STM32模拟U盘实现方案

原创于 2025-11-04 15:03:15 发布 · 930 阅读

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#STM32 # W25Q64 # 虚拟U盘 # USB MSC # FatFs # 嵌入式文件系统 # SPI Flash

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利用STM32F103RC的USB将W25Q64模拟成U盘

在工业控制、智能设备和自动化测试场景中，我们常常遇到一个看似简单却颇具挑战的问题：如何让一台没有传统存储接口的嵌入式设备，像U盘一样被PC直接识别并读写？更进一步，如果这个“U盘”还能预装固件、记录日志、甚至支持批量配置分发，那它的价值就远不止一个移动硬盘那么简单。

这正是虚拟U盘技术的魅力所在。通过微控制器模拟标准USB大容量存储设备（Mass Storage Class, MSC），我们可以把外挂Flash芯片伪装成一个即插即用的可移动磁盘。而今天要讲的方案—— 用STM32F103RC驱动W25Q64实现虚拟U盘 ——不仅成本极低，而且兼容性极强，是很多量产项目中的“隐形功臣”。

为什么选STM32F103RC？

你可能会问：现在有那么多带USB的MCU，为什么要用这款“老将”？毕竟它属于早已发布的STM32F1系列，主频72MHz，128KB Flash、20KB RAM，在当下动辄几百MHz主频、内置高速SRAM的新平台面前显得有些寒酸。

但正是这种“够用就好”的定位，让它在性价比敏感的应用中依然坚挺。更重要的是， 它原生支持USB 2.0全速设备模式（12Mbps） ，配合成熟的HAL库或LL库，可以快速搭建MSC应用。不需要额外PHY芯片，也不需要复杂的PCB布局——PA11/PA12引脚直连D+/D-即可。

不过这里有个关键细节容易被忽略： STM32F103RC内部没有集成D+上拉电阻 。这意味着你必须通过一个GPIO控制外部1.5kΩ电阻连接到3.3V电源，才能向主机宣告“我来了”。代码里通常是这样操作：

// 模拟上拉，触发枚举
HAL_GPIO_WritePin(USB_PULLUP_PORT, USB_PULLUP_PIN, GPIO_PIN_SET);

一旦这一步没做，PC根本不会发现设备的存在，调试时只能看到“未知USB设备”或者干脆无反应。

W25Q64：小身材，大用途

作为存储介质，W25Q64是一款典型的SPI Flash芯片，容量8MB（64Mbit），采用SOP8封装，仅需CS、SCK、MOSI、MISO四根信号线即可通信。它的优势在于价格低廉（几元人民币）、非易失性、擦写寿命高达10万次，非常适合用于存放固件镜像或运行日志。

但要注意，Flash不是RAM，不能随意写入。每次写之前必须先擦除，且最小擦除单位是4KB扇区，而写入单位是256字节页。如果你试图在一个未擦除的区域写数据，结果只会是“掩码叠加”，旧数据并不会消失。

因此，在实现文件系统时必须做好抽象层管理。比如当主机下发一个512字节的写请求时，我们的处理流程应该是：

锁定对应的LBA地址；
读取整个4KB扇区到缓冲区；
在缓冲区中修改目标512字节；
擦除原扇区；
将更新后的4KB数据重新写回。

虽然听起来繁琐，但在实际应用中可以通过合理设计簇大小来减少这类操作频率。

协议栈是怎么跑起来的？

当你把板子插入PC，背后其实是一场精密的“对话”。整个过程从USB枚举开始，然后进入SCSI命令交互阶段。PC并不关心你是真U盘还是假U盘，它只认标准协议。

首先，设备发送自己的描述符，声明自己是一个 大容量存储类设备（bInterfaceClass = 0x08） 。接着，主机发起一系列SCSI Inquiry命令获取设备信息，例如厂商名、产品型号、是否可移除等。这些都可以在 USBD_Storage_fopsTypeDef 结构体中自定义：

static int8_t USER_GetInquiryData(uint8_t lun, uint8_t *data) {
    const char info[] = "STMicroelectronics";
    memcpy(data, info, strlen(info));
    return USBD_OK;
}

确认身份后，主机会查询容量：

int8_t USER_GetCapacity(uint8_t lun, uint32_t *block_num, uint16_t *block_size) {
    *block_num = 16384;   // 8MB / 512B per sector
    *block_size = 512;
    return USBD_OK;
}

这里的512字节扇区是硬性要求——无论底层Flash物理页多大，对外都必须模拟成标准块设备。这也是FatFs能正常工作的前提。

接下来就是真正的读写操作了。每当用户拖拽文件到设备，Windows就会发出 WRITE(10) 命令，携带LBA地址和数据长度。STM32接收到后，调用注册的 USER_Write 函数，最终落地到SPI Flash。

FatFs：嵌入式文件系统的“瑞士军刀”

说到文件系统，大多数人第一反应是FAT。没错，尽管它古老，但它几乎被所有操作系统原生支持，无需安装驱动。对于8MB的小容量设备，使用FAT12或FAT16最为合适。

我们采用ChaN开发的 FatFs R0.14 ，这是一个轻量级、模块化、高度可移植的开源库，专为资源受限系统设计。它不依赖操作系统，只需实现几个底层接口就能跑起来。

核心文件是 diskio.c ，其中最关键的是五个函数：

DSTATUS disk_initialize(BYTE pdrv);
DSTATUS disk_status(BYTE pdrv);
DRESULT disk_read(BYTE pdrv, BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count);
DRESULT disk_write(BYTE pdrv, const BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count);
DRESULT disk_ioctl(BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff);

它们构成了FatFs与硬件之间的桥梁。比如 disk_ioctl(GET_SECTOR_COUNT) 返回总扇区数， CTRL_SYNC 用于确保写操作完成。

特别提醒一点： 不要在中断上下文或USB回调中直接调用SPI读写 ！否则可能导致时序冲突或死锁。建议将数据拷贝到缓冲区后再异步处理，必要时加入互斥锁保护共享资源。