别再花钱买U盘了！用STM32F103C8T6的64K内部Flash自制一个（CubeMX+USB MSC+FATFS保姆级教程）

厉害吧老哈比

315人浏览 · 2026-06-10 09:14:38

厉害吧老哈比 · 2026-06-10 09:14:38 发布

用STM32F103C8T6打造极简U盘：内部Flash的创意应用指南

你是否曾经遇到过这样的场景：手头急需一个U盘传输几兆的小文件，却发现身边没有可用的存储设备？或者作为一名电子爱好者，总是对那些闲置的开发板感到可惜？今天，我们将探索如何将一块常见的STM32F103C8T6开发板变身为实用的迷你U盘，充分利用其内部Flash的后64K空间。这不仅是一个有趣的DIY项目，更能让你深入理解USB Mass Storage Class(MSC)协议和FAT文件系统的底层实现。

1. 项目准备与环境搭建

在开始之前，我们需要明确几个关键点。STM32F103C8T6虽然标称只有64KB Flash，但实际上大多数芯片都有128KB的物理空间。这个"隐藏"的64KB空间将成为我们自制U盘的存储介质。相比传统U盘方案，这种设计有三大优势：

零成本 ：利用现有开发板资源，无需额外购买存储芯片
低功耗 ：内部Flash操作比外部SPI Flash更省电
教学价值 ：完整实现USB MSC协议栈和FAT文件系统

硬件准备清单：

STM32F103C8T6开发板（蓝桥杯板或最小系统板）
USB数据线（带D+/D-信号线）
ST-Link调试器（可选，用于固件烧录）

软件工具链：

STM32CubeMX（最新版本）
Keil MDK或STM32CubeIDE
USB驱动（通常系统自带）

提示：确保开发板的USB接口电路完整，部分廉价开发板可能省略了USB所需的22Ω阻抗匹配电阻。

2. CubeMX工程配置详解

启动STM32CubeMX，创建一个新工程并选择STM32F103C8T6芯片。我们将逐步配置各个模块的关键参数。

2.1 时钟树配置

时钟是USB稳定工作的基础。按照以下步骤配置：

在"Pinout & Configuration"选项卡中，设置HSE为外部晶振（通常8MHz）
切换到"Clock Configuration"标签页
设置PLL倍频为9，使系统时钟达到72MHz
确保USB时钟为48MHz（由PLL经过1.5分频得到）

关键参数验证表：

参数名称	期望值	检查方法
SYSCLK	72MHz	Clock Configuration页
HCLK	72MHz	同上
PCLK1	36MHz	同上
PCLK2	72MHz	同上
USB Clock	48MHz	必须精确

2.2 USB外设配置

在Connectivity部分启用USB设备，并做如下设置：

模式选择"Device Only"
在"Middleware"部分启用USB_DEVICE
选择Class For FS IP为"MSC"（Mass Storage Class）
配置MSC_MEDIA_PACKET为1024（与后续FATFS设置保持一致）

2.3 FATFS中间件配置

在Middleware部分添加FATFS组件，关键参数设置：

#define MAX_SS 1024   // 扇区大小
#define MIN_SS 1024   // 必须与MAX_SS相同
#define USE_LFN 1     // 启用长文件名支持

注意：SS（Sector Size）值必须与MSC_MEDIA_PACKET完全一致，否则会导致文件系统错误。

3. 关键代码修改与实现

生成基础工程后，我们需要手动修改几个关键文件以实现Flash存储功能。

3.1 Flash存储区域定义

首先在 usbd_storage_if.c 文件中添加以下宏定义：

#define FLASH_SIZE        128    // 单位KB，实际使用后64KB
#define FLASH_PAGE_SIZE   0x400  // 1KB页大小
#define FLASH_PAGE_NBR    64     // 使用64页(64KB)
#define FLASH_START_ADDR  (0x08000000 + ((FLASH_SIZE - FLASH_PAGE_NBR) * 1024))

这段代码定义了从Flash末尾开始的64KB空间作为我们的"U盘"存储区。

3.2 USB MSC接口实现

修改 usbd_storage_if.c 中的三个核心函数：

容量获取函数 - 告诉主机我们的"磁盘"有多大：

int8_t STORAGE_GetCapacity_FS(uint8_t lun, uint32_t *block_num, uint16_t *block_size) {
    *block_num = FLASH_PAGE_NBR;    // 总块数
    *block_size = FLASH_PAGE_SIZE;  // 每块大小
    return USBD_OK;
}

读取函数 - 实现从Flash读取数据：

int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len) {
    if(lun == 0) {
        memcpy(buf, (uint8_t *)(FLASH_START_ADDR + blk_addr*FLASH_PAGE_SIZE), 
               blk_len*FLASH_PAGE_SIZE);
        return USBD_OK;
    }
    return USBD_FAIL;
}

写入函数 - 实现向Flash写入数据（包含擦除操作）：

int8_t STORAGE_Write_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len) {
    FLASH_EraseInitTypeDef erase;
    uint32_t PageError = 0;
    
