【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第二十九章PL端AXI GPIO的使用

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適用于板卡型號(hào)：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

實(shí)驗(yàn)Vivado工程目錄為“ps_axi_gpio /vivado”。

實(shí)驗(yàn)vitis工程目錄為“ps_axi_gpio /vitis”。

可能有些人就會(huì)問(wèn)，怎么又在講GPIO，LED燈，覺(jué)得太繁瑣，但是GPIO是ZYNQ的基本操作，本教程力求把各種方法分享給大家，PS端的MIO，EMIO，PL端的axi gpio，包括輸入輸出兩個(gè)方向，以及PS與PL的基本操作，所以還是希望大家耐心學(xué)習(xí)。

前面講過(guò)如何用的是PS端的EMIO點(diǎn)亮PL端LED燈，但是并沒(méi)有與PL端產(chǎn)生交互。本章介紹另外一種控制方法，在ZYNQ當(dāng)中可以使用AXI GPIO，通過(guò)AXI總線控制PL端的LED燈。同時(shí)也介紹了PL端按鍵的使用。

使用zynq最大的疑問(wèn)就是如何把PS和PL結(jié)合起來(lái)使用，在其他的SOC芯片中一般都會(huì)有GPIO，本實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)AXI GPIO的IP核，讓PS端通過(guò)AXI總線控制PL端的LED燈，實(shí)驗(yàn)雖然簡(jiǎn)單，不過(guò)可以讓我們了解PL和PS是如何結(jié)合的。

1. 原理介紹

一個(gè)AXI GPIO模塊有兩個(gè)GPIO，分別是GPIO和GPIO2，也就是channel1和channel2，為雙向IO。

AXI GPIO結(jié)構(gòu)

FPGA工程師工作內(nèi)容

以下為FPGA工程師負(fù)責(zé)內(nèi)容。

2. Vivado工程建立

1）打開(kāi)“ps_hello”另存為一個(gè)名為“ps_axi_gpio”Vivado工程，表示PS通過(guò)AXI總線控制gpio

“Create project subdirectory”勾選后會(huì)在目錄下創(chuàng)建子目錄，勾選“Include run results”會(huì)包含編譯后的結(jié)果

2）雙擊xx.bd打開(kāi)block design

添加AXI GPIO

3) 添加一個(gè)AXI GPIO的IP 核

4）雙擊剛才添加的“axi_gpio_0”配置參數(shù)

5）選擇“All Outputs”，因?yàn)檫@里控制LED，只要輸出就可以了，“GPIO Width”填1，控制1顆LED，點(diǎn)擊OK。如果想使用channel2，需要把”Enable Dual Channel”打開(kāi)，也就使能了GPIO2。

6）點(diǎn)擊“Run Connection Automation”，可以完成部分自動(dòng)連線

7）選擇要自動(dòng)連接的端口，這里全選，點(diǎn)擊OK

8）點(diǎn)擊“Optimize Routing”，可以優(yōu)化布局，同時(shí)可以看到多了兩個(gè)模塊，一個(gè)是Processor System Reset模塊，為同步復(fù)位模塊，提供同一時(shí)鐘域的復(fù)位信號(hào)。AXI Interconnect模塊為AXI總線互聯(lián)模塊，用于AXI模塊的交叉互聯(lián)。

在這個(gè)應(yīng)用中，我們可以看到用到了ZYNQ的HPM0_LPD口，此接口用于訪問(wèn)PL端數(shù)據(jù)，大部分應(yīng)用中是為了配置PL端模塊的寄存器。

復(fù)位信號(hào)由ZYNQ的復(fù)位輸出提供，最好是每個(gè)時(shí)鐘域都加一個(gè)復(fù)位模塊，可以根據(jù)模塊下面的名稱搜索添加。

9）修改GPIO端口的名稱

10）名稱修改為leds

11）再添加一個(gè)AXI GPIO，連接PL端按鍵，配置GPIO參數(shù)，都為輸入，寬度為1，使能中斷

12）使用自動(dòng)連接

13）再把端口名稱改為keys

14）由于是PL端過(guò)來(lái)的中斷，在這里需要配置ZYNQ處理器的中斷，設(shè)置IRQ0[0-7]為1

15）連接ip2intc_irpt到pl_ps_irq

16）保存設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊xx.bd，右鍵Generate Output Products

