PYNQ上手笔记 | ③PS端+PL端点灯
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上一节中分别独立实验了Zynq的PS端和PL端，并初步实验了PS端先硬件再软件的开发流程和IP核设计的设计方法。第一节中提及到：Zynq是以PS端的ARM处理器系统为核心的，PS端和PL端是通过AXI总线，并且Xilinx已经提供了各种AXI通信的IP核，接下来的实验中将会更加明确的体验到利用IP核设计的设计方法。
1.实验目标
板载的LED和RGBLED都是接在PL端的，这个实验将利用PS端程序通过AXI总线控制连接在PL端的LED。
2.实验步骤
整个实验流程参考《The Zynq Book Tutorials》的chpt1：First Designs on Zynq（这本实验指导手册是英文的，但我个人认为英文原版要比中文看着清楚很多）。
需要注意的一点是，这本实验指导手册是针对Zybo和Zedboard的，将其中关于板子的操作换为Pynq中的即可。关于软件驱动程序的部分，书中是采用空白工程+导入随书程序的方法，这里因为板子不同，不采用这种方法，直接利用SDK导入例程。
2.1.创建基于Pynq-Z2开发板的Vivado工程
2.2.基于ip核构建BlockDesign
点击左侧导航栏“IP INTEGRATOR -> Create Bolock Design”，在IP集成环境下创建一个块上设计：
2.2.1.ZYNQ7 Processing System ip 核
注：搜索“zynq”即可添加。
从图中可以看出，这只是一个空的IP核，并没有任何连接，双击打开该ip核配置，也全都是默认配置，接下来需要将这个IP核与实际PS处理器系统对应，点击Run Block Automation，Vivado就会自动根据板子的PS配置信息进行对应，这就是为什么要使用board file的原因，如果没有这个官方提供的board file，所有的PS端配置信息都需要手动配置：
自动连接完成后，可以看到ip核的DDR端口和FIXED_IO端口已经导出，与实际开发板配置对应：
这个时候双击ip核打开设置可以看到都已经自动完成了，其中“Peripheral I/O Pins”是指定PS端I/O外设引脚，此处我们暂且不作修改：
2.2.2.AXI GPIO ip 核
注：搜索“gpio”即可添加。
同样的，AXI GPIO ip核也是一个空核，并没有进行任何连接，要注意的是，这是AXI GPIO软核，在PL端实现，S_AXI端连接在AXI总线上与PS端处理器进行通信，GPIO端连接实际引脚（可任意分配），驱动板载外设。
首先对AXI GPIO ip核双击进行设置：
然后同样的，点击“Run Connection Automation”，自动完成ZynqPS核和AXI GPIO核之间的连接：
连接完成后可以看到，整个硬件设计如下：
点击右侧Address Editor即可看到硬件相关信息，在PL端实现的axi_gpio_0 IP核中所包含的寄存器首地址和结束地址，这个信息待会就要导出到硬件设计文件中，通过软件操作相关寄存器。
2.2.3.验证设计
整体设计完成后，首先按F6或者选择Tools -> Validate Design验证设计：
2.3.导出硬件设计到SDK
2.3.1.由设计文件创建HDL文件
在源文件页面右击设计文件，选择创建HDL文件
2.3.2.生成Bitstream
在右侧导航栏选择"PROGRAM AND DEBUG -> Generate Bitstream"，生成比特流文件，用来配置PL端的设计（AXI GPIO 软ip核）, 此过程需要花10-20min不等。
2.3.3.导出硬件设计文件
接下来导出整个设计的硬件设计文件（hdf）供SDK进行软件设计使用，因为设计中包含PL端设计，所以要勾选包含Bitstream文件：
2.3.3.过渡到SDK
导出完成之后硬件设计工作完成，打开SDK，进入软件设计工作：左上角进入“File -> Launch SDK”:
2.4.SDK中软件设计
2.4.1.工程目录
其中：
- 橙色部分是需要自己编写的应用程序代码
- 带有bsp的绿色部分是SDK自动生成的板级驱动支持包
- 黄色部分是关于ARM内核的一些硬件设计文件
2.4.1.1.硬件设计文件（hdf）
红色文件system.hdf就是在vivado中设计完硬件之后导出的硬件设计文件，其中包含了一些设计信息和寄存器地址映射，可以看到其中axi_gpio_0 ip核所包含寄存器的地址信息和之前在vivado中看到的完全一样：
2.4.1.2.板级驱动支持包（BSP）
板级驱动包中只需要关注绿色的文件system.mss，这个文件说明了该工程中板级驱动支持包的所有信息，包括：
-
目标硬件信息
-
采用操作系统信息
-
外设驱动信息
-
库信息
2.4.1.3.应用程序代码（APP）
应用程序代码可以自己编写或者从例程导入，这里直接在system.mss文件中导入：
一共包括4个例程，导入第一个基本例程：
2.4.2.xgpio_example
最好的参考资料是官方文档，包含XGpio操作所有的API说明
2.4.2.1.Xilinx GPIO 控制器介绍
Xilinx GPIO控制器是专为Xilinx FPGA设计的软IP核，有以下功能：
- 每个通道可设置32个I/O
- 每个I/O可设置为输入或输出
- 可配置支持双通道和外部中断
XGpio的API声明在xgpio.h文件中，API实现在xgpio.c文件中
2.4.2.2. 初始化XGpio
API：int Xgpio_Initialize(InstancePtr,DeviceID)
功能：根据给定的DeviceID初始化调用者提供的XGpio实例
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| InstancePtr | sturct* XGpio | GPIO实例指针(xgpio.h) |
| DeviceID | u16 | 导出hdl时自动生成（xparameters.h） |
| return | int | 成功-XST_SUCCESS 失败-XST_DEVICE_NOT_FOUND |
注：
xparameters.h是在导出硬件设计文件时由Vivado自动生成的，包含了所有系统硬件参数的宏定义。
