學(xué)習(xí)內(nèi)容

前面簡單學(xué)習(xí)了關(guān)于GPIO的操作，本次將使用PL 端調(diào)用 AXI GPIO IP 核， 并通過 AXI4-Lite 接口實(shí)現(xiàn) PS 與 PL 中 AXI GPIO 模塊的通信。

開發(fā)環(huán)境

vivado 18.3SDKPYNQ-Z2

AXI_GPIO簡介

AXI GPIO IP 核為 AXI 接口提供了一個(gè)通用的輸入/輸出接口。與 PS 端的 GPIO 不同， AXI GPIO 是一個(gè)軟核（ Soft IP），即 ZYNQ 芯片在出廠時(shí)并不存在這樣的一個(gè)硬件電路， 而是由用戶通過配置 PL 端的邏輯資源來實(shí)現(xiàn)的一個(gè)功能模塊。而 PS 端的 GPIO 是一個(gè)硬核（ Hard IP） ，它是一個(gè)生產(chǎn)時(shí)在硅片中實(shí)現(xiàn)的功能電路。我們之前驅(qū)動(dòng)的MIO接口，他屬于PS端口的一個(gè)搭載好的硬件資源，而對(duì)于AXI_GPIO這樣一個(gè)IP核來說他就相當(dāng)于與在PL的邏輯端口實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟核IP的GPIO接口。AXI 接口作為 ZYNQ PS 和 PL 之間的橋梁， 能夠使兩者協(xié)同工作，進(jìn)而形成一個(gè)完整的、 高度集成的系統(tǒng)。AXI GPIO 可以配置成單通道或者雙通道， 每個(gè)通道的位寬可以單獨(dú)設(shè)置。另外通過打開或者關(guān)閉三態(tài)緩沖器， AXI GPIO 的端口還可以被動(dòng)態(tài)地配置成輸入或者輸出接口。其頂層模塊的框圖如下所示：





模塊的左側(cè)實(shí)現(xiàn)了一個(gè) 32 位的 AXI4-Lite 從接口， 用于主機(jī)訪問 AXI GPIO 內(nèi)部各通道的寄存器。當(dāng)右側(cè)接口輸入的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，模塊還能向主機(jī)產(chǎn)生中斷信號(hào)。不過只有在配置 IP核時(shí)選擇“ 使能中斷” ， 才會(huì)啟用模塊的中斷控制功能。

我們可以在xilinx的一個(gè)說明書（UG144）中詳細(xì)的看到關(guān)于AXI_GPIO IP的具體的寄存器，對(duì)于不同功能的配置我們只需要像在ARM開發(fā)中進(jìn)行寄存器的配置即可，但寄存器的操作過于繁瑣，在一般的開發(fā)過程中我們通常進(jìn)行的都是庫函數(shù)的使用調(diào)用。

在文檔中我們可以看到IP的以下特點(diǎn)，基本包含了硬件GPIO的所有功能。設(shè)置輸入輸出模式，設(shè)置中斷等。



引腳說明表如下，在這個(gè)表中，大致分為了兩類，第一類s_axi接口的相關(guān)引腳，用于配置掛載到AXI總線，s_axi_*這是一組信號(hào)接口，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互和配置；第二類是和GPIO有關(guān)的信號(hào)接口，這里的IP中有兩組gpio，每組輸出三個(gè)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)三態(tài)緩存器實(shí)現(xiàn)三態(tài)輸出。為了實(shí)現(xiàn)中斷功能，這里的ip2intc_irpt是中斷的敏感信號(hào)。

編程指南

同樣在UG144中我們可以找到對(duì)于AXI_GPIO IP在應(yīng)用開發(fā)的時(shí)候的一個(gè)編程指南

設(shè)置帶中斷的INPUT

1. 將端口配置為輸入，將相應(yīng)的位寫入GPIOx_TRI寄存器，值為1。
2. 通過設(shè)置IP中斷使能中相應(yīng)的位使能通道中斷注冊(cè);也可以通過設(shè)置全局中斷的第31位來啟用全局中斷注冊(cè)為1。
3. 當(dāng)接收到中斷時(shí)，讀取GPIOx_DATA寄存器中相應(yīng)的位。通過寫入值為1的對(duì)應(yīng)位來清除IP中斷狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)。

這里的編程指南描述的是寄存器的配置流程，在我們的實(shí)際應(yīng)用中簡單來說就是調(diào)用庫函數(shù)配置端口為輸入，然后進(jìn)行中斷功能的注冊(cè)（類似前文的GPIO的按鍵中斷）。

配置為普通的INPUT

1. 將端口配置為輸入，將相應(yīng)的位寫入GPIOx_TRI寄存器，值為1。
2. 讀取GPIOx_DATA寄存器中相應(yīng)的位。

配置為普通的OUTPUT

1. 通過在GPIOx_TRI寄存器中寫入值為0的對(duì)應(yīng)位，將端口配置為輸出。
2. 將相應(yīng)的位寫入GPIOx_DATA寄存器。

工程系統(tǒng)框圖

實(shí)現(xiàn)功能為使用EMIO的引腳驅(qū)動(dòng)LED，使用AXI_GPIO的IP進(jìn)行按鍵控制，當(dāng)我們按鍵按下時(shí)，我們的LED進(jìn)行一次反轉(zhuǎn)。

