MicroPython 简易块设备类实现：手把手教你从抽象接口到挂载 FAT 文件系统

1.块设备抽象基类的实现

前面我们讲到，MicroPython 没有提供块设备的操作方法，但是提供了一个抽象的块设备接口类，我们自定义块设备操作类需要符合 vfs.AbstractBlockDev 抽象类中定义的接口，才能实现在虚拟文件系统（VFS）中操作文件和存储设备。

以下是一个简单的 RAM 块设备实现示例（不建议实际使用，仅作演示）：

class RAMBlockDev:
    def __init__(self, block_size, num_blocks):
        self.block_size = block_size
        self.data = bytearray(block_size * num_blocks)

    def readblocks(self, block_num, buf):
        for i in range(len(buf)):
            buf[i] = self.data[block_num * self.block_size + i]

    def writeblocks(self, block_num, buf):
        for i in range(len(buf)):
            self.data[block_num * self.block_size + i] = buf[i]

    def ioctl(self, op, arg):
        if op == 4:  # 获取块数
            return len(self.data) // self.block_size
        if op == 5:  # 获取块大小
            return self.block_size

这里，vfs.AbstractBlockDev 是一个抽象基类，定义了块设备应该实现的基本接口，任何自定义块设备类必须实现这些方法，才能通过 VFS 使用它进行文件系统操作（如 littlefs、fatfs 等）；而 RAMBlockDev 类是一个具体的实现，它继承了 vfs.AbstractBlockDev 的接口，表示一个使用内存作为存储介质的块设备，它模拟了在块设备上进行读取和写入操作的行为，并提供了相应的 ioctl 实现来获取块设备的大小、块数等信息的方法。

在以下示例代码中，我们首先创建一个 AbstractBlockDevInterface.py 文件用于放置抽象基类：

# Python env   : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-        
# @Time    : 2024/9/18 下午12:15   
# @Author  : 李清水            
# @File    : AbstractBlockDevInterface.py.py       
# @Description : 定义了块设备的抽象基类 AbstractBlockDev

# ======================================== 导入相关模块 =========================================

# ======================================== 全局变量 ============================================

# ======================================== 功能函数 ============================================

# ======================================== 自定义类 ============================================

# 自定义抽象基类 AbstractBlockDev，表示块设备的基本操作接口
class AbstractBlockDev:
    """
​    AbstractBlockDev 类，定义符合 MicroPython 规范的块设备操作接口。

​    该类为块设备提供抽象接口，支持简单接口（块对齐操作）和扩展接口（任意偏移操作），
​    兼容 MicroPython 文件系统（如 FAT 和 littlefs）的驱动需求。实现者需至少支持
​    ioctl(4) 块数量查询，若需支持 littlefs 还需实现 ioctl(6) 块擦除功能。

​    Attributes:
​        (由具体子类实现以下属性)
​        block_size (int): 块大小（字节），通常通过 ioctl(5) 暴露
​        block_count (int): 总块数，通常通过 ioctl(4) 暴露

​    Methods:
​        __init__():
​            初始化块设备抽象基类
​        readblocks(block_num, buf, offset=0):
​            从设备读取数据块到缓冲区
​        writeblocks(block_num, buf, offset=0):
​            将数据写入设备或擦除块
​        ioctl(op, arg):
​            控制设备操作和查询参数

​    Note:
​        - 简单接口：要求缓冲区长度与块大小对齐（offset=0）
​        - 扩展接口：支持任意偏移和长度（offset≠0）
​        - 写入时必须遵守：
​            - 简单接口需自动处理擦除
​            - 扩展接口禁止隐式擦除
​    """
​    ​# 标准操作码常量（类属性）
    IOCTL_INIT = 1      # 设备初始化
    IOCTL_SHUTDOWN = 2  # 设备关闭
    IOCTL_SYNC = 3      # 数据同步
    IOCTL_BLK_COUNT = 4 # 获取块数量（必须实现）
    IOCTL_BLK_SIZE = 5  # 获取块大小（可选）
    IOCTL_BLK_ERASE = 6 # 块擦除（littlefs必需）

    def __init__(self) -> None:
        """
​        初始化块设备抽象基类。

​        Args:
​            None

​        Returns:
​            None

​        Note:
​            - 必须至少支持 ioctl(4) 获取块数量
​            - 实现 littlefs 需额外支持 ioctl(6) 块擦除
​        """
​        ​pass

    def readblocks(self, block_num: int, buf: bytearray, offset: int = 0) -> None:
        """
​        从设备读取数据块到缓冲区。