17）在生成的Verilog文件中，可以看到有個(gè)“l(fā)eds_tri_o”和”keys_tri_i”的端口，要為他們分配管腳，在綁定引腳時(shí)，以這個(gè)文件里的引腳名稱為準(zhǔn)。

3. XDC文件約束PL管腳

1）創(chuàng)建一個(gè)新的xdc約束文件

2）文件名稱為led

3）led.xdc添加一下內(nèi)容，端口名稱一定要和頂層文件端口一致

##################CompressBitstream############################set_propertyBITSTREAM.GENERAL.COMPRESSTRUE[current_design]set_propertyIOSTANDARDLVCMOS33[get_ports{leds_tri_o[0]}]set_propertyPACKAGE_PINAE12[get_ports{leds_tri_o[0]}]set_propertyIOSTANDARDLVCMOS33[get_ports{keys_tri_i[0]}]set_propertyPACKAGE_PINAF12[get_ports{keys_tri_i[0]}]

4）生成bit文件

5）導(dǎo)出硬件FileExportExport Hardware

6）因?yàn)橐玫絇L，所以選擇“Include bitstream”，點(diǎn)擊“OK”

軟件工程師工作內(nèi)容

以下為軟件工程師負(fù)責(zé)內(nèi)容。

4. Vitis程序編寫(xiě)

4.1 AXI GPIO點(diǎn)亮PL端LED燈

1）創(chuàng)建一個(gè)platform，創(chuàng)建過(guò)程參考“PS端RTC中斷實(shí)驗(yàn)”一章

2）面對(duì)一個(gè)不熟悉AXI GPIO，我們?nèi)绾慰刂颇?？我們可以嘗試一下Vitis自帶的例程

3）雙擊“system.mss”,找到“axi_gpio_0”,這里可以點(diǎn)擊“Documentation”來(lái)看相關(guān)文檔，這里就不演示，點(diǎn)擊“Import Examples”

4）在彈出的對(duì)話框中有多個(gè)例程，從名稱中可以猜個(gè)大概，這里選第一個(gè)“xgpio_example”

5）可以看到例程比較簡(jiǎn)單，短短幾行代碼，完成了AXI GPIO的操作

里面用到很多GPIO相關(guān)的API函數(shù)，通過(guò)文檔可以了解詳細(xì)，也可以選中該函數(shù)，按“F3”查看具體定義。如果有了這些信息你還不能理解如何使用AXI GPIO，說(shuō)明你需要補(bǔ)充C語(yǔ)言基礎(chǔ)。

其實(shí)這些函數(shù)都是在操作GPIO的寄存器，AXI GPIO的寄存器也不多，主要是兩個(gè)channel的數(shù)據(jù)寄存器GPIO_DATA和GPIO2_DATA，兩個(gè)channel的方向控制GPIO_TRI和GPIO2_TRI，以及全局中斷使能寄存器GIER，IP的中斷使能IP IER和中斷狀態(tài)寄存器ISR，具體的功能可以看AXI GPIO的文檔pg144。

比如進(jìn)入到設(shè)置GPIO方向的函數(shù)中，就可以看到是在向GPIO的GPIO_TRI寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)，從而控制方向。

其他的函數(shù)也可以按此法自行研究。

4.2 下載調(diào)試

首先編譯APP工程，編譯方法前面的例程已經(jīng)介紹過(guò)了。雖然Vitis可以提供一些例程，但有一部分例程是需要自己修改的，這個(gè)簡(jiǎn)單的LED例程就不修改了，嘗試運(yùn)行一下，發(fā)現(xiàn)不能達(dá)到預(yù)期效果，甚至提示一些錯(cuò)誤。下載后可以看到開(kāi)發(fā)板LED1快速閃爍。

4.3 寄存器方式實(shí)現(xiàn)