硬件平臺(tái)搭建

同樣重復(fù)前面的步驟，打開vivado工具的block design 添加ZYNQ的IP核，完成基礎(chǔ)配置。




然后打開MIO configuration，對(duì)EMIO引腳的LED進(jìn)行配置




因?yàn)檫@里我們要使用AXI_GPIO的中斷功能，所以我們打開中斷界面進(jìn)行配置，開啟中斷后，勾選PL到PS的中斷功能。這里的中斷標(biāo)號(hào)有16個(gè)，對(duì)應(yīng)原則是[15:0]對(duì)應(yīng)的是[91:84]:[68:61]，這里我們只使用了一個(gè)中斷，所以我們的中斷標(biāo)號(hào)是61。



配置完成后添加AXI_GPIO的IP核。配置使能中斷，GPIO的位寬選擇為1即可。



完成配置后得到下圖點(diǎn)擊運(yùn)行自動(dòng)連接，可以進(jìn)行幫助我們進(jìn)行對(duì)應(yīng)端口的自動(dòng)連接：

自動(dòng)連接完成后如圖所示：



這里工具幫助我們完成了大部分的連接，但是沒有幫助我們進(jìn)行中斷功能的連線，我們需要手動(dòng)進(jìn)行連接。



手動(dòng)連接完成：




完成設(shè)計(jì)后，我們進(jìn)行g(shù)enerate output product 然后生成HDL封裝。接著就對(duì)應(yīng)引腳進(jìn)行引腳約束即可（PYNQ的粉色開發(fā)板可以直接引用這個(gè)約束）：

set_property -dict { PACKAGE_PIN R14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { GPIO_0_tri_io[0] }]; #IO_L6N_T0_VREF_34 Sch=led[0]
set_property -dict { PACKAGE_PIN D19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { axi_gpio0_tri_io[0] }]; #IO_L4P_T0_35 Sch=btn[0]

完成約束后進(jìn)行綜合布局布線，等待生成bit流文件。bit文件生成后在FILE處，點(diǎn)擊導(dǎo)出硬件資源（包含bit流文件），接著launch SDK。

軟件部分編寫

這里引用的AXI GPIO的資源對(duì)應(yīng)的是gpio的部分,配置相應(yīng)的功能函數(shù)可以參考相應(yīng)的文件和對(duì)應(yīng)的例程。




首先給出我本次的工程代碼，在后面進(jìn)行簡要的說明：

#include 
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xgpio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xparameters_ps.h"
#include "xscugic.h"
#include "sleep.h"
//設(shè)置設(shè)備id和io編號(hào)
#define GPIO_ID XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID //PS GPIO的器件ID
#define AXI_GPIO_ID XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID//AXIGPIO的器件ID
#define SCUGIC_ID XPAR_PS7_SCUGIC_0_DEVICE_ID//中斷的ID
//axi gpio的中斷號(hào)
#define AXI_GPIO_INTR_ID XPAR_FABRIC_GPIO_0_VEC_ID
#define LED0 54
//axi gpio通道1
#define AXI_GPIO_CHANNEL 1
//定義調(diào)用GpioPs的結(jié)構(gòu)體
XGpioPs gpiops;
XGpioPs_Config *gpio_cfg;
//定義調(diào)用中斷的結(jié)構(gòu)體
XScuGic gpio_gic;
XScuGic_Config *gpio_gic_cfg;
//定義調(diào)用Gpio的結(jié)構(gòu)體
XGpio axi_Gpio;
//變量聲明
u32 key_value=0;
//函數(shù)聲明
void Init_gpio();
void IntrHandler();
int main()
{
u32 led_status=0;
    init_platform();
    Init_gpio();
    Init_interrupt();
    print("axi_gpio TEST

");
    while(1)
    {
    if(key_value==1){
    //清除中斷狀態(tài)
    if(XGpio_DiscreteRead(&axi_Gpio, AXI_GPIO_CHANNEL)==1){
    led_status=~led_status;
    }
    XGpio_InterruptClear(&axi_Gpio, 0x0000001);
    key_value=0;

    XGpioPs_WritePin(&gpiops,LED0,led_status);
    usleep(200000);
    //打開中斷使能
    XGpio_InterruptEnable(&axi_Gpio, 0x0000001);//使能中斷
    }
    }
    cleanup_platform();
    return 0;
}
//初始化gpio
void Init_gpio(){
//查找設(shè)備ID，gpio初始化操作
gpio_cfg=XGpioPs_LookupConfig(GPIO_ID);
XGpioPs_CfgInitialize(&gpiops,gpio_cfg,gpio_cfg->BaseAddr);
//設(shè)置gpio為輸出，開啟使能
XGpioPs_SetDirectionPin(&gpiops,LED0,1);
XGpioPs_SetOutputEnablePin(&gpiops,LED0,1);
//對(duì)PL端的gpio進(jìn)行初始化
XGpio_Initialize(&axi_Gpio,AXI_GPIO_ID);
//對(duì)AXI設(shè)置方向
XGpio_SetDataDirection(&axi_Gpio,AXI_GPIO_CHANNEL,0x0000001);//設(shè)置為輸入