​        Args:
​            block_num (int): 起始块号（从 0 开始）。
​            buf (bytearray): 存储读取数据的缓冲区。
​            offset (int, optional): 块内字节偏移量（默认 0 表示完整块读取）。

​        Returns:
​            None

​        Raises:
​            OSError: 如果 block_num 无效（ENODEV）。
​            OSError: 如果读取失败（EIO）。
​            NotImplementedError: 如果扩展接口未实现（当 offset≠0）。
​        """
​        ​raise NotImplementedError("sub class must implement this method")

    def writeblocks(self, block_num: int, buf: bytearray | None, offset: int = 0) -> None:
        """
​        将数据写入块设备。

​        Args:
​            block_num (int): 目标块号（从 0 开始）
​            buf (bytearray | None): 要写入的数据（None 表示擦除块）
​            offset (int, optional): 块内字节偏移量（默认 0 表示完整块写入）

​        Returns:
​            None

​        Raises:
​            OSError: 如果 block_num 无效（ENODEV）
​            OSError: 如果写入失败（EIO）
​            OSError: 如果设备为只读（EROFS）
​            NotImplementedError: 如果扩展接口未实现（当 offset≠0）
​        """
​        ​raise NotImplementedError("sub class must implement this method")

    def ioctl(self, op: int, arg: int) -> int | None:
        """
​        设备控制操作。

​        Args:
​            op (int): 操作码（应使用类常量）：
​                - `AbstractBlockDev.IOCTL_INIT` (1)       : 设备初始化
​                - `AbstractBlockDev.IOCTL_SHUTDOWN` (2)   : 设备关闭
​                - `AbstractBlockDev.IOCTL_SYNC` (3)       : 数据同步
​                - `AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_COUNT` (4)  : 获取设备总块数（必须实现）
​                - `AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_SIZE` (5)   : 获取块大小（可选）
​                - `AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_ERASE` (6)  : 擦除块（littlefs 需要）

​            arg (int): 操作参数（依赖 op），部分操作无需参数：
​                - `IOCTL_BLK_ERASE` (6) 需要传入要擦除的块号
​                - 其他操作可传 `0` 或 `None`，由子类具体定义

​        Returns:
​            int | None:
​                - `IOCTL_BLK_COUNT` (4): 返回设备的总块数（int）
​                - `IOCTL_BLK_SIZE` (5) : 返回块大小（int）
​                - `IOCTL_BLK_ERASE` (6): 擦除成功返回 `0`
​                - 其他操作默认返回 `None`

​        Raises:
​            NotImplementedError: 如果子类未实现该方法
​        """
​        ​raise NotImplementedError("sub class must implement this method")

# ======================================== 初始化配置 ==========================================

# ========================================  主程序  ===========================================

该类设计的目的在于统一不同存储介质（Flash、RAM、SD 卡等）操作方法的同时支持 FAT/littlefs 等文件系统的底层驱动需求，并且支持提供简单接口（块对齐）和扩展接口（任意偏移）。

这里，我们按照官方文档中要求的方法定义 vfs.AbstractBlockDev 类：

在读块设备数据 readblocks 方法和写块设备数据 writeblocks 方法中，将偏移量 offset 设置为默认参数以支持非块对齐读取和任意长度数据的写入，并且对于设备控制操作 ioctl 方法，在类属性中定义了标准操作码常量：

# 标准操作码常量（类属性）
IOCTL_INIT = 1      # 设备初始化
IOCTL_SHUTDOWN = 2  # 设备关闭
IOCTL_SYNC = 3      # 数据同步
IOCTL_BLK_COUNT = 4 # 获取块数量（必须实现）
IOCTL_BLK_SIZE = 5  # 获取块大小（可选）
IOCTL_BLK_ERASE = 6 # 块擦除（littlefs必需）

2.RAM 块设备类的实现

具体的块设备类（如 RAM 块设备、SD 卡等）需要继承抽象基类 vfs.AbstractBlockDev，并实现其中的方法，我们在以下代码中实现了一个简单的 RAM 块设备 RAMBlockDev，RAMBlockDev 类放在单独的.py 文件中：

