ARM+FPGA开发：基于AXI总线的GPIO IP创建

FPGA+ARM是ZYNQ的特点，那么PL部分怎么和ARM通信呢，依靠的就是AXI总线。这个实验是创建一个基于AXI总线的GPIO IP，利用PL的资源来扩充GPIO资源。通过这个实验迅速入门开发基于总线的系统。

使用的板子是zc702。

AXI总线初识：

AXI （Advanced eXtensible Interface），由ARM公司提出的一种总线协议。总线是一组传输通道， 是各种逻辑器件构成的传输数据的通道， 一般由数据线、地址线、 控制线构成。 Xilinx从6系列的 FPGA 开始对 AXI 总线提供支持， 此时 AXI 已经发展到了 AXI4 这个版本， Vivado里都是基于AIX4的 IP。

ZYNQ支持三种AXI总线，拥有三种AXI接口，用的都是AXI协议：
AXI4：（For high-performance memory-mapped requirements）主要面向高性能地址映射通信的需求，是面向地址映射的接口，允许最大256轮的数据突发传输。
AXI4-Lite：（For simple, low-throughput memory-mapped communication）是一个轻量级的地址映射单次传输接口， 占用很少的逻辑单元。
AXI4-Stream：（For high-speed streaming data）面向高速流数据传输，去掉了地址项，允许无限制的数据突发传输。

数据在总线上是遵守协议定的规则来传输的，AXI信号传输先是传地址，然后检测READY+VALID，都为高电平时开始传数据，当主机发送最后一个数据时LAST信号拉高，通知从机传输结束。

在介绍读写如何进行前先介绍握手协议：

READY，VALID握手通信机制，主机产生 VLAID 信号来指明何时数据或控制信息有效。从机产生 READY 信号来指明已经准备好接受数据或控制信息。传输发生在 VALID和 READY 信号同时为高的时候。（还有一个LAST信号表示什么时候传到最后一个数据了）

读时序：地址线上发来地址，地址准备和地址有效都高时，开始发送要读的数据，读准备和读有效都高时数据被读取到，发最后一个数据时读LAST信号拉高。

 

 

写时序：地址线上发来地址，地址准备和地址有效都高时，开始发送要写的数据，写准备和写有效都高时数据写入，发最后一个数据时写LAST信号拉高。写数据多了一个反馈信号，反馈给主机，主机接收到这个信号，就知道写成功了。

 

 

这个协议可以暂时不去理清，知道大致信号关系，后面会通过观察波形进一步加深印象，这次实验的重点是学习通过编程操作寄存器完成读写！

第一步，创建AXI总线IP

新建一个工程，Tools-->Create and Pacakge IP-->选择Create AXI4 Peripheral

 

 

创建完以后（起个易理解的名字，放到能找到的路径下），有三项需要设置：接口类型，数据类型和寄存器数量

 

 

我们按默认这是就好，记住这里的设置：选择AXI_Lite总线，数据位宽是32位，也就是4字节，寄存器4个，实际我们用到的只有一个，但这里最低要求4个，没关系，多出的不用就是，待会我们就要通过操作寄存器完成对数据的读写。

然后选择Edit IP，

打开ip的工程后，先打开这个文件：

 

 

这个就是基于AXI_Lite总线协议的模块，可以看到我们设置的数据位宽和寄存器数量：

 

 
 

 

AXI总线向寄存器写数据：

 

 

AXI总线下读寄存器的数据：

 

 

接下来我们添加一个信号，将寄存器绑定到用户输出，用这个输出控制LED灯，这样可以通过观察LED的亮灭看有没有写入成功。

 

 
 

 

然后打开顶层文件：

 

 

将添加的信号加上去：

 

 
 

 

保存，Tools-->Create and Package IP:

 

 

overwrite原来的文件。

在IP自己创建的工程文件夹里，打包好的IP就是这个文件夹，可以将其拷贝放到任意地方：

 

 

至此，基于AXI_Lite总线的IP就完成了。可以将这个文件夹拷到你之前建的工程目录下，我是放在myip文件夹下。

第二步，使用基于AXI总线的IP

将我们自定义的IP添加到库里：

 

 

Create Block Design，命名为GPIO_AXI_LED,

添加zynq核，双击修改ddr信号，其他默认设置：

 

 

添加我们自己创建的IP，然后点击自动连接：

 

 

会自动出现互联模块和复位模块，互联模块主要是起管理主从设备的作用：

 