}
void Init_interrupt(){
//初始化gic
gpio_gic_cfg = XScuGic_LookupConfig(SCUGIC_ID);
XScuGic_CfgInitialize(&gpio_gic,gpio_gic_cfg,gpio_gic_cfg->CpuBaseAddress);

//初始化異常處理
Xil_ExceptionInit();
//CPU中斷異常注冊(cè)
Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,&gpio_gic);
//使能處理器中斷
Xil_ExceptionEnableMask(XIL_EXCEPTION_IRQ);

//鏈接中斷信號(hào)
XScuGic_Connect(&gpio_gic,AXI_GPIO_INTR_ID,(Xil_InterruptHandler)IntrHandler,&axi_Gpio);
//使能中斷
XScuGic_Enable(&gpio_gic,AXI_GPIO_INTR_ID);
//0xa0中斷優(yōu)先級(jí)
XScuGic_SetPriorityTriggerType(&gpio_gic,AXI_GPIO_INTR_ID,0xA0, 0x3);
//axi gpio使能中斷
XGpio_InterruptGlobalEnable(&axi_Gpio);//打開全局中斷
XGpio_InterruptEnable(&axi_Gpio, 0x0000001);//使能中斷
}
void IntrHandler(){
printf("interrupt~~

");
key_value=1;
//關(guān)閉中斷使能
XGpio_InterruptDisable(&axi_Gpio, 0x0000000);

}

部分代碼講解

代碼很類似上次的GPIO的中斷功能的代碼，這里只是更改了部分函數(shù)對(duì)axi gpio的ip進(jìn)行ip的配置，實(shí)現(xiàn)帶中斷的輸入功能的KEY。axi的初始化只需要一行代碼即可完成，然后根據(jù)編程指南設(shè)置下方向即可完成輸入的配置XGpio_Initialize(&axi_Gpio,AXI_GPIO_ID);//對(duì)PL端的gpio進(jìn)行初始化XGpio_SetDataDirection(&axi_Gpio,AXI_GPIO_CHANNEL,0x0000001);//對(duì)AXI設(shè)置方向設(shè)置為輸入對(duì)于這里的AXI_GPIO中斷的標(biāo)號(hào)就是我們前面提到的61，在這里我們可以進(jìn)行define一下，方便我們進(jìn)行引用。#define AXI_GPIO_INTR_ID XPAR_FABRIC_GPIO_0_VEC_ID//axi gpio的中斷號(hào)在SDK中尋一下這個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)也可以驗(yàn)證我們的標(biāo)號(hào)數(shù)值：



對(duì)于axi _gpio，我們配置的時(shí)候可以看到，每個(gè)IP核有兩路GPIO，這里我們只用了通道1，所以我們的通道編號(hào)定義為1 #define AXI_GPIO_CHANNEL 1//axi gpio通道1在配置axi gpio的中斷功能時(shí)，用的了XScuGic_SetPriorityTriggerType(&gpio_gic,AXI_GPIO_INTR_ID,0xA0, 0x3);在尋到該函數(shù)定義時(shí)候，可以簡要了解下參數(shù)的配置功能。

0xa0配置了中斷優(yōu)先級(jí)，這里我們不進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)的配置，所以引用的是示例里面的默認(rèn)值，中斷編號(hào)就是我們AXI GPIO的編號(hào)，0x03這個(gè)值用于配置中斷的方式。這里我們的中斷有高電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)模式。我們?cè)O(shè)置邊沿觸發(fā)后，在我們按下按鍵會(huì)滿足兩次邊沿觸發(fā)的條件（這里我感覺注釋和實(shí)際操作不相符），然后回看我們的編程指南，在中斷配置時(shí)候是也是要求我們：當(dāng)接收到中斷時(shí)，讀取GPIOx_DATA寄存器中相應(yīng)的位。通過寫入值為1的對(duì)應(yīng)位來清除IP中斷狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)。所以我們就引用了XGpio_DiscreteRead(&axi_Gpio, AXI_GPIO_CHANNEL) 對(duì)中斷的狀態(tài)進(jìn)行讀取。對(duì)應(yīng)編程指南代碼編寫如下：

//清除中斷狀態(tài)
    if(XGpio_DiscreteRead(&axi_Gpio, AXI_GPIO_CHANNEL)==1){
   led_status=~led_status;
    }
    XGpio_InterruptClear(&axi_Gpio, 0x0000001);

完成代碼編寫后下載到我們的PYNQ的開發(fā)板即可完成本次實(shí)驗(yàn)。