ZYNQ開發(fā)案例：GPIO的結(jié)構(gòu)體系及使用案例

GPIO的結(jié)構(gòu)體系

zynq的GPIO，分為兩種，MIO(multiuse I/O)和EMIO(extendable multiuse I/O)。

ZYNQ的GPIO由4個BANK組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Bank0有32個GPIO引腳，Bank1有22個引腳，共54個GPIO引腳直接通過MIO連接到PS上，每個引腳可以通過寄存器的設(shè)置來確定該引腳為輸入、輸出或者中斷，因為54個MIO引腳直接連接在PS上，像其他普通ARM一樣，不需要通過XPS進行硬件配置，直接通過SDK編程即可。

Bank2和Bank3通過EMIO接口將CPU的GPIO連接到PL部分的引腳上，其中每個Bank各有32個引腳，通過EMIO擴展的GPIO連接到PL上，可以在PL部分進行邏輯設(shè)計，進行特定功能的IP核制定。然后在PS部分，像控制普通MIO一樣進行編程。因此，使用EMIO引腳必須通過XPS進行硬件配置，然后在PS部分使用SDK進行編程控制。

圖1 GPIO的組成

GPIO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部數(shù)據(jù)流及寄存器結(jié)構(gòu)如圖2所示。上半部分為GPIO中斷相關(guān)的寄存器，下半部分為GPIO查詢方式讀寫的寄存器。

圖2 GPIO寄存器數(shù)據(jù)流組成

DATA_RO寄存器是讀取GPIO引腳值寄存器，不論該GPIO引腳配置為輸入還是輸出，都能正確讀取該GPIO引腳值。如果該引腳的功能沒有配置成GPIO功能，讀取的值為隨機值，因為該寄存器只能讀取GPIO引腳值。

DATA寄存器的值是要輸出到GPIO引腳上的數(shù)值，當(dāng)讀取該寄存器的數(shù)值時，結(jié)果是前一次寫入DATA寄存器里的數(shù)值，而不是當(dāng)前GPIO引腳的數(shù)值。

MASK_DATA_LSW和MASK_DATA_MSW寄存器是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)寄存器（DATA）和屏蔽寄存器（MASK）的結(jié)合，該寄存器32位，分成高16位和低16位，其中高16位作為傳統(tǒng)的MASK使用，低16位作為傳統(tǒng)的DATA使用。因此，MASK_DATA_LSW是對GPIO的16位引腳進行設(shè)置和屏蔽寄存器。當(dāng)某位在MASK_DATA_LSW高16位屏蔽時，即使修改MASK_DATA_LSW低16位的數(shù)據(jù)，也不影響該位GPIO值。

DIRM寄存器是方向控制寄存器，控制GPIO的輸入或者輸出，該寄存器值不影響輸入，即GPIO輸入功能始終有效。

OEN寄存器是輸出時能寄存器，當(dāng)GPIO引腳被配置成輸出引腳時，該寄存器控制該引腳是否輸出；當(dāng)GPIO引腳被配置成輸出禁止時，該引腳為三態(tài)；當(dāng)OEN[x] = 0時，輸出無效。

GPIO使用實例

ZYNQ核的添加及配置

Step1:新建一個名為為Miz701_sys的工程

Step2:選擇RTL Project 勾選Do not specify source at this time

Step3:選擇芯片型號xc7z010clg400-1

Step4:單擊Finish

使用IP Integrator創(chuàng)建硬件系統(tǒng)

Step1:單擊Create Block Design

Step2:輸入system

Step3:添加IP按鈕

Step4:搜素單詞z選擇ZYNQ7 Processing System，然后雙擊

Step5:添加進來了ZYNQ CPU IP，雙擊ZYNQ CPU IP。

Step6: 修改時鐘輸入為50MHZ，可以看到ARM時鐘為650MHZ DDR為525MHZ(1050MHZ)，并且修改FCLK_CLK0 為100MHZ

step7：修改內(nèi)存型號為MT41K256M16RE-125 M，單擊OK。

Setp8:選擇MIO Configuration選項卡，再看到I/O Peripherals 中的GPIO一欄，勾選上其中的EMIO一欄，并選擇4位引腳輸出（最多可以選擇64位，但是這個使用只需要4位足夠了）。

Setp9:按照上圖設(shè)置好了之后，點擊OK，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)的zynq核心多出一組引腳名為GPIO_0,這個正是我們剛剛設(shè)置的一組EMIO，我們右擊該引腳，選擇make external把GPIO_0引腳引出（或者單擊該引腳處，按快捷鍵Ctrl +t，也可以將引腳引出）。效果如下圖所示：

step10：:單擊Run Block Automation 進行自動連線，VIVADO軟件會根據(jù)信號的命名規(guī)則智能連線。

Step11:在你點擊了OK后，你會發(fā)現(xiàn)DDR以及FICED_IO自動的延伸出來，然后把時鐘FCLK_CLK0和M_AXI_GPI0_ACLK連接，其實就是給M_AXI_GP0_ACLK提供一個時鐘。方法：當(dāng)把鼠標(biāo)靠近的時候會自動連接。

產(chǎn)生HDL和約束文件

Setp1:接下來依然是，右鍵單擊Block文件，文件選擇Generate the Output Products，是文件得到一定的約束。

Setp2:彈出如下對話框，直接點擊Generate

Setp3:繼續(xù)右鍵單擊Block文件，選擇Create a HDL wrapper，根據(jù)Block文件內(nèi)容產(chǎn)生一個HDL 的頂層文件：

Setp4:并選擇讓vivado自動完成

Setp5:這里我們看到，Vivado給我創(chuàng)建了這樣的頂層文件，其中的gpio_0_tri_io就是我們配置的EMIO

EMIO的管腳約束修改

我們發(fā)現(xiàn)，之前引出的EMIO叫做GPIO_0，到了頂層他的名字gpio_0_tri_io，而不是GPIO_0。所以分配引腳的時候就要注意了名字別錯了，創(chuàng)建一個約束文件，分配引腳如下：

產(chǎn)生bit文件

此時可以，開始生成bit文件了：

導(dǎo)出bit文件

編譯成功之后，依然是導(dǎo)出硬件：

加載到SDK

通過4個GPIO口輸出高低電平到引出的引腳上。

配置GPIO的步驟如下：

通過GPIO的外設(shè)ID找到對應(yīng)的外設(shè)信息；

填充GPIO外設(shè)寄存器基地址和一些相關(guān)信息；

配置GPIO口的方向為輸出方向；

配置GPIO口的輸出使能；

設(shè)置GPIO口輸出高低電平；

打開SDK，然后新建一個工程，以及添加一個main.C文件。

添加程序如下：

編輯：hfy