 

本来我们还应该添加逻辑分析仪观察AXI总线的各信号波形，但是为了先上手体验怎么开发基于AXI的系统，我们先略过，放在下一个实验中。

再点击Run Block Automatiom：

 

 

将LED信号也输出出来，右击GPIO_LED，Make External。

右击空白处，选择Regenerate layout，美化一下排版：

 

 

这样我们的系统就搭建成功了，下面就是一些例行操作：

检验一下我们的设计：

 

 

保存一下我们的设计：

 

 

右键bd文件，复位一下系统，Reset Output Products：

 

 

右键bd文件，Geberate Output Products，

右键bd文件，Create HDL Wrapper。

然后就是添加管脚约束，把GPIO_LED信号连接到LED灯上：

zc702的管教约束如下：

#GPIO PMOD1
set_property PACKAGE_PIN E15 [get_ports {GPIO_LED[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports {GPIO_LED[7]}]
set_property PACKAGE_PIN D15 [get_ports {GPIO_LED[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports {GPIO_LED[6]}]
set_property PACKAGE_PIN W17 [get_ports {GPIO_LED[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports {GPIO_LED[5]}]
set_property PACKAGE_PIN W5 [get_ports {GPIO_LED[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports {GPIO_LED[4]}]
#GPIO PMOD2
set_property PACKAGE_PIN V7 [get_ports {GPIO_LED[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports {GPIO_LED[3]}]
set_property PACKAGE_PIN W10 [get_ports {GPIO_LED[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports {GPIO_LED[2]}]
set_property PACKAGE_PIN P18 [get_ports {GPIO_LED[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports {GPIO_LED[1]}]
set_property PACKAGE_PIN P17 [get_ports {GPIO_LED[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS25 [get_ports {GPIO_LED[0]}]

添加完先综合一下，看看连线有没有错误。综合完成生成比特流文件。
至此，大功告成，下面就到了本实现的重点，进入SDK写代码来读写寄存器！

将硬件系统信息和bit文件导入SDK：

 

 

然后Lanch SDK，新建一个空的工程：

 

 

在src文件下建一个c文件：

 

 

c大家都知道，用到什么函数要将这个函数所在的文件添加到头文件，这类先把头文件添加进去：

#include
#include "xparameters.h"
#include "xil_io.h"
#include "sleep.h"
#include "xil_types.h"

Xinlin提供的读函数是Xil_Out32((BaseAddr) + (u32)(RegOffset))，写函数是Xil_Out32((BaseAddr) + (u32)(RegOffset), (u32)(Data))，读写都是相对于Master而言的，读当然是In，写当然是Out了。

前面我们提到了，读写是对我们定义的寄存器操作，我们这里8个led灯，只要用到寄存器0的低8位就可以了。既然要操作寄存器，肯定要知道寄存器的地址，所有设备的地址都放在bsp文件下的include文件里的xparameters.h文件里，并且以宏定义，方便调用：

 

 

例如我们的自定义IP在这里，GPIO_Zhu，第一个是基地址，第二个是最高地址，：

 

 

寄存器0所在地址就是基地址，偏移量为0，因为我们定义的位宽是32位，4个字节，寄存器1所在地址就是基地址+4，依次类推。

这里我们让8个Led灯依次闪烁，1秒移动一次，并读取寄存器的数据打印到串口：
#include
#include "xparameters.h"
#include "xil_io.h"
#include "sleep.h"
#include "xil_types.h"

int main(){
u8 i=0;
u8 ledValue=0;
Xil_Out32(XPAR_GPIO_ZHU_V1_0_0_BASEADDR+0*4,0X00);
while(1){
for(i=0;i Xil_Out32(XPAR_GPIO_ZHU_V1_0_0_BASEADDR+0*4,1 ledValue=Xil_In32(XPAR_GPIO_ZHU_V1_0_0_BASEADDR+0*4);
xil_printf("ledValue=%x/r/n",ledValue); //打印到串口
sleep(1); //1s移动一次
}
i=0;
}
}

板子上电，连接好，以Debug方式运行：

 

 

下载好后，打开串口：

 

 
 

 

点击开始运行：

 

 

Led开始依次闪烁了！，并且在串口看到打印出的数据：

 

 

至此，实验成功，开启了我们ARM+FPGA开发之路！以后可以尝试开发更复杂的系统。

编辑：hfy