# Python env   : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-        
# @Time    : 2024/9/18 下午12:15   
# @Author  : 李清水            
# @File    : ram_block_dev.py.py       
# @Description : 继承 AbstractBlockDev 类，实现了一个简单的 RAM 块设备 RAMBlockDev，包括块的读写操作和设备控制功能

# ======================================== 导入相关模块 =========================================

# 导入虚拟文件块设备的抽象基类
from AbstractBlockDevInterface import AbstractBlockDev

# ======================================== 全局变量 ============================================

# 定义错误码常量，符合 POSIX 标准的错误码
ENOERR = 0       # 操作成功
EPERM = 1        # 操作不允许
EIO = 5          # I/O错误
ENODEV = 19      # 无效设备/块号
EROFS = 30       # 只读文件系统
EINVAL = 22      # 无效参数

# ======================================== 功能函数 ============================================

# ======================================== 自定义类 ============================================

class RAMBlockDev(AbstractBlockDev):
    """
​    RAM 模拟的块设备实现，使用内存字节数组作为存储介质

​    Attributes:
​        block_size (int): 每个块的字节大小（只读）
​        num_blocks (int): 设备总块数（只读）
​        initialized (bool): 设备初始化状态标志
​    """

​    ​def __init__(self, block_size: int, num_blocks: int) -> None:
        """
​        初始化RAM块设备

​        Args:
​            block_size (int): 每块字节大小（必须≥512）
​            num_blocks (int): 总块数（必须≥1）

​        Raises:
​            ValueError: 当block_size<512或num_blocks<1时抛出
​        """
​        ​# 检查参数
        if block_size < 512:
            raise ValueError("Block size must be ≥512 bytes")
        if num_blocks < 1:
            raise ValueError("At least 1 block required")

        # 块大小
        self.block_size = block_size
        # 块数量
        self.num_blocks = num_blocks
        # 创建一个字节数组作为设备存储
        self.data = bytearray(block_size * num_blocks)
        # 设备初始化状态标志
        self.initialized = False

    def readblocks(self, block_num: int, buf: bytearray, offset: int = 0) -> None:
        """
​        从设备读取数据（支持扩展接口）

​        Args:
​            block_num (int): 起始块号（0 ≤ block_num < num_blocks）
​            buf (bytearray): 接收数据的缓冲区
​            offset (int): 块内字节偏移量（默认为0）

​        Returns:
​            None

​        Raises:
​            OSError: 如果 block_num 越界（使用 ENODEV）。
​            OSError: 如果读取超出当前块范围（使用 EIO）。
​        """
​        ​# 检查 block_num 是否在合法范围内
        if not 0 <= block_num < self.num_blocks:
            raise OSError(ENODEV)

        # 计算读取的起始位置
        start = block_num * self.block_size + offset
        # 计算读取的结束位置
        end = start + len(buf)

        # 确保读取的数据不超出该块范围
        if end > (block_num + 1) * self.block_size:
            raise OSError(EIO)

        # 从设备存储中读取数据到缓冲区
        buf[:] = self.data[start:end]

    def writeblocks(self, block_num: int, buf: bytearray | None, offset: int = 0) -> None:
        """
​        写入数据到设备（支持擦除操作）

​        Args:
​            block_num (int): 目标块号（0 ≤ block_num < num_blocks）
​            buf (bytearray|None):
​                - bytearray: 要写入的数据
​                - None: 擦除指定块（offset必须为0）
​            offset (int): 块内字节偏移量（默认为0）

​        Returns:
​            None

​        Raises:
​            OSError: 如果 block_num 越界（使用 ENODEV）。
​            OSError: 如果写入超出当前块范围（使用 EIO）。
​            OSError: 如果擦除操作时 offset ≠ 0（使用 OSError(22) 表示无效参数）。
​        """
​        ​# 检查 block_num 是否在合法范围内
        if not 0 <= block_num < self.num_blocks:
            raise OSError(ENODEV)

        # 执行块擦除操作
        if buf is None:
            if offset != 0:
                # 无效参数，擦除必须整块进行
                raise OSError(EINVAL)
            # 擦除指定块
            start = block_num * self.block_size
            end = (block_num + 1) * self.block_size
            self.data[start:end] = bytes(self.block_size)
            return

        # 计算写入的起始位置
        start = block_num * self.block_size
        # 计算写入的结束位置
        end = start + len(buf)

        # 确保写入数据不超出该块范围
        if end > (block_num + 1) * self.block_size:
            raise OSError(EIO)

        # 将数据写入设备存储
        self.data[start:end] = buf

    def ioctl(self, op: int, arg: int | None = None) -> int | None:
        """
​        设备控制操作。