如果覺(jué)得Xilinx提供的API函數(shù)比較繁瑣，效率低，也可以采取操作寄存器的方式實(shí)現(xiàn)LED的控制。

比如下面我們新建了axi_led的工程，修改helloworld.c如下。

其中定義的基地址GPIO_BASEADDR可以在xx.xsa中里找到

由于我們只啟用了channel1，因此定義了下面的寄存器地址

這樣直接操作寄存器的方式效率會(huì)比調(diào)用Xilinx API函數(shù)高，而且更直觀，對(duì)于理解程序如何運(yùn)行有很大幫助。但是對(duì)于大工程來(lái)講，這種方式使用起來(lái)就比較復(fù)雜，主要依據(jù)個(gè)人需求選擇。

4.4 AXI GPIO之PL端按鍵中斷

前面的定時(shí)器中斷實(shí)驗(yàn)的中斷屬于PS內(nèi)部的中斷，本實(shí)驗(yàn)中斷來(lái)自PL，PS最大可以接收16個(gè)來(lái)自PL的中斷信號(hào)，都是上升沿或高電平觸發(fā)。

1）和前面的教程一樣，在不熟悉Vitis程序編寫(xiě)的情況下，我們盡量使用Vitis自帶例程來(lái)修改，選擇“xgpio_intr_tapp_example”

2）需要修改部分代碼，按鍵的axi gpio模塊叫做axi_gpio_1，在xparameters.h中找到它的device id

3）然后可以修改GPIO和中斷號(hào)的宏定義如下

4）修改測(cè)試延時(shí)時(shí)間，讓我們有足夠的時(shí)間去按按鍵

4.5 下載調(diào)試

保存文件，編譯工程，打開(kāi)串口終端，下載程序。如果一直不按按鍵，串口顯示“No button pressed.”，如果按下“KEY1”按鍵顯示“Successfully ran Gpio Interrupt Tapp Example”。

5. 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們了解到PS可以通過(guò)AXI總線控制PL，但幾乎沒(méi)有體現(xiàn)出ZYNQ的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閷?duì)于控制LED燈，無(wú)論是ARM還是FPGA，都可以輕松完成，但是如果把LED換成串口呢，控制100路串口通信，8路以太網(wǎng)等應(yīng)用，我想還沒(méi)有哪個(gè)SOC能完成這種功能，只有ZYNQ可以，這就是ZYNQ和普通SOC的不同之處。

PL端可以給PS發(fā)送中斷信號(hào)，這提高了PL和PS數(shù)據(jù)交互的效率，在需要大數(shù)量、低延時(shí)的應(yīng)用中需要用到中斷處理。

到本章結(jié)束已經(jīng)把ZYNQ的PS端MIO、EMIO，PL端GPIO如何使用講完了，包括輸入和輸出以及中斷處理，這些都是最基礎(chǔ)的操作，大家還是要多多思考，理解清楚。

6. 知識(shí)點(diǎn)分享

1）在設(shè)計(jì)好后，可以看到Address Editor中，已經(jīng)為AXI外設(shè)分配好了地址空間，其中偏移地址和空間大小是可以修改的。

但是修改偏移地址是有限制的，詳情參考UG1085文檔System Address一章， AXI外設(shè)連接到了M_AXI_HPM0_LPD口，在8000_0000到9FFF_FFFF地址空間內(nèi)修改。

2）在使用一個(gè)模塊時(shí)，需要配套的文檔輔助開(kāi)發(fā)，但是這些文檔該如何去找呢，例如XILINX的IP，打開(kāi)模塊的配置，在左上角點(diǎn)擊Documentation，再點(diǎn)擊Product Guide，如果在安裝Vivado的時(shí)候安裝了DocNav，就會(huì)跳轉(zhuǎn)過(guò)去打開(kāi)文檔。

此功能需要電腦聯(lián)網(wǎng)，DocNav會(huì)從網(wǎng)站加載文檔。可以點(diǎn)擊下載按鈕下載到本地。

還有一種方法是在Xilinx官網(wǎng)根據(jù)模塊的名稱搜索資料下載（頁(yè)面可能會(huì)有所變化）