STM32H7 USBHS USB3300 CDC测速问题

Winston

最近调试了一下STM32H7 + USB3300 使用CDC进行通信，在这个过程中碰到很多坑，在这里记录一下。STM32H7系列引入了Cache和MPU，相对来说调试难度和系统架构变复杂了不少，希望我的经历能对大家有帮助。

这是一段非常有价值的调试经历，涵盖了高性能 MCU 开发中最核心的几个坑：外设 FIFO 管理、DMA 机制以及 Cache 一致性。

为了确保核心逻辑清晰，我将这段探索历程整理为一篇结构严谨的技术博客，方便你记录或分享。

极致性能：STM32H7 + USB3300 高速 USB 通信优化之路
0. 前言
在 STM32H7 上实现 USB 2.0 High-Speed (480Mbps) 传输时，硬件性能极高，但由于其复杂的架构（I/D Cache、AXI 总线、Internal DMA），开发者往往会遇到“速度上不去”或“开启缓存就挂掉”的窘境。本文记录了从 20MB/s 迈向链路极限的调优全过程。

硬件环境：

MCU: STM32H7 系列
PHY: USB3300 (外置高速 PHY)
模式: USB CDC (Communication Device Class)
1. 初始阶段：稳扎稳打的起点
配置：开启 I-Cache，失能 D-Cache，禁用 Internal DMA。
表现：系统运行稳定，测速结果为 20.51 MB/s。
分析：在没有 D-Cache 和 DMA 的参与下，CPU 负责搬运所有数据。虽然 20MB/s 已经超过了全速 (Full-Speed) 的理论极限，但对于 480Mbps 的高速链路来说，CPU 搬运成为了明显的瓶颈。

2. 进阶阶段：开启 Internal DMA 与 FIFO 陷阱
为了释放 CPU 压力并提升带宽，我们尝试开启 USB 内部的 Internal DMA。

遇到问题：接收正常，但无法发送数据。
原因深度解析：STM32H7 的 USB 内部 DMA 对 FIFO 的分配有严格要求。手册指出：“When DMA is used, 3n * FIFO locations should be reserved for internal DMA registers”。
解决方案：重新计算并调整了 USB_OTG_HS 的 FIFO 长度设置，预留出 DMA 寄存器所需的空间。
优化结果：数据发送恢复正常，测速跃升至 22.61 MB/s（I-Cache ON, D-Cache OFF）。这是纯硬件搬运带来的显著增益。

3. 攻克阶段：D-Cache 的“幽灵”错误与 MPU 救场
在获得 22.61 MB/s 的成绩后，我们尝试开启 D-Cache 以进一步提升整体性能，却直接陷入了“枚举失败”的死胡同。

现象：PC 端识别设备异常，得到的 PID 和 VID 均为 0。
奇怪的发现：
数据一致性问题：开启 D-Cache 后，CPU 写入设备描述符的操作停留在 Cache 中，而 Internal DMA 直接从物理 SRAM 中读取数据。
结果：DMA 读到的是 SRAM 里的初始零值，导致枚举阶段发送给主机的描述符全是 0。
解决方案（白名单策略）：
由于 USB 库内部全局变量极多，手动刷 Cache (SCB_CleanDCache) 极其繁琐且易错。我通过 MPU (Memory Protection Unit) 划定了专属区域：
将 RAM_D1 (AXI SRAM) 整体设置为 Non-cacheable（通过 MPU Region 0）。
确保 USB 库的所有句柄和缓冲区都落在此非缓存区。
最终战果：
配置：Internal DMA ON + I-Cache ON + D-Cache ON + MPU 局部隔离。
测速：21.98 MB/s。

4. 经验总结与数据对比
为了提高处理效率，我们将三种模式下的性能与稳定性进行了直观对比：

配置模式        I-Cache        D-Cache        Internal DMA        MPU 设置        测速结果        稳定性
基础模式        开启        关闭        关闭        无        20.51 MB/s        稳定
DMA 模式        开启        关闭        开启        无        22.61 MB/s        需手动调优 FIFO
完全体模式        开启        开启        开启        隔离 AXI SRAM        21.98 MB/s        极高（枚举正常）

关键结论：
DMA 是提速核心：开启 Internal DMA 后，吞吐量有质的飞跃。
FIFO 空间补偿：开启 DMA 后必须严格按照手册公式重新计算 FIFO 大小，否则发送功能会失效。
一致性高于一切：在 H7 这种带 Cache 的架构中，如果不处理 Cache 一致性，USB 几乎无法正常工作。使用 MPU 将 AXI SRAM 设置为非缓存区，是兼顾开发效率与系统稳定性最平衡的方案。

这貌似就是HS CDC的性能上限了? 坛友们有没有实测更快的?