​        Args:
​            op (int): 操作码（应使用类常量）：
​                - AbstractBlockDev.IOCTL_INIT (1)       : 初始化设备。
​                - AbstractBlockDev.IOCTL_SHUTDOWN (2)   : 关闭设备。
​                - AbstractBlockDev.IOCTL_SYNC (3)       : 数据同步。
​                - AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_COUNT (4)  : 获取设备总块数（必须实现）。
​                - AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_SIZE (5)   : 获取块大小（可选）。
​                - AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_ERASE (6)  : 擦除块（littlefs 需要）。
​            arg (int | None, optional): 操作参数，依 op 而定：
​                - 对于 IOCTL_BLK_ERASE (6)：传入要擦除的块号（int）。
​                - 对于其他操作：可传 None 或 0，由子类具体定义。

​        Returns:
​            int | None:
​                - 对于 IOCTL_BLK_COUNT (4)：返回设备总块数（int）。
​                - 对于 IOCTL_BLK_SIZE (5) ：返回块大小（int）。
​                - 对于 IOCTL_BLK_ERASE (6)：擦除成功返回 0。
​                - 对于其他操作：默认返回 0 或 None。

​        Raises:
​            OSError: 如果擦除时块号越界（使用 ENODEV）。
​            OSError: 如果 op 不受支持（使用 EPERM）。
​        """
​        ​# 处理不同的操作
        # 初始化设备
        if op == AbstractBlockDev.IOCTL_INIT:
            self.initialized = True
            # 返回0表示初始化成功
            return 0
        # 关闭设备
        elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_SHUTDOWN:
            self.initialized = False
            return 0
        # 同步设备
        elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_SYNC:
            # 在RAM块设备中，写入操作会立即生效，所以不需要实现额外的同步操作
            # 返回0表示同步成功
            return 0
        # 获取块数
        elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_COUNT:
            # 返回块的总数量
            return self.num_blocks
        # 获取块大小
        elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_SIZE:
            # 返回块的大小
            return self.block_size
        # 擦除块
        elif op == AbstractBlockDev.IOCTL_BLK_ERASE:
            # 检查参数是否正确传入
            if arg is None:
                raise OSError(ENODEV)
            # 获取要擦除的块号
            block_num = arg
            if 0 <= block_num < self.num_blocks:
                # 计算擦除的起始位置
                start = block_num * self.block_size
                # 计算擦除的结束位置
                end = (block_num+1)*self.block_size
                # 将指定块的数据设置为全0（擦除）
                self.data[start:end] = bytes(self.block_size)
                # 返回0表示擦除成功
                return 0
            else:
                # 块号超出范围
                raise OSError(ENODEV)
        # 处理不支持的操作码
        else:
            # 抛出异常
            raise OSError(EPERM)

# ======================================== 初始化配置 ==========================================

# ========================================  主程序  ===========================================

RAMBlockDev 类模拟了一个基于 RAM 的块设备，使用内存中的 bytearray 来存储数据：

• 在初始化方法中，用 bytearray 创建一个内存缓冲区，模拟块设备的存储区域
• 提供 readblocks()、writeblocks() 和 ioctl() 接口，确保与 MicroPython 的 VFS（Virtual File System）兼容。
• 在控制和查询操作中，接收对应操作码和参数执行对应命令，支持设备初始化、同步、擦除等操作。

在初始化方法中，将多个块组织为连续的字节数组：

self.data = bytearray(block_size * num_blocks)

则可以得到一个块寻址公式，即 块N的起始地址 = N * block_size。

在读取操作 (readblocks)中，依次进行如下操作：

1. 计算读取的起始位置： start = block_num * self.block_size + offset。
2. 计算读取的结束位置： end = start + len(buf)。
3. 边界检查：
   1. block_num 是否超出范围（抛出 OSError(ENODEV)）。
   2. end 不能超过 block_num 的块大小，否则抛 OSError(EIO)。
4. ​数据复制：​buf[:] = self.data[start:end]：将 bytearray 切片赋值给 buf，避免 Python 额外分配内存。

