基于具有USB功能的STM32微控制器

电子设计 2021-05-19 3804

描述

该设计是一个物理开关，它确定每次打开计算机时要启动的操作系统。它使用STM32微控制器充当USB大容量存储设备，并提供一个动态文件。该文件可以由系统的引导配置加载，以根据物理输入来更改其引导行为：

微控制器

组件：

拨动开关

具有USB功能的STM32微控制器

ST-Link编程器

该项目的解决方案是通过代码编写的，因此需要一个拨动开关，一个具有USB功能的STM32微控制器和一个ST-Link编程器。

代码：点击查看

设计过程：

启动Linux，只需按电源按钮；另一方面，要引导到Windows，则需要在GRUB短暂显示自己时进行战术，精确定时的敲击，以更改选择：

微控制器

引导加载程序中的脚本

GNU GRUB是一种流行的Linux启动加载程序-在加载任何操作系统之前运行的程序，它决定启动什么以及如何启动它。通常，将与上图所示的菜单进行交互，但实际上，GRUB是由简化的脚本语言配置的。在它的下面是用C语言编写的模块系统。

GRUB必须在操作系统外部运行，因此必须提供所有自己的工具，因此可用功能相当简单。

在GRUB中可以任意访问USB设备吗？

创建一个具有自定义（“特定于供应商”）接口的USB设备，以读出开关位置，就非USB而言，它就像是裸露的串行连接。可以从操作系统访问，但是不确定GRUB是否可以处理它。

GRUB实现在其原生支持USB ehci、uhci、ohci模块，但有一个问题-加载任何这些禁用用于访问磁盘上的常态机制通过BIOS来避免冲突，让你有无人接盘。有一个nativedisk模块可以独立于BIOS访问磁盘，但是除了速度慢之外，严重地使用该模块意味着GRUB无法链式加载Windows（说明），从而使这种方法成为注销。

伪装成USB大容量存储设备

可以利用BIOS已经为GRUB提供对所有连接的存储设备的访问的事实，而不是创建自定义USB接口。需要做的就是将设备显示为存储设备，其中包含一个文件，其内容指示开关位置。

从概念上讲这很简单，但是有几层：

提供大容量存储类描述符，指示要使用的几种存储协议之一（SCSI，ATA）。

实现所选的存储协议。除了用于读取和写入扇区的标准请求外，这是一组用于询问存储设备的功能，容量，布局和其他元数据的命令。

读取时模拟有效的文件系统，而实际上没有任何存储介质。

使用USB状态指示灯中已有的支持USB的STM32板卡和代码，将供应商类设备更改为大容量存储类设备只需更改现有USB描述符中的几个字节即可。

对于存储协议层，发现它libopencm3具有内置的SCSI大容量存储实现，具有简单read_block（address）和write_block（address）回调功能，隐藏了存储协议的复杂性：

微控制器

由于这个原因，即使在这个阶段它只能读出无尽的0x00字节流，仍然可以使用可识别的存储设备快速启动并运行。

微控制器

熟悉FAT

模拟GRUB可以理解的文件系统。格式化存储设备，选择FAT12，因为它的文档非常齐全，而且布局简单：

引导扇区：描述卷名称和几何形状的固定结构

文件分配表：一个索引，用于说明磁盘的哪些部分被使用以及分配/碎片化了多大的文件

根目录条目：文件元数据。指向实际文件内容所在的位置

［其余磁盘上没有固定的结构］

经过阅读和修改之后，进行了一个设置，可以定义虚拟文件列表，并在毫不怀疑的主机要求下即时生成目录条目和文件内容：

struct VirtualFile {

char* longName;

struct FatDirEntry dir;

void （*read）（uint8_t* output）;

};

static void readSwtich（uint8_t* output） { // Output is a zeroed-out 512 byte buffer （one block）

output［0］ = gpio_get（GPIOA， GPIO6）？ ‘1’ ： ‘0’;

}

static struct VirtualFile _virtualFiles［］ = {

{

.longName = “switch_position”，

.dir = { .name = “SWITCH~1”， .ext = “ ”， .size = 1 }，

.read = readSwtich

}，

// 。..

};

转储块设备看起来像这样：

微控制器

0000h是引导扇区，0200h是FAT的第一个副本，0400h是FAT的第二个副本，0600h是根目录条目。一共有三个32字节的目录条目-两个长文件名条目，然后是在640h该文件的实际目录条目。虚拟文件内容在4800h读出。

在GRUB中读取文件

GRUB没有将文件内容加载到变量中的任何内置支持，也不像典型的Linux shell那样支持命令替换：

# This is BASH and what I wanted to do

# GRUB script unfortunately doesn‘t support this kind of substitution

pos=$（cat /path/to/switch_position）

echo $pos

使用GRUB的“源” 命令从虚拟文件中加载其他配置。这种方法是开箱即用的，并且理论上适用于任何版本的GRUB：

微控制器

根据开关位置启动

使用GRUB外壳中的switch位置了，然后修改系统启动配置，以根据此信息进行启动选择。

在 /etc/grub.d/00_header中，将此添加到了生成的输出中（删除了转义符以使其更易于阅读）：

# Look for hardware switch device by its hard-coded filesystem ID

search --no-floppy --fs-uuid --set hdswitch 55AA-6922

# If found， read dynamic config file and select appropriate entry for each position

if ［ “${hdswitch}” ］ ; then

source （$hdswitch）/switch_position_grub.cfg

if ［ “${os_hw_switch}” == 0 ］ ; then

# Boot Linux

set default=“0”

elif ［ “${os_hw_switch}” == 1 ］ ; then

# Boot Windows

set default=“2”

else

# Fallback to default

set default=“${GRUB_DEFAULT}”

else

set default=“${GRUB_DEFAULT}”

运行update-grub生成新的启动配置后，

硬件安装

小的铝制扁杆，几个螺丝和一些钻孔。
责任编辑:pj

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