. Partitionen kleiner als 512 MiB werden nach wie vor mit FAT16 erzeugt, von 512 MiB bis 2 GiB hat man die Wahl, ab 2 GiB wird FAT32 benutzt.

Es wurde mit Windows 95 OSR2 (Service Release 2), auch als Windows 95B bezeichnet, eingeführt. Die Adressierung arbeitet mit 32 Bit, wovon 4 Bit reserviert sind, sodass 2²⁸ = 268.435.456 Cluster adressiert werden können.

FAT32 kann außerdem mit Windows 98, Windows 2000, Windows ME und Windows XP sowie – anders als NTFS – problemlos auch mit FreeDOS, Enhanced DR-DOS und Linux verwendet werden. Da auch Macintosh-Computer darauf zugreifen können, bietet es sich als Dateisystem zum Austausch von Daten geradezu an.

Da bis zu einer Partitionsgröße von 8 GiB ein Cluster nur 4 KiB groß ist (bei der Standardformatierung), werden diese „kleinen und alten“ Platten verhältnismäßig besser ausgenutzt als mit FAT16, wo ein Cluster bis zu 32 KiB belegt (unter Windows NT oder Windows 2000 FAT16-Clustergröße maximal 64 KiB).

FAT32 hat die folgenden Merkmale:

Es werden bis zu 2²⁸ = 268.435.456 Cluster verwendet.
Da VFAT unterstützt wird, sind lange Dateinamen (bis 255 Zeichen) möglich.
Die Partitionsgröße ist auf 8 TiB begrenzt.
Die Cluster sind je nach Partitionsgröße zwischen 512 Byte und maximal 32 KiB groß.
Dateien dürfen bis zu 4 GiB − 1 Byte (= 4.294.967.295 Bytes) groß werden (dies ist vermutlich heute die bedeutendste Einschränkung).
Es können 2²⁸ Dateien abgelegt werden.
Das Haupt-(Root-)Verzeichnis muss sich nicht an einer bestimmten Position auf dem Datenträger befinden und hat vor allem keine festgelegte Größe; bei den anderen FAT-Varianten wird die maximale Anzahl der Einträge im Hauptverzeichnis bei der Formatierung festgelegt und kann nachträglich nicht geändert werden.
Alte DOS-/Windows-Versionen (bis einschließlich Windows 95 A und Windows NT bis Version 4.0, MS-DOS bis 6.22, DR-DOS bis 7.03) können nicht darauf zugreifen. Für Windows NT 4.0 gibt es aber einen kostenpflichtigen Treiber von einem Dritthersteller; die kostenlose Variante ermöglicht nur einen Lesezugriff.
Unter Windows 2000 und Nachfolgern darf der Benutzer mit der eingebauten Funktion „Formatieren“ maximal 32 GiB große FAT32-Dateisysteme neu erstellen (von Microsoft aufgezwungene Beschränkung, siehe Weblinks). Auch das Kommandozeilen-Programm format.com (im System32-Verzeichnis, Aufruf z. B. format x: /fs:fat32) hat diese Beschränkung. Der Zugriff auf größere FAT32-Dateisysteme, die mit alternativen Werkzeugen (wie z. B. mit dem Befehl mkdosfs unter Knoppix bzw. Linux, h2format von Heise C't (siehe Weblinks), oder einem neuen DOS) erstellt wurden, ist aber immer möglich. Auch das Festplatten-Dienstprogramm von Mac OS X 10.4 kann auf Festplatten, die größer als 32 GB sind, eine oder mehrere übergroße FAT32-Partitionen erzeugen.
Es gibt mehrere moderne DOS-Systeme die FAT32 unterstützen: Enhanced Dr-DOS, FreeDOS 1.0 und Datalight ROM-DOS.