【i.MX6ULL的USB接口应用】：OTG与HOST模式下的使用技巧


# 摘要
本文深入探讨了i.MX6ULL在USB接口技术应用方面的丰富内容，从基础的USB OTG模式和HOST模式的理论与配置，到高级应用中的驱动开发、故障排除和性能优化策略。通过详细分析每个模式的工作原理、硬件连接、通信流程以及数据传输管理，本文为读者提供了关于i.MX6ULL USB接口全面的应用指南。特别是通过应用案例分析，本文展示了i.MX6ULL在移动存储和人机交互设备中的实际运用，并讨论了开发中可能遇到的问题和优化策略。最后，文章对USB技术的未来趋势和i.MX6ULL在其中的角色进行了展望，强调了USB技术在嵌入式系统中日益增长的重要性。

# 关键字
i.MX6ULL；USB OTG；USB HOST；驱动开发；性能优化；故障排除

参考资源链接：[i.MX6ULL应用处理器中文参考手册](https://wenku.csdn.net/doc/iip3qi8o4y?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. i.MX6ULL概述与USB接口简介

i.MX6ULL是NXP半导体推出的基于ARM Cortex-A7架构的高性能应用处理器，广泛应用于物联网和嵌入式系统领域。其丰富的接口设计为设备的扩展提供了极大的便利。在这些接口中，USB接口因其高速、易用、支持热插拔等特点，成为了连接外围设备的首选标准。

USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，是一种可以连接多个设备，实现数据通信和电源供应的串行总线标准。它的主要优势包括：

- 易用性：支持热插拔，无需重启设备即可连接或断开外围设备。
- 高速数据传输：支持多个速率模式，最高可达5Gbps（USB 3.2）。
- 通用性：广泛兼容各类外设，如键盘、鼠标、存储设备和打印机等。

对于开发者而言，理解USB接口的工作原理和配置方法对于设计和优化嵌入式系统至关重要。在本章中，我们将介绍i.MX6ULL处理器的USB接口概览，并对USB接口的基础知识进行简要说明，为后续章节中深入探讨USB OTG模式和HOST模式的应用打下基础。

# 2. i.MX6ULL USB OTG模式应用

## 2.1 OTG模式理论基础

### 2.1.1 OTG技术标准与工作原理

USB OTG（On-The-Go）技术标准是USB组织为了满足移动设备之间或移动设备与计算机之间的直接连接而设计的，它允许设备在没有PC参与的情况下，直接进行数据交换。对于嵌入式开发者而言，理解OTG工作原理是实现便携式设备或独立设备间数据交换的前提。

USB OTG采用的是Mini-AB接口，支持两种类型的设备：主机（Host）和设备（Device）。在OTG环境中，任一支持OTG的设备都可以临时转换角色，即从Host角色转换到Device角色，或反之。这种模式下的设备被称为OTG设备。

OTG设备之间的连接由特定的硬件和软件协议来控制。首先，设备通过检测连接的电压水平来判断连接的另一端是主机还是设备。主机端会提供5V的电压，而设备端不会。一旦检测到连接，软件会启用OTG协议来管理设备的角色和通信。

### 2.1.2 OTG模式下的角色切换与设备识别

在OTG模式中，角色切换（Host Negotiation Protocol, HNP）和会话请求（Session Request Protocol, SRP）是实现角色动态切换和设备识别的关键技术。HNP使得设备可以请求成为主机，而SRP则允许设备请求一个新的会话。

角色切换的过程如下：

1. 两个OTG设备连接时，默认的设备成为主机。
2. 当设备想要成为主机时，它会停止发送流控制令牌，通知当前主机它希望切换角色。
3. 当当前主机接收到该请求，并且认为可以切换时，它会发送一个特殊的事务来停止会话，并释放总线控制权。
4. 原来作为设备的OTG设备接收到总线控制权后，开始作为主机进行操作，直到它决定放弃总线控制权。

设备识别则是通过设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符来完成。每个OTG设备都有一套自己的描述符集合，用于定义设备的属性和能力，包括它可以提供的服务类型、支持的数据传输速率和使用的协议等。当OTG设备连接时，主机会读取设备的这些描述符来识别设备。

## 2.2 OTG模式的实现与配置

### 2.2.1 硬件连接与软件配置

要实现i.MX6ULL的USB OTG模式，首先需要硬件连接，确保i.MX6ULL开发板具有Mini-AB类型的USB接口。然后进行软件配置，包括内核配置和设备驱动程序的编写。

