解析PS2存储卡文件系统

互推小编 2023-12-29

01 前言

作为一个80后的游戏老玩家，PS2游戏机在我心中一直有着特殊的地位。时至今日，已经过去了20多年，然而，最近我因为模拟器的缘故重新接触到了它。在重温了一段时间游戏后，我突发奇想，能否通过现在的知识来回忆年少时的自己？于是，我开始了这一系列文章的创作，从分析PS2存储卡的文件系统开始，逐步深入的解析其文件存储机制及每个游戏的存档文件。我的目标是，最终通过Python和OpenGL，模拟出游戏存档中经典的3D人物旋转效果，以此来纪念这个曾经陪伴我度过青春时光的经典游戏机。

这是系列的第一篇作品，解析PS2存储卡的文件系统。

02 词汇表

存储卡 指PS2实体机使用的专用记忆卡介质，使用时插在主机上，与主机是相互独立的两个设备。
NAND闪存 PS2存储卡使用的内部芯片，一种非易失性存储设备。
存储卡文件 指PS2模拟器使用的存储卡镜像文件，保存在模拟器所在的电脑磁盘上，以.ps2为后缀。是我们这篇文章解析的目标。
SuperBlock 超级块，位于文件系统开头的固定部分，由存储卡格式化时写入，不可更改，记录了存储卡的基本硬件指标。
page 页，文件系统的最小读写单元，页的大小定义于超级块中。
cluster 簇，文件系统中的最小分配单位，要保存一个文件至少需要一个簇。簇的大小定义于超级块中。
block 块，文件系统的最小擦除单位，块的大小定义于超级块中。
擦除闪存初始化时页中的每一个bit都为1，写操作可以将bit置为0，但无法恢复为1。擦除是将bit恢复成1的唯一途径，但缺点是擦除以块为单位，哪怕只是修改一位数据，也得先擦除一个块，然后再用写操作把块的每一页恢复。这也是PS2游戏存档时普遍较慢的原因。
FAT 文件分配表，与FAT16和FAT32文件系统中的文件分配表类似。由于文件会保存在多个簇上，而簇可以是不连续的，为了确保在存取文件时能够检索到所有连续或不连续的簇地址，文件分配表采用了“簇链”这种链表的记录方式。
ifc 间接FAT簇indirect FAT cluster，是一个簇，其中保存有存储卡上FAT簇的列表。
ifc_list ifc的数组，定义于超级块中。通过它可以找到ifc簇。
ECC 纠错码（Error Correction Code），闪存特性，写入page时需要对每一页进行纠错码计算，并写入spare area中。
spare area 备用区域，为每一个页保存ECC的一段空间。
entry 条目，存储卡上保存的文件或目录的基本信息单元，比如：文件（目录）名、大小、第一个簇编号等。

03 文件系统结构

注：这里用标准的8M存储卡举例。

3.1 数据结构

从超级块中可得知页的大小是512字节，簇的大小是2个页。spare area可以根据公式(page_len / 128) * 4得到，是16字节，则文件系统基本数据结构如图：

3.2 逻辑结构

了解了最基本的数据结构，接下来我们划分一下存储卡的逻辑结构。如下图，一块存储卡大致能分为以下几个逻辑区块。（黑白部分本文不涉及，可以忽略。）注意：组成逻辑区块的最小单位是簇。

超级块

位于整个文件开头（也就是第一个簇）的前340个字节，这是文件系统中唯一具有固定位置的部分。下图示意了一个存储卡文件的超级块。

注：PS2存储卡的字节序是小端序Little-endian。

Offset	Name	Length	Default	Description
0	magic	byte[28]	-	固定字符串"Sony PS2 Memory Card Format"，表明该卡已成功初始化
28	version	byte[12]	1.X.0.0	版本号
40	page_len	uint16	512	`page`的大小(以字节为单位)
42	pages_per_cluster	uint16	2	簇中的页数
44	pages_per_block	uint16	16	块中的页数
46	-	uint16	0xFF00	未知
48	clusters_per_card	uint32	8192	卡的总大小(以簇为单位)
52	alloc_offset	uint32	41	第一个可分配簇
56	alloc_end	uint32	8135	最后一个可分配簇
60	rootdir_cluster	uint32	0	根目录的第一个簇，相对于alloc_offset
64	backup_block1	uint32	1023	本文无用
68	backup_block2	uint32	1022	本文无用
80	ifc_list	uint32[32]	8	间接 FAT 簇列表，在标准 8M 卡上只有一个间接 FAT 簇
208	bad_block_list	uint32[32]	-1	本文无用
336	card_type	byte	2	必须是2，说明这是一张PS2存储卡
337	card_flags	byte	0x52	存储卡的物理特性

