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

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适用于板卡型号：

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

 

实验Vivado工程目录为“ps_axi_gpio /vivado”。

实验vitis工程目录为“ps_axi_gpio /vitis”。

可能有些人就会问，怎么又在讲GPIO，LED灯，觉得太繁琐，但是GPIO是ZYNQ的基本操作，本教程力求把各种方法分享给大家，PS端的MIO，EMIO，PL端的axi gpio，包括输入输出两个方向，以及PS与PL的基本操作，所以还是希望大家耐心学习。

前面讲过如何用的是PS端的EMIO点亮PL端LED灯，但是并没有与PL端产生交互。本章介绍另外一种控制方法，在ZYNQ当中可以使用AXI GPIO，通过AXI总线控制PL端的LED灯。同时也介绍了PL端按键的使用。

使用zynq最大的疑问就是如何把PS和PL结合起来使用，在其他的SOC芯片中一般都会有GPIO，本实验使用一个AXI GPIO的IP核，让PS端通过AXI总线控制PL端的LED灯，实验虽然简单，不过可以让我们了解PL和PS是如何结合的。

1. 原理介绍

一个AXI GPIO模块有两个GPIO，分别是GPIO和GPIO2，也就是channel1和channel2，为双向IO。

 

AXI GPIO结构

 

FPGA工程师工作内容

以下为FPGA工程师负责内容。

2. Vivado工程建立

1）打开“ps_hello”另存为一个名为“ps_axi_gpio”Vivado工程，表示PS通过AXI总线控制gpio

 

 

“Create project subdirectory”勾选后会在目录下创建子目录，勾选“Include run results”会包含编译后的结果

 

 

2）双击xx.bd打开block design

 

 

添加AXI GPIO

3) 添加一个AXI GPIO的IP 核

 

 

4）双击刚才添加的“axi_gpio_0”配置参数

 

 

5）选择“All Outputs”，因为这里控制LED，只要输出就可以了，“GPIO Width”填1，控制1颗LED，点击OK。如果想使用channel2，需要把”Enable Dual Channel”打开，也就使能了GPIO2。

 

 

6）点击“Run Connection Automation”，可以完成部分自动连线

 

 

7）选择要自动连接的端口，这里全选，点击OK

 

 

8）点击“Optimize Routing”，可以优化布局，同时可以看到多了两个模块，一个是Processor System Reset模块，为同步复位模块，提供同一时钟域的复位信号。AXI Interconnect模块为AXI总线互联模块，用于AXI模块的交叉互联。

 

 

在这个应用中，我们可以看到用到了ZYNQ的HPM0_LPD口，此接口用于访问PL端数据，大部分应用中是为了配置PL端模块的寄存器。

 

 

复位信号由ZYNQ的复位输出提供，最好是每个时钟域都加一个复位模块，可以根据模块下面的名称搜索添加。

 

 

9）修改GPIO端口的名称

 

 

10）名称修改为leds

 

 

11）再添加一个AXI GPIO，连接PL端按键，配置GPIO参数，都为输入，宽度为1，使能中断

 

 

12）使用自动连接

 

 

13）再把端口名称改为keys

 

 

14）由于是PL端过来的中断，在这里需要配置ZYNQ处理器的中断，设置IRQ0[0-7]为1

 

 

15）连接ip2intc_irpt到pl_ps_irq

 

 

16）保存设计，点击xx.bd，右键Generate Output Products

 

 

17）在生成的Verilog文件中，可以看到有个“leds_tri_o”和”keys_tri_i”的端口，要为他们分配管脚，在绑定引脚时，以这个文件里的引脚名称为准。

 

 

3. XDC文件约束PL管脚

1）创建一个新的xdc约束文件

 

 

2）文件名称为led

 

 

3）led.xdc添加一下内容，端口名称一定要和顶层文件端口一致

##################Compress Bitstream############################set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {leds_tri_o[0]}]set_property PACKAGE_PIN AE12 [get_ports {leds_tri_o[0]}]set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {keys_tri_i[0]}]set_property PACKAGE_PIN AF12 [get_ports {keys_tri_i[0]}]

4）生成bit文件

 

 

5）导出硬件FileExportExport Hardware

 

 

6）因为要用到PL，所以选择“Include bitstream”，点击“OK”

 

 

软件工程师工作内容

以下为软件工程师负责内容。

4. Vitis程序编写

4.1 AXI GPIO点亮PL端LED灯

1）创建一个platform，创建过程参考“PS端RTC中断实验”一章

 

 

2）面对一个不熟悉AXI GPIO，我们如何控制呢？我们可以尝试一下Vitis自带的例程

3）双击“system.mss”,找到“axi_gpio_0”,这里可以点击“Documentation”来看相关文档，这里就不演示，点击“Import Examples”

