Zynq-7000系列之linux开发学习笔记：PS和PL端的GPIO使用（三）

开发板：Zynq7030数据采集板
PC平台：Ubuntu-18.04 + MobaXterm
开发环境：Xilinx Vivado + SDK -18.3
学习目标：PS通过 EMIO、AXI_GPIO 口来控制PL端LED

一、MIO、EMIO、AXI_GPIO

GPIO是最常见的一种IO外设。在Zynq7000平台下，Xilinx为我们提供了 MIO、EMIO、AXI_GPIO ，三种类型的GPIO口。
MIO是属于PS端的固定IO口，使用时不需要消耗PL端的资源；EMIO是通过PL进行扩展的IO口，使用时需要分配PL端的引脚，消耗PL端资源；AXI_GPIO是Xilinx封装好的IP核，是PS端通过AXI GP总线控制PL端的IO口技术，使用时需要消耗PL端资源。

• MIO、EMIO
  Zynq7000系列芯片提供54个MIO引脚，被分配在GPIO的Bank0和Bank1中，与PS端直接相连。这些GPIO引脚连接着PS端的许多外设和存储设备接口，如下图中所示。
  
  同时还提供64个EMIO引脚，这些引脚被分配在Bank2和Bank3中。当PS端的MIO不够用时，可以配置来控制PL端的引脚。MIO、EMIO的框架如下图中所示：

其在Bank中的分布如下：

MIO-EMIO	Bank
MIO 0 - 31	Bank 0
MIO 32 - 53	Bank 1
EMIO 54 - 85	Bank 2
EMIO 86 - 117	Bank 3

• AXI_GPIO
  AXI_GPIO实际是PL端的IO管脚挂载在AXI GP总线上，通过PS端来控制的接口。这种接口是PS-PL互联技术中的一种，详细的AXI内容可以去查看相应的官方文档。该接口可以在Zynq的框架中看见，如下图中左下角的绿框中所示。
  

二、Vivado工程创建

由于设计的Zynq7030数据采集板的PS端MIO没有专门引出IO口接LED灯，所以本次实验就只做EMIO、AXI_GPIO两种方式控制PL端的LED。

1. EMIO控制LED
   首先打开Vivado创建工程，命名为emio_gpio。然后按照上一篇文章Zynq-7000系列之linux开发学习笔记：HelloWorld（二）的介绍完成工程创建。
   
   进入到Vivado界面后，点击 Create Block Design 按钮，设计命名为emio_gpio。
   
   Zynq PS的IP配置在上篇文章的基础上，在 Peripheral I/O Pins 中添加GPIO EMIO配置。并在 MIO Configuration 中将 EMIO GPIO (Width) 设置为1即可。
   
   
   其余配置可保持不变，保存后就可以得到如图的原理图设计。
   
   右键GPIO_0，点击 Make External ，为其添加连线，并改名为 emio_gpio 。接着就可以生成顶层文件，关闭窗口。
   
   
   原理框图设计完成后，需要进行管脚约束设置。点击 Open Elaborated Design ，可以看到如图所示的界面。再点 Window -> I/O Ports ，在界面下面就可以看到IO口的配置窗口。找到刚才命名的emio_gpio口，然后为其分配管脚：N8 （这里的管脚分配要参考具体硬件设计中的管脚编号）。
   
   保存配置，退出窗口后会弹出如下图的窗口，同样将约束文件命名为：emio_gpio。
   
   在工程栏中的Sources下的Constraints目录下找到刚才创建的约束文件。然后再添加一行约束代码：

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {emio_gpio_tri_io[0]}]

当然，约束文件也可以自己创建编写，不需要经过上面的步骤。打开生成的顶层Verilog文件，找到创建的emio_gpio在代码中的定义。这里如图中所示为：emio_gpio_tri_io。接下来就只需按照约束文件的代码格式编写管脚约束文件即可。

set_property PACKAGE_PIN N8 [get_ports {emio_gpio_tri_io[0]}]  
//PACKAGE_PIN是分配管脚，N8就是PL中的管脚名称
set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {emio_gpio_tri_io[0]}]
//IOSTANDARD是设置IO口的电压标准，LVCMOS18就是1.8V的LVCMOS电压标准。

上面内容都搞定后，就可以生成Bitstream，导出硬件配置，打开SDK软件。

这里同样创建一个应用工程，命名为emio_gpio，并采用Hello World工程模块。就在此模板的基础上进行修改，代码如下：

#include 
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xgpiops.h"

int main()
{
    XGpioPs gpioStruct;
    XGpioPs_Config *gpioConfig;
    int pinNum = 54; //MIO共有54个，编号从0-53，所以54即是第一个EMIO口
    s32 xStatus;

    print("hello!\n\r");

