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硬件启动选择开关
发布时间:2021-05-16
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硬件启动选择开关
发布时间:2021-05-16
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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:

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:

  • 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:

  1. 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)。
  2. 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。
  3. 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:

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。

  • 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:

  1. 引导扇区:描述卷名称和几何形状的固定结构
  2. 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
  3. 根目录条目:文件元数据。指向实际文件内容所在的位置
  4. [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:

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:

  • 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}"
  fi

else
  set default="${GRUB_DEFAULT}"
fi

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,

外文原文:点击进入
声明:本文由Hackaday授权电路城翻译,系电路城的原创内容,转载请注明出处!

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