海米阿门

H743 CDC，实测快40M，没用DMA，没开I-Cache和D-Cache

cxrundo_embed

海米阿门 发表于 2026-1-26 19:04
H743 CDC，实测快40M，没用DMA，没开I-Cache和D-Cache

兄弟真的假的，来个图片

morning_enr6U

Winston

海米阿门 发表于 2026-1-26 19:04
H743 CDC，实测快40M，没用DMA，没开I-Cache和D-Cache

我今天又测试了一下,  最高跑到35MB/S 已经是极限了, 剩下就算再增加缓存我觉得意义也不是很大了./

海米阿门

Winston 发表于 2026-1-27 22:58
我今天又测试了一下,  最高跑到35MB/S 已经是极限了, 剩下就算再增加缓存我觉得意义也不是很大了./

差不多，应该没开DMA，没开cachae把，极限，优化的好也就42M顶天了

bigfanofiot

有没有原理图分享下，也打算玩玩高速cdc

dukelec

bigfanofiot 发表于 2026-1-28 23:33
有没有原理图分享下，也打算玩玩高速cdc

可以看一下我这个开源项目：https://github.com/dukelec/cdbus_bridge
内置高速 usb 的小体积 AT32 芯片，不用外加 phy，cdc 协议
速度没 H7 快，够我用了

tovinz

dukelec 发表于 2026-1-29 09:27
可以看一下我这个开源项目：https://github.com/dukelec/cdbus_bridge
内置高速 usb 的小体积 AT32 芯片 ...

老哥，你们是一个组织还是只有你一个人啊，做的东西好厉害，文档写的也好

liushufa

1、D-Cache开启，但USB的区域无法缓存命中，相当于没有优化2、我使用

liushufa

1、D-Cache开启，但USB区域配置MPU无法缓存命中，等于没啥优化(H7开启DMA后,对应等待区域要么配置无法缓存命中，要么每次使用时手动清除)； 2、使用Threadx+USBX,开启零拷贝(未对DMA调优)，持续发送(通过发送完成回调)测速稳定27MB/s左右(单次发送14144个字节，500us左右)

liushufa

海米阿门 发表于 2026-1-26 19:04
H743 CDC，实测快40M，没用DMA，没开I-Cache和D-Cache

用啥上位机软件测得，大佬？

dukelec

tovinz 发表于 2026-1-29 09:47
老哥，你们是一个组织还是只有你一个人啊，做的东西好厉害，文档写的也好

过奖，有几个团队，不过这个 github 帐号的项目是我一个慢慢在搞，然后抽时间精力弄团队里面的私有项目

海米阿门

liushufa 发表于 2026-1-29 11:25
用啥上位机软件测得，大佬？

SerialApp，别人写的，网上找得到，大差不差

Shatang

海米阿门 发表于 2026-1-30 17:18
SerialApp，别人写的，网上找得到，大差不差

有简易开源工程发过来看看吗

a13421364618

实测，上传36M的速度左右，下行的话22M

a13421364618

上行36M，下行22M左右，

netbeans2006

我的也是H743+USB3300，在不开内部DMA的情况下，单测发送，只有11M bps，为何差距如此之大呢？
00> [DEBUG] TransmitCplt: epnum=1, Len=16384
00> [DEBUG] BLOCKING: packet 2674 sent, total 43810816 bytes
00> [INFO] ==== HAL CDC Stats ====
00> [INFO] Mode: BLOCKING
00> [INFO] Time: 30004 ms
00> [INFO] TX: 43810816 bytes, 2674 packets
00> [INFO] Speed: 11.68 Mbps, 89 pps
00> [INFO] ======================
00> [INFO] Test completed

eric2013

netbeans2006 发表于 2026-3-19 15:47
我的也是H743+USB3300，在不开内部DMA的情况下，单测发送，只有11M bps，为何差距如此之大呢？
00> [DEBUG ...

不开DMA，依然可以20MB以上，实测确定没问题

netbeans2006

eric2013 发表于 2026-3-20 09:47
不开DMA，依然可以20MB以上，实测确定没问题

是我的测速方式有问题，我用的是CDC协议，最开始使用串口助手测，打开接收显示测得，严重影响USB接收速度。关掉串口助手的接收显示后，速度就上去了。目前开了DMA速度大概20MB/s，程序还需要优化好多地方。

00> [DEBUG] TransmitCplt: epnum=1, Len=16384
00> [DEBUG] Send interval: 1 ms, idle loops: 216
00> [DEBUG] CDC_Transmit_HS took 654 cycles, result=0
00> [INFO] ==== HAL CDC Stats ====
00> [INFO] Mode: INTERRUPT
00> [INFO] Time: 30000 ms
00> [INFO] TX: 586268672 bytes, 35783 packets
00> [INFO] Speed: 156.34 Mbps, 1193 pps
00> [INFO] Errors: 0
00> [INFO] HAL DMA: ENABLED
00> [INFO] ======================
00> [INFO] Test completed.