【STM32】STM32H7 USBHS USB3300 CDC爬坑记录

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：
1. 将 RAM_D1 (AXI SRAM) 整体设置为 Non-cacheable（通过 MPU Region 0）。
2. 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。

结语：STM32H7 的 USB 开发不仅仅是调用库函数，更多的是在理解 CPU 缓存架构与外设 DMA 逻辑之间寻找平衡。希望这份避坑指南能为后来者节省数十小时的调试时间。