在写入操作 (writeblocks)中，流程类似读取操作 (readblocks)，首先进行边界检查，接着计算写入地址的起始范围和结束范围，写入时直接修改 bytearray 以避免创建额外对象，除此之外，buf=None 时，执行擦除操作（将整个块填充为 0x00）。

在控制命令 ioctl() 中，根据输入的设备管理指令和入口参数来进行对应操作：

• IOCTL_INIT​​ (1)：​设备初始化，设置 self.initialized = True。
• IOCTL_SHUTDOWN​​ (2)：​设备关闭，设置 self.initialized = False。
• IOCTL_SYNC​​ (3)：​在 RAM 中无需同步，直接返回 0。
• IOCTL_BLK_COUNT​​ (4)：​返回 num_blocks 以供文件系统查询。
• IOCTL_BLK_SIZE​​ (5)：​返回 block_size。
• IOCTL_BLK_ERASE​​ (6)：​擦除单个块（设置为全 0x00）。
• 其他操作返回 OSError(EPERM)，表示不允许。

除此之外，我们定义了符合 POSIX 标准（Portable Operating System Interface，便携式操作系统接口）的错误码（errno），用于表示系统调用或库函数执行失败的原因：

• ​ENOERR = 0​ （无错误）​—— 操作成功。
• ​EPERM = 1​ （Operation not permitted）​—— 没有权限执行操作，例如普通用户尝试修改系统文件。
• ​EIO = 5​ （I/O error）​—— 输入/输出错误，例如磁盘读写失败。
• ​ENODEV = 19​ （No such device）​—— 设备不存在，通常是尝试访问未连接的外部设备。
• ​EROFS = 30​ （Read-only file system）​—— 试图在只读文件系统上执行写入操作。
• ​EINVAL = 22​ （Invalid argument）​—— 传递的参数无效，例如除零操作或越界访问。

我们可以在如下链接中进一步了解：

https://docs.particle.io/reference/device-os/api/debugging/posix-errors/

3.应用实验

以下代码可以在我们提供的资料包中的 elegance-devkit v1\Demo\72 FileSys_BlockDev 文件夹找到。

这个块设备可以用来创建文件系统并挂载，也可以创建文件或读写文件，在以下代码中，我们测试基于 RAM 的块设备 RAMBlockDev 类的功能，包括写入、读取和控制操作的验证，示例代码如下：

# Python env   : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-        
# @Time    : 2024/9/18 下午12:15   
# @Author  : 李清水            
# @File    : main.py       
# @Description : 测试 RAMBlockDev 类的功能，包括写入、读取和控制操作的验证

# ======================================== 导入相关模块 =========================================

# 导入自定义块设备实现类
from ram_block_dev import RAMBlockDev
# 导入虚拟文件类
import vfs
# 导入时间相关模块
import time

# ======================================== 全局变量 ============================================

# ======================================== 功能函数 ============================================

# ======================================== 自定义类 ============================================

# ======================================== 初始化配置 ==========================================

# 上电延时3s
time.sleep(3)
# 打印调试信息
print("FreakStudio : RAMBlockDev Write and Read Test")

# 创建一个块大小为512字节，共50个块的RAM块设备
bdev = RAMBlockDev(512, 50)
# 在块设备上创建一个 FAT 文件系统
vfs.VfsFat.mkfs(bdev)
# 将块设备挂载到虚拟文件系统的 /ramdisk 目录
vfs.mount(bdev, '/ramdisk')

# ========================================  主程序  ===========================================

# 在创建的虚拟文件系统中，创建一个文件 hello.txt，并打开文件
with open('/ramdisk/hello.txt', 'w') as f:
    # 写入内容
    f.write('FreakStudio : Hello World')

# 读取文件内容并打印
print(open('/ramdisk/hello.txt').read())

在这段代码中，我们首先创建一个块大小为 512 字节，总共 50 个块的 RAM 块设备，在块设备上创建一个 FAT 文件系统并将块设备挂载到 /ramdisk 目录，使其可以作为文件系统使用；然后在挂载的虚拟文件系统 /ramdisk 中创建一个名为 hello.txt 的文件并打开，向其中写入数据并读取。

烧录代码，打开终端，显示如下：

可以看到，成功创建了文件系统和文件，向文件中写入的数据被成功读取。

我们可以尝试读取 RAM 块设备 bdev 的块数据，首先创建一个大小为 512 字节的 bytearray 缓冲区：

buf = bytearray(512)