硬件连接通常涉及以下步骤：

1. 连接i.MX6ULL开发板上的Mini-AB USB接口到目标设备。
2. 如果需要，连接必要的电源线。
3. 确认物理连接正确无误，无短路或松动情况。

软件配置涉及多个层面，包括但不限于：

- 配置内核以启用USB OTG支持。
- 编写或修改gadget驱动程序以适应特定的OTG角色。
- 设置必要的电源管理策略，以支持OTG协议。

### 2.2.2 OTG通信流程和协议栈配置

OTG通信流程遵循USB通信协议栈的要求，包括USB核心层、USB设备层和USB主机层。通信流程如下：

1. 设备识别阶段：OTG设备识别过程和初始通信设置。
2. 数据传输阶段：实际的数据传输和事务处理。
3. 事务结束阶段：会话结束和角色切换。

在i.MX6ULL上实现OTG通信，开发者需要对USB协议栈进行细致配置：

- 配置USB核心层，以便正确处理不同类型的USB事务和消息。
- 配置USB设备层，编写或配置gadget驱动，确保能够处理设备端事务。
- 配置USB主机层，确保可以处理作为主机时的事务，包括HNP和SRP的实现。

## 2.3 OTG模式下的数据传输与管理

### 2.3.1 文件传输示例与代码剖析

文件传输是USB OTG模式中常见的应用场景。在i.MX6ULL上实现文件传输需要编写对应的USB gadget驱动程序，并且实现文件系统的接口。

以下是一个简化的文件传输示例的伪代码：

int file_transfer_function(struct usb_gadget *g, const char *file_path) {
    struct usb_request *req;
    int status;
    void *buffer;
    size_t size;
    ssize_t read_bytes;

    req = usb_ep_alloc_request(NULL, GFP_KERNEL);
    if (!req) {
        return -ENOMEM;
    }

    req->complete = transfer_complete_callback;
    req->buf = buffer;
    req->length = size;

    // 打开文件，准备读取数据
    file = filp_open(file_path, O_RDONLY, 0);
    read_bytes = kernel_read(file, buffer, size, &file->f_pos);

    if (read_bytes > 0) {
        // 请求发送数据
        status = usb_ep_queue(g->endpoint, req, GFP_KERNEL);
        if (status) {
            pr_err("Error in usb_ep_queue: %d\n", status);
        }
    } else {
        pr_err("Error reading file\n");
    }

    return read_bytes;
}

在本示例中，文件传输功能通过`file_transfer_function`实现。首先分配一个USB请求并填充其完成回调函数。然后，打开指定路径的文件，并读取一定数量的数据到缓冲区。最后，通过USB端点队列请求发送数据。

### 2.3.2 设备管理与动态识别机制

设备管理是USB OTG模式中另一个关键方面。动态识别机制允许设备在连接时被自动识别并分配适当的资源。设备管理涉及设备的枚举过程，这包括识别设备、配置设备和建立通信。

在i.MX6ULL上，USB设备枚举由一系列步骤组成：

1. 设备连接后，主机检测并初始化设备。
2. 设备描述符被读取，主机根据这些信息确定设备的配置。
3. 主机发送设置命令配置设备，包括为设备分配地址和设置设备的配置值。
4. 设备准备就绪后，进入数据传输阶段。

动态识别机制需要内核模块支持，可以使用Linux的USB子系统提供的API来实现。例如，使用`usb_register_driver`注册一个USB驱动程序，该驱动程序会自动处理设备的连接事件。

下面是一个USB驱动程序注册的示例代码：

static struct usb_driver my_usb_driver = {
    .name = "my_usb_driver",
    .id_table = my_usb_id_table,
    .probe = my_usb_probe,
    .disconnect = my_usb_disconnect,
};

static int __init my_usb_init(void) {
    return usb_register(&my_usb_driver);
}
module_init(my_usb_init);

static void __exit my_usb_exit(void) {
    usb_deregister(&my_usb_driver);
}
module_exit(my_usb_exit);

在此代码段中，定义了USB驱动程序结构体`my_usb_driver`，包括驱动名称、ID表、probe函数和disconnect函数。然后通过`module_init`和`module_exit`宏注册和注销驱动程序。

通过以上章节的介绍，我们逐步探索了USB OTG技术的基础知识、实现与配置方法以及如何在i.MX6ULL平台上进行数据传输与管理。接下来的章节将继续探讨i.MX6ULL在USB HOST模式下的应用。

# 3. i.MX6ULL USB HOST模式应用

## 3.1 HOST模式理论基础
### 3.1.1 HOST模式的工作原理
在HOST模式下，i.MX6ULL扮演的角色是一个主机（Host），管理与多个外设（Slave）的通信。 HOST模式允许i.MX6ULL通过USB端口连接并控制各种USB设备，如键盘、鼠标、存储设备等。为了实现这一点，i.MX6ULL需