    HAL_FLASH_Unlock();
    
    // 先擦除目标扇区
    erase.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
    erase.PageAddress = FLASH_START_ADDR + blk_addr*FLASH_PAGE_SIZE;
    erase.NbPages = blk_len;
    HAL_FLASHEx_Erase(&erase, &PageError);
    
    // 以字(32bit)为单位写入
    for(uint16_t i=0; i<blk_len*FLASH_PAGE_SIZE; i+=4) {
        HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD,
                         FLASH_START_ADDR + blk_addr*FLASH_PAGE_SIZE + i,
                         *(uint32_t *)(&buf[i]));
    }
    
    HAL_FLASH_Lock();
    return USBD_OK;
}

3.3 FATFS磁盘接口适配

修改 user_diskio.c 文件，实现FATFS所需的底层驱动：

磁盘状态检测 ：

DSTATUS USER_status(BYTE pdrv) {
    static DSTATUS stat = STA_NOINIT;
    stat &= ~STA_NOINIT;  // 标记磁盘已初始化
    return stat;
}

磁盘读取 ：

DRESULT USER_read(BYTE pdrv, BYTE *buff, DWORD sector, UINT count) {
    uint8_t *src = (uint8_t *)(FLASH_START_ADDR + sector*FLASH_PAGE_SIZE);
    for(uint16_t i=0; i<count*FLASH_PAGE_SIZE; i++) {
        buff[i] = src[i];
    }
    return RES_OK;
}

磁盘写入 ：

DRESULT USER_write(BYTE pdrv, const BYTE *buff, DWORD sector, UINT count) {
    // 重用之前实现的STORAGE_Write_FS逻辑
    uint16_t i;
    HAL_FLASH_Unlock();
    FLASH_EraseInitTypeDef f;
    f.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
    f.PageAddress = FLASH_START_ADDR + sector*FLASH_PAGE_SIZE;
    f.NbPages = count;
    uint32_t PageError = 0;
    HAL_FLASHEx_Erase(&f, &PageError);
    
    for(i=0; i<count*FLASH_PAGE_SIZE; i+=4) {
        HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD,
                         FLASH_START_ADDR + sector*FLASH_PAGE_SIZE + i,
                         *(uint32_t *)(&buff[i]));
    }
    
    HAL_FLASH_Lock();
    return RES_OK;
}

磁盘控制 ：

DRESULT USER_ioctl(BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff) {
    switch(cmd) {
        case CTRL_SYNC: return RES_OK;
        case GET_SECTOR_SIZE: *(DWORD*)buff = FLASH_PAGE_SIZE; break;
        case GET_SECTOR_COUNT: *(DWORD*)buff = FLASH_PAGE_NBR; break;
        case GET_BLOCK_SIZE: *(DWORD*)buff = 1; break; // 擦除块大小(以扇区为单位)
        default: return RES_PARERR;
    }
    return RES_OK;
}

4. 优化与实用技巧

虽然基础功能已经实现，但在实际使用中还需要考虑一些优化和可靠性问题。

4.1 Flash寿命管理

STM32F103的Flash通常有10,000次擦写寿命，我们需要采取措施延长使用寿命：

写缓存 ：实现一个RAM缓存，累积到一定量再实际写入Flash
磨损均衡 ：在64KB空间内轮换使用不同区块
减少擦除 ：尽量在单次操作中写入更多数据

示例写缓存实现：

#define CACHE_SIZE 1024  // 1KB缓存
uint8_t write_cache[CACHE_SIZE];
uint32_t cache_pos = 0;

void flush_cache(uint32_t sector) {
    if(cache_pos > 0) {
        STORAGE_Write_FS(0, write_cache, sector, 1);
        cache_pos = 0;
    }
}

void cache_write(uint8_t *data, uint32_t size, uint32_t sector) {
    if(cache_pos + size > CACHE_SIZE) {
        flush_cache(sector);
    }
    memcpy(&write_cache[cache_pos], data, size);
    cache_pos += size;
}

4.2 性能优化技巧

内部Flash的写入速度较慢，以下方法可以改善用户体验：

增大MSC_MEDIA_PACKET ：在CubeMX中设置为最大允许值（需与Flash页大小匹配）
批量写入 ：累积多个扇区数据后一次性写入
后台擦除 ：提前擦除下一个可能使用的扇区

4.3 文件系统自动初始化

在main函数中添加自动格式化逻辑，当检测到未格式化的存储时自动执行：

FATFS_Status = f_mount(&USERFatFS, path, 1);
if(FATFS_Status == FR_NO_FILESYSTEM) {
    uint8_t work[FF_MAX_SS]; // 格式化缓冲区
    f_mkfs(path, FM_FAT, 0, work, sizeof(work)); // 快速格式化
    FATFS_Status = f_mount(NULL, path, 0); // 卸载
    FATFS_Status = f_mount(&USERFatFS, path, 1); // 重新挂载
}

if(FATFS_Status == FR_OK) {
    f_mkdir("0:/FW"); // 创建固件目录
}