字段page_len、pages_per_cluster、pages_per_block和cluster_per_card定义文件系统的基本几何结构。可以使用ifc_list访问FAT，rootdir_cluster给出根目录的第一个簇。FAT和目录项中的簇偏移量都与alloc_offset相关。

FAT

文件分配表是一个链表，当你找到一个文件的起始簇时，你想象有两个线程，线程x用来读取这个簇里的内容（即数据），线程y去FAT里寻找下一个簇，交由x读取，然后不断循环，当然两个线程不是必须的。这里引用一张图说明一下这种工作方式：

已知文件A，起始簇是8
线程x去簇8读取第一块数据A0
线程y去FAT查找8的下一个簇是13
线程x继续读取簇13的数据A1
线程y去FAT查找13的下一个簇是7
不断循环

图片来源：https://www.slideserve.com/yahto/file-system-implementation

直接FAT

由前文可以得知，直接FAT和间接FAT都是保存在簇里的。簇里的数据必须有一个良好的结构，才能使我们简单的解析成FAT链表。FAT在簇里的结构可以想象成长这样：

这是一个矩阵M，行定义为FAT所在的簇，列定义为每个FAT簇里的数据。每个FAT簇，保存的都是4字节32位的整形数组，数量为1024 / 4 = 256个，因此矩阵有256列。FAT一共有多少个簇呢？这点可以在间接FAT的簇中解析出来，我们之后再讲。在这里FAT一共占据了32个簇，因此矩阵有32行。

M矩阵的大小为32 * 256 = 8192，意味着这个FAT可以管理8192个簇。假设现在要找簇n在矩阵中的位置row和column，可以根据简单的计算得出：

row = (n // 256) % 256 column = n % 256

既然已经计算出了位置，那就可以取到对应的值了，没错，这个值?就是下一个簇。通过不断循环，直到取到的值为0xFFFFFFFF，表示簇链到结尾了，不需要再查找了。

注：FAT表里储存的值为32位，最高位为8代表正常使用的簇，其它值代表簇未分配，最高位为8时，取低31位的整形值。值为0xFFFFFFFF代表已是簇链末尾。

间接FAT

前文留了一个问题，为什么FAT占有了32个簇？

在超级块中有一个字段ifc_list，是一个4字节32位的整形数组，再想象一下上面出现的矩阵。ifc_list是一个只有一行的矩阵，虽然它有32个元素，但只有第一个有值，其值8即间接FAT簇ifc。将簇8的内容按照上文的方法解析出来，再形成一个矩阵，行是ifc_list的个数，理论上是32，但由于只有1个元素，因此这个矩阵的行也为1。矩阵的列依然是256。解析其中的值，可以得到FAT所在的簇为9到40，即32个。

可分配簇

是一个范围，从alloc_offset开始到alloc_end结束。除去超级块、FAT、保留簇等的位置，所有的游戏存档都位于可分配簇内。

04 文件和目录

接着我们要研究下可分配簇里，每个簇都保存了些什么东西？简单来说，可分配簇里只有两种簇：“条目簇”和“数据簇”。保存条目的簇称为“条目簇”，保存数据的簇称为“数据簇”。

4.1 条目

每个目录或文件都有一个“条目”，可以看作是元数据，保存有文件名、大小、创建和修改时间等属性。每个“条目”的长度为 512 字节，因此每个 1024 簇中只能容纳两个“条目”。“条目簇”不会保存文件数据，即使“条目簇”里只有一个“条目”。

除了根目录没有root这个“条目”外，每个目录都有以自己的目录名命名的“条目”，每个文件也有以自己的文件名命名的“条目”，“条目”的结构如下表：

Offset	Name	Length	Description
0	mode	uint16	标识该文件的属性
4	length	uint32	如果是文件，以字节为单位；如果是目录，以项为单位。
8	created	byte[8]	创建时间
16	cluster	uint32	条目对应的第一个簇，是相对于alloc_offset的相对值。
20	dir_entry	uint32	无用
24	modified	byte[8]	修改时间
32	attr	uint32	用户属性
36	name	byte[32]	文件名，`x00`以后的需截断

mode字段请参考：https://www.ps2savetools.com/ps2memcardformat.html 。是一个4字节整形数，每个字节用对应的掩码比对，即可识别“条目”对应的文件类型。比如：0x8427代表一个目录，0x8497代表一个文件。
cluster字段代表了“条目”的第一个簇。如果本条目是目录，则这个簇指向的是当前目录的下一个“条目簇”；如果本条目是文件，则这个簇指向的是文件的第一个“数据簇”。
每个目录下的第一个“条目簇”一定是名为.和..的两个目录，这两个目录项代表当前目录和父目录，就像在Unix中一样。
目录下有几个“条目”以及文件有几个字节都是由length字段决定的，当你按照“簇链”读取文件的时候，需要自己记录最后一个簇的哪里是最后一个字节。