 

 

4）在弹出的对话框中有多个例程，从名称中可以猜个大概，这里选第一个“xgpio_example”

 

 

5）可以看到例程比较简单，短短几行代码，完成了AXI GPIO的操作

 

 

里面用到很多GPIO相关的API函数，通过文档可以了解详细，也可以选中该函数，按“F3”查看具体定义。如果有了这些信息你还不能理解如何使用AXI GPIO，说明你需要补充C语言基础。

其实这些函数都是在操作GPIO的寄存器，AXI GPIO的寄存器也不多，主要是两个channel的数据寄存器GPIO_DATA和GPIO2_DATA，两个channel的方向控制GPIO_TRI和GPIO2_TRI，以及全局中断使能寄存器GIER，IP的中断使能IP IER和中断状态寄存器ISR，具体的功能可以看AXI GPIO的文档pg144。

 

 

比如进入到设置GPIO方向的函数中，就可以看到是在向GPIO的GPIO_TRI寄存器写数据，从而控制方向。

 

 

其他的函数也可以按此法自行研究。

4.2 下载调试

首先编译APP工程，编译方法前面的例程已经介绍过了。虽然Vitis可以提供一些例程，但有一部分例程是需要自己修改的，这个简单的LED例程就不修改了，尝试运行一下，发现不能达到预期效果，甚至提示一些错误。下载后可以看到开发板LED1快速闪烁。

 

 

4.3 寄存器方式实现

如果觉得Xilinx提供的API函数比较繁琐，效率低，也可以采取操作寄存器的方式实现LED的控制。

比如下面我们新建了axi_led的工程，修改helloworld.c如下。

 

 

其中定义的基地址GPIO_BASEADDR可以在xx.xsa中里找到

 

 

由于我们只启用了channel1，因此定义了下面的寄存器地址

 

 

这样直接操作寄存器的方式效率会比调用Xilinx API函数高，而且更直观，对于理解程序如何运行有很大帮助。但是对于大工程来讲，这种方式使用起来就比较复杂，主要依据个人需求选择。

4.4 AXI GPIO之PL端按键中断

前面的定时器中断实验的中断属于PS内部的中断，本实验中断来自PL，PS最大可以接收16个来自PL的中断信号，都是上升沿或高电平触发。

1）和前面的教程一样，在不熟悉Vitis程序编写的情况下，我们尽量使用Vitis自带例程来修改，选择“xgpio_intr_tapp_example”

 

 

2）需要修改部分代码，按键的axi gpio模块叫做axi_gpio_1，在xparameters.h中找到它的device id

 

 

3）然后可以修改GPIO和中断号的宏定义如下

 

 

4）修改测试延时时间，让我们有足够的时间去按按键

 

 

4.5 下载调试

保存文件，编译工程，打开串口终端，下载程序。如果一直不按按键，串口显示“No button pressed.”，如果按下“KEY1”按键显示“Successfully ran Gpio Interrupt Tapp Example”。

 

 

5. 实验总结

通过实验我们了解到PS可以通过AXI总线控制PL，但几乎没有体现出ZYNQ的优势，因为对于控制LED灯，无论是ARM还是FPGA，都可以轻松完成，但是如果把LED换成串口呢，控制100路串口通信，8路以太网等应用，我想还没有哪个SOC能完成这种功能，只有ZYNQ可以，这就是ZYNQ和普通SOC的不同之处。

PL端可以给PS发送中断信号，这提高了PL和PS数据交互的效率，在需要大数量、低延时的应用中需要用到中断处理。

到本章结束已经把ZYNQ的PS端MIO、EMIO，PL端GPIO如何使用讲完了，包括输入和输出以及中断处理，这些都是最基础的操作，大家还是要多多思考，理解清楚。

6. 知识点分享

1）在设计好后，可以看到Address Editor中，已经为AXI外设分配好了地址空间，其中偏移地址和空间大小是可以修改的。

 

 

但是修改偏移地址是有限制的，详情参考UG1085文档System Address一章， AXI外设连接到了M_AXI_HPM0_LPD口，在8000_0000到9FFF_FFFF地址空间内修改。

 

 

2）在使用一个模块时，需要配套的文档辅助开发，但是这些文档该如何去找呢，例如XILINX的IP，打开模块的配置，在左上角点击Documentation，再点击Product Guide，如果在安装Vivado的时候安装了DocNav，就会跳转过去打开文档。

 

 

此功能需要电脑联网，DocNav会从网站加载文档。可以点击下载按钮下载到本地。

还有一种方法是在Xilinx官网根据模块的名称搜索资料下载（页面可能会有所变化）