接着使用 bdev 的 readblocks 方法读取块数据，首先读取第 0 块数据，这是引导扇区数据：

>>> bdev.readblocks(0, buf, 0)
>>> buf
bytearray(b'\xeb\xfe\x90MSDOS5.0\x00\x02\x01\x01\x00\x01\x00\x022\x00\xf8\x01\x00?\x00\xff\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x80\x00).\x00!RNO NAME    FAT     \x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00U\xaa')

输出数据内容包括引导扇区签名、OEM 标识、BPB 关键参数等：

• ​引导扇区签名：​内容为 bytearray(b'\xeb\xfe\x90MSDOS5.0')，FAT 文件系统的引导扇区以 \xEB 开头，它是一个短跳转指令（JMP），用于跳过引导代码的部分内容，\x90 为填充字节。
• ​OEM 标识：​MSDOS5.0 表示这是 MSDOS 5.0 兼容的 FAT 文件系统。
• ​BPB 关键字段：​内容含义如下：

\x00\x02   # 每个扇区的字节数（通常为 512，即 0x0200）
\x01       # 每个簇的扇区数（1 个扇区）
\x01\x00   # 保留扇区数（通常为 1）
\x01       # FAT 表的个数（通常 2）
\x00\x02   # 根目录的条目数（32 个根目录条目）
2\x00\xf8  # 介质描述符（0xF8 表示硬盘）

除此之外还包括隐藏扇区数、每 FAT 表扇区数等信息。

• ​扩展 BPB 字段：​NO NAME 表示未命名卷，FAT12 表示格式化类型。
• ​引导扇区结束标志：​0x55 0xAA 是引导扇区的结束标志。

接着读取第一块数据，这是 FAT 表数据：

>>> bdev.readblocks(1, buf, 0)
>>> buf
bytearray(b'\xf8\xff\xff\xff\x0f\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00')

输出数据内容包括保留簇和文件簇链信息：

• ​保留簇：​\xf8\xff\xff\xff 是 FAT 的保留簇（0xFFF8），表示该扇区是 FAT 介质描述符。
• ​文件簇链信息：​之后的 \x0f\x00\x00\x00... 是 FAT 记录，表示已分配和空闲的簇，这里簇 2 为 0x000F，表示文件 hello.txt 独占簇 2。

然后我们读取第二块数据，这里为 FAT 目录区：

>>> bdev.readblocks(2, buf, 0)
>>> buf
bytearray(b'HELLO   TXT \x18\x00.\x00!R\x00\x00\x00\x00.\x00!R\x02\x00\x19\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00')

输出数据内容包括目前已经存储的文件目录信息：

• ​文件名：​HELLO TXT 表示文件名，符合 FAT16/FAT32 的 8.3 文件名格式，HELLO 为 8 字节的文件名，而 TXT 为 3 字节的扩展名。
• ​文件属性：​0x18 和 0x00 为文件属性位和保留位。
• ​文件信息：​.\x00!R\x00\x00\x00\x00.\x00!R\x02\x00 表示文件创建时间、起始簇号、大小等信息。

我们可以通过下面代码尝试寻找存储 hello.txt 文件内容的数据块：

search_str = b'FreakStudio : Hello World'

for block_num in range(50):  # 扫描所有50个块
    buf = bytearray(512)
    bdev.readblocks(block_num, buf, 0)
    if search_str in buf:
        print(f"Found file content in block: {block_num}")
        break

输出结果为 34，我们查看第 34 个块中内容：

Found file content in block: 34
>>> bdev.readblocks(34, buf, 0)
>>> buf
bytearray(b'FreakStudio : Hello World\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00')

可以看到验证无误，hello.txt 文件内容存储在第 34 个数据块中。

实际上，在文件系统格式化时，主要流程可以概括为：

1. 调用 bdev.ioctl(4) 获取块数量；
2. 调用 bdev.ioctl(5) 获取块大小；
3. 在存储介质写入 FAT 文件系统元数据：包括引导扇区、FAT 表、根目录区等。

在写入文件时，进行如下操作：

1. 文件系统查找空闲簇（调用 bdev.readblocks() 读取 FAT 表）；
2. 分配簇链并更新 FAT 表（调用 bdev.writeblocks()）；
3. 写入文件内容。

在读取文件时，进行如下操作：

1. 通过目录项定位文件起始簇。
2. 调用 bdev.readblocks() 读取文件数据。
3. 返回内容给应用层。