STM32F103 用内部 Flash 模拟 USB U 盘（HAL 库 MSC）

背景与适用场景

STM32F103 系列没有内置 SD 卡槽或 eMMC，但在需要"插入电脑即可读写文件"的场景（如固件 IAP 升级、日志导出、参数配置）中，模拟一个 USB 大容量存储设备（MSC）是成本最低的方案之一。本文以 STM32F103RCT6 为例，使用 HAL 库 + CubeMX 生成工程，将内部 Flash 的一段区域暴露为 USB 存储设备。

适用前提：

• 主控为 STM32F103 系列（带 USB OTG FS 外设），本文以 RCT6 为例。
• 应用代码能放在 Flash 起始区域，为存储区预留足够空间。
• 对内部 Flash 擦写寿命有基本认知。

CubeMX 配置

1. 新建工程，芯片选 STM32F103RCTx，配置好系统时钟（通常 72 MHz）。
2. 在 Connectivity 中启用 USB，模式选 Device，库选 Full Speed。
3. 在 Middleware 中启用 USB_DEVICE，Class 选 Mass Storage Class。
4. 生成工程。

修改 usbd_storage_if.c

生成工程后，打开 usbd_storage_if.c，将默认的 SD 卡操作替换为内部 Flash 读写。核心改动如下：

#define STORAGE_LUN_NBR                  1         //分区数目
#define STORAGE_BLK_NBR                  64        //扇区数目
#define STORAGE_BLK_SIZ                  0x800     //扇区大小

/* USER CODE BEGIN PRIVATE_DEFINES */

#define     FLASH_START_ADDR      		  0x08010000    // 设置flahs起始地址

/**
  * @brief  .
  * @param  lun: .
  * @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL
  */

int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
	uint8_t *s = (uint8_t *)(FLASH_START_ADDR);
	uint8_t *p = buf;
	s+=(blk_addr*STORAGE_BLK_SIZ);
	for(int i=0; i<blk_len*STORAGE_BLK_SIZ ;i++)       //读取FLash地址中的数据
	{
		*(buf++) = *(s++ );
	}
}

/**
  * @brief  .
  * @param  lun: .
  * @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL
  */
int8_t STORAGE_Write_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{
  /* USER CODE BEGIN 7 */
 //内存写函数
	uint32_t n,i;
	HAL_FLASH_Unlock();           //解锁flash
 if(lun == 0)
  {
		static FLASH_EraseInitTypeDef EraseInitStruct;
		EraseInitStruct.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;
    EraseInitStruct.PageAddress = FLASH_START_ADDR+ blk_addr*STORAGE_BLK_SIZ;
    EraseInitStruct.NbPages = blk_len;
		uint32_t PageError = 0;
	if(	HAL_FLASHEx_Erase(&EraseInitStruct, &PageError) != HAL_OK)   //擦除数据
	{
	   return FAIL;
	}

    for(i=0;i<blk_len*STORAGE_BLK_SIZ;i+=4)                        //以四字节写入falsh
	{
		HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD,FLASH_START_ADDR +
        blk_addr*STORAGE_BLK_SIZ + i , *(uint32_t *)(&buf[i]));
	}
	HAL_FLASH_Lock();
    return USBD_OK;
   }
   return USBD_FAIL;
  /* USER CODE END 7 */
}

几点说明：

• FLASH_START_ADDR 设为 0x08010000，即从 Flash 第 64 KB 处开始，共 64 个扇区 × 2 KB = 128 KB 用于存储。应用代码必须全部放在 0x08000000 ~ 0x0800FFFF 范围内。
• 读取函数通过指针直接映射 Flash 地址，无需额外搬运（Cortex-M 可通过数据总线直接读取 Flash）。
• 写入函数先按页擦除，再以 4 字节（WORD）为单位编程。

代码中需要注意的问题

原文代码存在几处需要修正的地方，实际移植时请留意：

1. 读取函数缺少返回值：STORAGE_Read_FS 末尾没有 return USBD_OK;，调用方会拿到未定义值。
2. 指针混用：函数内声明了 p = buf，但循环里写的是 *(buf++)，导致 p 未使用且 buf 指针被修改。应统一用 p 或直接用 buf[i] 索引。
3. 写入函数返回 FAIL：应为 return USBD_FAIL;，否则编译报错或行为未定义。
4. 擦除粒度与页大小：EraseInitStruct.NbPages = blk_len 隐含假设每个 MSC 扇区（2 KB）恰好等于一个 Flash 页。实际页大小取决于存储地址落在 Flash 的哪个区域，需查阅对应数据手册确认。若扇区大小与页大小不一致，NbPages 的计算需要相应调整。此外，MSC 协议中主机始终以整扇区为单位发起写请求，不存在"写半个扇区"的情况；但若应用层只想更新某扇区中的少量字节，仍需先读出整个扇区、修改后再整扇区写回，因为擦除会清除整页数据。

使用与验证

1. 将程序烧录到开发板，通过 USB 连接电脑。
2. 首次连接时，操作系统会提示"需要格式化"，选择快速格式化（128 KB 容量通常会被格式化为 FAT12）。
3. 格式化完成后，设备会显示为一个可读写的小容量 U 盘（约 128 KB）。
4. 后续可通过 USB 拷贝固件文件到该"U 盘"，再由板载 Bootloader 或 IAP 逻辑从 FLASH_START_ADDR 读取并烧写到目标地址，实现免串口升级。

关键限制与风险

• Flash 擦写寿命：STM32F103 内部 Flash 数据手册保证的最小擦写次数为 10 000 次/页。频繁写入（如日志、频繁 IAP）会显著缩短寿命，不适合高写入频率场景。
• 擦除是页级操作：写入前必须整页擦除，擦除后该页所有位被置 1（读值为 0xFF）。若 MSC 层只写部分扇区，未覆盖的扇区内容会丢失，需要应用层自行做读-改-写保护。
• Flash 编程期间 CPU 阻塞：HAL_FLASH_Program 和 HAL_FLASHEx_Erase 是阻塞调用，期间 CPU 无法从 Flash 取指，USB 中断响应可能延迟，极端情况下主机可能判定设备超时。
• 存储区与应用区重叠风险：如果 IAP 升级时新固件大小超过 64 KB，会覆盖存储区；反之，存储区数据也可能被误擦。Bootloader 中需明确划分地址边界。
• 容量极小：128 KB 仅适合存放单个固件镜像或少量配置文件，不适合存储大文件。
• 首次必须格式化：Flash 出厂（或擦除后）为全 0xFF，没有文件系统结构，主机不会直接识别，必须经过一次格式化。

小结

用内部 Flash 模拟 MSC 是 STM32F103 上实现"U 盘"最轻量的方式，无需额外存储芯片，适合固件升级、参数备份等低频写入场景。实现时重点关注 Flash 擦写寿命、页级擦除的副作用以及存储区与应用区的地址隔离。

本文最初于 2020/12/25 发布在 CSDN。