STM32U5 USB Hub 连接 U 盘读写不稳定问题解决方案：DMA 与 Cache 优化实战

在 STM32U5 系列 MCU 的 USB Host 应用中，通过 Hub 扩展 U 盘接口是工业控制、消费电子等场景的常见需求。然而，不少开发者会遇到 “小量数据读写正常，大量数据（如 1G）连续写入时随机失败” 的疑难问题 —— 这一现象在通过 Hub 连接 U 盘时尤为突出，直连则无异常，给产品稳定性带来极大挑战。本文基于 ST 官方技术文档 LAT1511（Rev 1.0），从问题定位、复现验证、根源分析到落地优化，全面拆解该问题，提供可直接复用的解决方案与核心开发经验。

资料获取：开发经验 | LAT1511 运行Ux_Host_HUB_HID_MSC通过Hub连接U盘读写不稳定问题分析

1. 问题背景：Hub 场景下的 U 盘写入异常

客户基于 STM32U5 开发外销型充电产品，核心需求是通过 USB_OTG_HS 外设实现 Hub 功能，并对 Hub 挂载的 U 盘进行高速 1G 数据写入。但实际测试中出现关键异常：

1. 异常现象：单次写入小量数据正常，连续写入 1G 数据时随机失败，返回错误码0x5C；
2. 场景差异：U 盘直连 STM32U5 开发板（NUCLEO-U5A5ZJ）无异常，仅通过 Hub 连接时触发问题；
3. 设备选择性：不同品牌 U 盘出错概率不同，部分 U 盘 100% 触发失败；
4. 核心疑问：STM32U5 的 U 盘最快读写速度上限，及如何解决 Hub 场景下的稳定性问题。

2. 问题复现：精准还原异常场景

为定位问题根源，测试团队基于 ST 官方例程Ux_Host_HUB_HID_MSC搭建验证环境，通过针对性修改测试代码，成功复现了客户反馈的异常。

2.1 测试环境配置

• 硬件平台：NUCLEO-U5A5ZJ（客户板）、STM32U5A9J-DK（验证板）、普通 USB 2.0 Hub、64G U 盘；
• 软件工具：STM32CubeIDE、Filex 文件系统、USBX 协议栈；
• 关键配置：例程默认仅支持 FAT32 格式，需开启 ExFAT 支持（FX_ENABLE_EXFAT）以适配 64G 大容量 U 盘。

2.2 测试代码修改（复现核心）

官方例程默认仅写入少量字符串数据，无法触发性能瓶颈。修改代码以模拟 1G 连续写入场景：

/* USER CODE BEGIN PV */
#define FX_ENABLE_EXFAT  // 开启ExFAT支持，适配大容量U盘
#define MASS_TEST_WR_LEN 64*1024  // 单次写入64K字节
#define MASS_TEST_LEN (ULONG64)(1024*1024*1024)  // 总写入量1G
static UCHAR Write_buffer[MASS_TEST_WR_LEN];  // 写入缓冲区
static UCHAR Read_buffer[MASS_TEST_WR_LEN];   // 读取缓冲区
/* USER CODE END PV */

// 1G数据连续写入测试函数
UINT App_File_Write(FX_MEDIA *fx_media) {
  FX_FILE my_file;
  UINT status;
  ULONG64 iLoop;
  uint32_t startTicks;

  // 打开/创建测试文件
  status = fx_file_open(fx_media, &my_file, "TEST.TXT", FX_OPEN_FOR_WRITE);
  if (status == FX_SUCCESS) {
    fx_file_seek(&my_file, 0);  // 定位到文件起始位置
    startTicks = HAL_GetTick();  // 记录开始时间

    // 循环写入1G数据
    for (iLoop = 0; iLoop < MASS_TEST_LEN / MASS_TEST_WR_LEN; iLoop++) {
      status = fx_file_write(&my_file, Write_buffer, MASS_TEST_WR_LEN);
      if (status != FX_SUCCESS) {
        USBH_UsrLog("写入失败：第%d次，错误码0x%02xn", iLoop, status);
        return status;
      }
    }

    fx_file_close(&my_file);
    USBH_UsrLog("写入完成：1G数据，耗时%dms，速度=%.2fMByte/Sn",
                HAL_GetTick() - startTicks,
                (float)MASS_TEST_LEN / 1024 / 1024 / ((HAL_GetTick() - startTicks) / 1000.0));
  }
  return status;
}

2.3 复现结果确认

• 所有 U 盘直连开发板时，1G 数据写入均正常；
• 通过 Hub 连接后，所有 U 盘均出现写入失败，错误码固定为0x5C；
• 减小单次写入长度（如 64 字节、128 字节）可降低出错概率，但写入速度（<1MByte/S）无法满足实际需求。

3. 根源分析：错误码解码与性能瓶颈定位

3.1 错误码0x5C的本质

通过跟踪 Filex 与 USBX 源码发现，错误码0x5C并非 Filex 模块定义，而是来自 USBX 核心头文件ux_api.h：

#define UX_TRANSFER_TIMEOUT 0x5C  // USB传输请求超时

进一步定位到超时发生在_ux_hcd_stm32_request_control_transfer函数中 ——MCU 等待 USB 传输完成信号量时超时，核心原因是CPU 处理性能不足，无法及时响应 Hub 的传输请求。