    //初始化MIO
    gpioConfig = XGpioPs_LookupConfig(XPAR_PS7_GPIO_0_DEVICE_ID);//通过device_ID获取GPIO寄存器基地址
    if(gpioConfig == NULL)  //若指针为空，说明没有找到对应的设备或者FPGA底层未进行配置
    {
        print("Can not lookup gpioConfig!!!\n\r");
        return XST_FAILURE;
    }
    //初始化GPIO
    xStatus = XGpioPs_CfgInitialize(&gpioStruct, gpioConfig, gpioConfig->BaseAddr);
    if(xStatus != XST_SUCCESS)
    {
        print("PS MIO GPIO Initialize failed!!!\n\r");
    }
    else
    {
        print("PS MIO GPIO Initialize successed!!!\n\r");
    }
    
    XGpioPs_SetDirectionPin(&gpioStruct, pinNum, 1);//设置GPIO的引脚以及输入输出模式
    XGpioPs_SetOutputEnablePin(&gpioStruct, pinNum, 1);//设置GPIO的输出使能

    while(1)
    {
        XGpioPs_WritePin(&gpioStruct, pinNum, 1);   //输出高电平
        print("EMIO_GPIO LED ON!!!\n\r");
        for(int i = 0;i < 50000000;i++);   //延时

        XGpioPs_WritePin(&gpioStruct, pinNum, 0);   //输出低电平
        print("EMIO_GPIO LED OFF!!!\n\r");
        for(int i = 0;i < 50000000;i++);   //延时
    }
    return 0;
}

保存代码SDK就可以自动编译，然后打开PC端的MobaXterm，创建串口。SDK里通过JTAG配置FPGA，下载运行程序，就可以看见 EMIO_GPIO LED ON!!! 和 EMIO_GPIO LED OFF!!! 循环打印，板子上的LED也在不停的亮灭翻转。

2. AXI_GPIO控制LED
   首先打开Vivado创建工程，命名为axi_gpio，并完成工程创建。
   
   进入到Vivado界面后，点击 Create Block Design 按钮，设计命名为axi_gpio。

然后添加 axi_gpio 的IP核，如下图所示。

双击IP核进入到配置窗口，勾选上All Outputs，并设置GPIO Width为1即可。

然后再添加Zynq PS的IP核，并进入到配置窗口。在 PS-PL Configuration 里勾选上 FCLK_RESET0_N 和 M AXI GPIO interface 。因为这里需要用到AXI GP总线，PS是MASTER。

在 Clock Configuration 里勾选上 FCLK_CLK0 50MHz。其余配置可同EMIO配置一样。

配置完成后，点击 Run Connection Automation 和 Run Block Automation ，都勾选上点击OK就行。

Vivado完成自动连线后，就可以看到如图所示的原理框图。保存好设计，然后就可以生成顶层文件。

接下来就是编写管脚约束文件，方法可以和EMIO里提到的一样。这里新建一个约束文件，点击图中的 Add Sources ，在弹出的窗口中选择 Add or create constraints 。

点击 Create File ，新建一个约束文件，并命名为 axi_gpio 。

然后编写相应的管脚约束文件即可。

set_property PACKAGE_PIN N8 [get_ports {axi_gpio_tri_o[0]}]  
set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {axi_gpio_tri_o[0]}]

上面内容都搞定后，就可以生成Bitstream，导出硬件配置，打开SDK软件。

同样创建一个应用工程，命名为axi_gpio，并采用Hello World工程模块。在模板基础上修改代码如下：

#include 
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xgpio.h"

int main()
{
    XGpio gpioStruct;
    s32 xStatus;

    print("hello!\n\r");

    //初始化GPIO
    xStatus = XGpio_Initialize(&gpioStruct, 0);
    if(xStatus != XST_SUCCESS)
    {
        print("AXI_GPIO Initialize failed!!!\n\r");
    }
    else
    {
        print("AXI_GPIO Initialize successed!!!\n\r");
    }

    XGpio_SetDataDirection(&gpioStruct, 1, 0);//设置GPIO的引脚以及输入输出模式

    while(1)
    {
    	XGpio_DiscreteWrite(&gpioStruct, 1, 1);   //输出高电平
        print("AXI_GPIO LED ON!!!\n\r");
        for(int i = 0;i < 50000000;i++);   //延时

        XGpio_DiscreteWrite(&gpioStruct, 1, 0);   //输出低电平
        print("AXI_GPIO LED OFF!!!\n\r");
        for(int i = 0;i < 50000000;i++);   //延时
    }
    return 0;
}

保存代码，然后打开PC端的MobaXterm，创建串口。SDK里通过JTAG配置FPGA，下载运行程序，就可以看见 AXI_GPIO LED ON!!! 和 AXI_GPIO LED OFF!!! 循环打印，板子上的LED也在不停的亮灭翻转。

这里要注意一下：在使用MIO或者EMIO时，由于是PS端进行控制，所以头文件是使用"xgpiops.h"；而在使用AXI_GPIO时，头文件为"xgpio.h"。
另外，使用EMIO 和 AXI_GPIO时，要记得进行管脚分配，并编写约束文件。