1. 目的

由于闪存设备容量日益增加，微软于 1996 年发布的 FAT32 系统不再能够满足需求。FAT32 的最大不足在于只支持最大 4 GB 的单个文件，这在很多情况下是不可接受的，也不满足 SDHD 标准的要求。于是微软在 2006 年发布了 exFAT 文件系统，又名 FAT64，旨在解决 FAT32 的诸多问题。

2. 结构

2.1 简介

• 磁盘空间
  • 主引导区域
  • 主引导备份
  • FAT 区域
    • FAT 1
    • FAT 2 （可选）
  • 数据区域
    • 簇堆对齐区
    • 簇堆
      • 簇堆分配位示图
      • 大写转换表
    • 数据区

2.2 详细说明

• 主引导区域

  位置	大小	块名
  0	1	引导扇区
  1	8	扩展引导扇区
  9	1	OEM 信息记录
  10	1	保留
  11	1	引导校验扇区

• 主引导备份区域

  位置	大小	块名
  12	1	引导扇区
  13	8	扩展引导扇区
  21	1	OEM 信息记录
  22	1	保留
  23	1	引导校验扇区

• FAT 区域

  位置	大小	块名
  24	fat_offset - 24	FAT队列
  fat_offset	fat_length	FAT 表1
  fat_offset + fat_length	fat_length	FAT 表2 （仅 TexFAT）

  注：TexFAT 为事务安全的 exFAT 文件系统（A transaction-safe exFAT）。

• 数据区域

  位置	大小	块名
  fat_offset + fat_length * fat_number	cluster_heap_offset - (fat_offset + fat_length * fat_number)	簇堆对齐（Cluster Heap Alignment）
  cluster_heap_offset	cluster_number $\times$ $2^{SectorsPerClusterShift}$	簇堆
  cluster_heap_offset + cluster_number $\times$ $2^{SectorsPerClusterShift}$	volume_length - (cluster_number $\times$ $2^{SectorsPerClusterShift}$)	数据区

2.3 簇堆

簇堆是 exFAT 文件系统设置簇是否保存数据的地方，其构造如下：

• Root Directory 根目录

• Files 文件

• Directories 目录

• Bitmap Allocation Table 簇堆分配位示图

• UP-Case Table 大写转换表

簇的分配状态由簇堆自己的 Bitmap Allocation Table 追踪。

• 簇堆分配位示图

  簇堆分配位示图，记录分区上所有簇的使用情况。每一个 bit 代表一个簇，0 表示空簇，1 表示该簇已被占用。起始簇号从 2 开始，也就是 BIT0 对应簇号 2，BIT1 对应簇号 3。簇堆分配位示图以文件存储的方式存在，一般对应根目录下第一个文件，也就是第二个目录项。他的大小由总簇数决定，占用 N 个簇的空间。

• 大写转换表

  大写表是一张 Unicode 字符映射图，每一个字符占用 2 个字节。文件名比较时，先把文件名格式转换成 Unicode，再通过该表把文件名转成大写 Unicode，转换完成后才进行文件名比较。大写表中的数据进行了部分压缩，压缩起始标志码 FFFFh，随后跟一个压缩长度。

2.4 目录结构

exFAT 使用树状结构来描述文件和目录之间的关系。根目录树定义目录在 RootDirectoryCluster 之中。子目录单向连接到它，(.) 和 (..) 目录指向自己本身和父目录，这像 FAT16/FAT32一样。每个 directory 包括一系列的目录条目，目录条目的优先等级如下：

• Primary Directory Entries

  1. Critical Primary Entries
  2. Benign Primary Entries

• Secondary Directory Entries

  1. Critical Primary Entries
  2. Benign Primary Entries

Critical entries 是必须项，benign entries 是可选的，Primary directory entries 对应文件系统中的条目，Secondary directory entries 是 primary directory entry 数据扩展和关联。一组 primary/secondary entries 组成 directory entry 设置文件或目录，设置第一个 directory entry 为 primary directory entry，所有子条目必须是 Secondary directory entries 。

3. 优点

exFAT 相较于之前 FAT 文件系统的优势在于：

• 可拓展至更大的磁盘大小，理论上 64 ZB，推荐最大 512 TB。相较 32 位限制的 FAT32 分区的 2 TB（每扇区 512 字节）大了很多。
• 理论的文件大小限制为 $2^{64} - 1$ 字节（16 EB - 1），而 FAT32 文件系统中单一文件限制大小为 $2^{32} - 1$ 字节（4 GB）。
• 簇大小最大可为每扇区225字节，最大32 MB。
• 由于采用了空余空间寻址，空间分配和删除的性能得以改进。
• 在单一文件夹内支持超过 $2^{16}$ 个文件。

4. 缺点

exFAT 比过去的 FAT 文件系统的劣势在于：

• 某些旧设备无法使用exFAT格式的存储卡。
• exFAT 为微软专有，专利授权方式不明确。夏普、RIM 分别和微软达成了 exFAT 授权协议。存在专利费。微软曾经为 FAT 的一部分申请专利。
• Windows XP SP3 之前的旧版 Windows 暂时不支持 exFAT。

5. 应用

如果有跨平台使用 u 盘 / 硬盘的需求，那 exFAT 将会是一个很好的选择（如果需要使用 Windows XP 或者更老的系统，那还是请使用 FAT32）。exFAT 在 Windows，MacOS，Linux 上均有原生支持，并且支持大文件的存储。