3.2 性能瓶颈的核心诱因

1. Hub 的额外开销：USB Hub 需对数据进行包装转发（如添加 Hub 协议头），相比直连场景增加了数据处理延迟，对 MCU 的响应速度要求更高；
2. 默认配置的性能短板：
   • USB_OTG_HS 外设默认未启用内部 DMA，所有 USB 数据传输需 CPU 全程参与（拷贝、校验），负载极高；
   • ICache 默认工作在1-way（直接映射模式），缓存冲突概率高，频繁替换缓存导致 CPU 指令执行效率低；
3. U 盘兼容性差异：不同品牌 U 盘的传输速率、数据包大小存在差异，部分 U 盘对传输延时更敏感，从而放大了性能不足的问题。

4. 落地优化方案：三大措施彻底解决不稳定问题

针对性能瓶颈，通过 “启用 DMA 减轻 CPU 负载”“优化 ICache 提升指令效率”“调整缓冲区大小匹配传输需求” 三大措施，可 100% 解决 Hub 场景下的读写不稳定问题。

4.1 核心优化 1：启用 USB_OTG_HS 内部 DMA

USB_OTG_HS 外设集成专用 DMA 控制器，可自动完成数据在内存与 USB 外设间的传输，无需 CPU 介入，大幅降低 CPU 负载。

配置步骤（修改MX_USB_OTG_HS_HCD_Init函数）：

void MX_USB_OTG_HS_HCD_Init(void) {
  /* USER CODE BEGIN USB_OTG_HS_Init 1 */
  /* USER CODE END USB_OTG_HS_Init 1 */
  hhcd_USB_OTG_HS.Instance = USB_OTG_HS;
  hhcd_USB_OTG_HS.Init.Host_channels = 16;
  hhcd_USB_OTG_HS.Init.speed = HCD_SPEED_HIGH;
  hhcd_USB_OTG_HS.Init.dma_enable = ENABLE;  // 启用DMA（默认DISABLE）
  hhcd_USB_OTG_HS.Init.phy_itface = USB_OTG_HS_EMBEDDED_PHY;
  hhcd_USB_OTG_HS.Init.low_power_enable = DISABLE;
  hhcd_USB_OTG_HS.Init.use_external_vbus = DISABLE;
  hhcd_USB_OTG_HS.Init.Sof_enable = DISABLE;

  if (HAL_HCD_Init(&hhcd_USB_OTG_HS) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN USB_OTG_HS_Init 2 */
  /* USER CODE END USB_OTG_HS_Init 2 */
}

优化效果：

单次写入 64K 数据时，1G 数据写入成功，无超时错误，写入速度达7.76MByte/S。

4.2 核心优化 2：配置 ICache 为 2-way 关联模式

STM32U5 的 ICache（指令缓存）支持两种工作模式，不同模式对 CPU 执行效率影响显著：

配置步骤（修改MX_ICACHE_Init函数）：

static void MX_ICACHE_Init(void) {
  // 配置为2-way关联模式（默认1-way）
  if (HAL_ICACHE_ConfigAssociativityMode(ICACHE_2WAYS) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
  // 启用ICache
  if (HAL_ICACHE_Enable() != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

优化效果：

关闭 DMA、仅启用 2-way Cache 时，1G 数据写入同样无异常，写入速度进一步提升。

4.3 辅助优化：增大 USB 传输缓冲区

修改 USBX 配置文件ux_user.h，增大 USB Host 存储类的缓冲区大小，匹配 Hub 与 U 盘的传输需求：

// 增大USB Host存储类缓冲区（默认8K，改为16K）
#define UX_HOST_CLASS_STORAGE_MEMORY_BUFFER_SIZE 8192*2
// 增大从机请求数据最大长度（默认2K，改为4K）
#define UX_SLAVE_REQUEST_DATA_MAX_LENGTH 4096

4.4 最终测试结果（DMA+2-way Cache + 缓冲区优化）：

• 稳定性：交叉测试 3 种品牌 U 盘 + 2 款 Hub，1G 数据连续写入无一次超时，错误率 0%；
• 性能：写入速度达15.06MByte/S，满足高速数据存储需求；
• 兼容性：所有测试 U 盘（FAT32/ExFAT 格式）均正常适配。

5. 开发经验总结：USB Host 性能优化的 3 个关键认知

1. 外设性能需与 CPU 负载匹配：USB Hub 的额外协议开销会增加 MCU 的处理压力，直连场景下正常的配置，在 Hub 场景可能因 CPU 负载过高触发超时 —— 开发时需预留性能冗余；
2. DMA 是高速传输的核心保障：USB_OTG_HS、SPI、I2C 等高速外设的大数据传输场景，务必启用 DMA，将 CPU 从数据拷贝中解放出来，避免因 CPU 忙导致的传输超时；
3. Cache 配置不可忽视：ICache 的工作模式直接影响指令执行效率，在复杂协议（如 USB Host）场景下，将 ICache 配置为 2-way 模式，可显著降低缓存冲突，提升 CPU 响应速度。

额外建议：

• STM32U5 USB_OTG_HS 的 U 盘读写速度上限约为 15-20MByte/S（受 U 盘性能、Hub 带宽限制）；
• 选型时优先选择传输稳定性好的 U 盘（如 USB 2.0 高速类 U 盘），避免使用低速或兼容性差的设备；
• 若需更高传输速度，可考虑启用 USB 3.0 外设（部分 STM32 高端型号支持）或优化文件系统块大小。

参考文献

• ST 官方例程：Ux_Host_HUB_HID_MSC
• STM32U5 参考手册（RM0456）：USB_OTG_HS 外设与 ICache 章节

本文方案已通过 ST 官方验证，适用于 STM32U5 系列 MCU 的 USB Host+Hub+U 盘场景，可直接迁移至工业控制、数据记录仪、充电产品等实际项目，彻底解决读写不稳定问题。