打开xparameters.h找到AXI_GPIO_0的有关宏定义，即可看到和之前在vivado中，在hdf文件中看到的，都是对应的：
2.4.2.3. 设置XGpio输入/输出方向
API：void XGpio_SetDataDirection(XGpio *InstancePtr, unsigned Channel, u32 DirectionMask)
功能：根据给定的DeviceID初始化调用者提供的XGpio实例
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| InstancePtr | sturct* XGpio | GPIO实例指针(xgpio.h) |
| Channel | unsigned | 包含要操作的GPIO的通道 |
| DirectionMask | u32 | 指定32个I/O的方向，0-出，1-入 |
注意：如果此功能与除1之外的任何通道一起使用，则必须为双通道构建硬件。如果不是，则此功能将断言。
2.4.2.4. XGpio电平逻辑操作
API：XGpio_DiscreteWrite（XGpio * InstancePtr，unsigned Channel，u32 Data）
功能：写入指定GPIO通道的寄存器
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| InstancePtr | sturct* XGpio | GPIO实例指针(xgpio.h) |
| Channel | unsigned | 包含要操作的GPIO的通道 |
| Data | u32 | 32个I/O的电平，0-低，1-高 |
2.4.2.4.1.置高某个I/O的电平
API：XGpio_DiscreteSet（XGpio * InstancePtr，unsigned Channel，u32 Mask）
功能：将输出设置为指定GPIO通道的逻辑1
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| InstancePtr | sturct* XGpio | GPIO实例指针(xgpio.h) |
| Channel | unsigned | 包含要操作的GPIO的通道 |
| DirectionMask | u32 | 将被设置为1的位组，0-不选中，1-选中（其它位不受影响） |
2.4.2.4.1.拉低某个I/O的电平
API：XGpio_DiscreteClear（XGpio * InstancePtr，unsigned Channel，u32 Mask）
功能：将输出设置为指定GPIO通道的逻辑0
| 参数 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| InstancePtr | sturct* XGpio | GPIO实例指针(xgpio.h) |
| Channel | unsigned | 包含要操作的GPIO的通道 |
| DirectionMask | u32 | 将被设置为0的位组，0-不选中，1-选中（其它位不受影响） |
2.4.3.修改main程序
导入的例程中如果未发生异常，串口没有任何输出，所以为了测试，进行以下小修改，将串口输出代码提前：
2.4.4.下载并运行程序
因为该设计中包含PL端设计比特流，所以在run程序前需要设置，右键->Run As -> Run Configurations：
3.实验结果
注：要在运行之前开启串口终端。
4.实验总结
完成了整个实验后再来看这张图，首先在PL端通过添加AXI GPIO IP核实现一个GPIO控制器，GPIO控制器由于在PL端，所以输出直接与4个板载LED相连，然后vivado自动布局布线，将GPIO控制器的受控端与PS端处理器核进行对应连接，然后生成导出硬件设计文件供SDK使用。
SDK根据硬件设计文件生成C工程，通过运行于PS端ARM处理器的程序控制PL端实现的GPIO控制器，完成PS通过AXI总线控制PL端LED（GPIO）的实验。
5.实验扩展
5.1.自己动手实现led驱动
5.1.1.新建空工程
在SDK中左上角“File -> New -> Application Project”，创建一个空工程：
5.1.2.头文件
/**
* @filename led_bsp_mculover666.h
* @brief 实现板载4颗LED驱动
* @data 2018/10/18
* @author Mculover666
*/
#ifndef LED_BSP_MCULOVER666_H_
#define LED_BSP_MCULOVER666_H_
#include "xgpio.h"
#include "xparameters.h"
#define ON 1
#define OFF 0
#define LED_XGpio_Device_ID XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID
#define LED_XGpio_Channel 1
#define LED 0x0000000F
#define LED1 0x00000001
#define LED2 0x00000002
#define LED3 0x00000004
#define LED4 0x00000008
/* 初始化LED所在io */
void led_init();
void LED1_Statue(int statue);
void LED2_Statue(int statue);
void LED3_Statue(int statue);
void LED4_Statue(int statue);
void LED_Statue(int statue);
#endif /* LED_BSP_MCULOVER666_H_ */
5.1.3.源文件
/**
* @filename led_bsp_mculover666.c
* @brief 实现板载4颗LED驱动
* @data 2018/10/18
* @author Mculover666
*/
#include "led_bsp_mculover666.h"
XGpio gpio; //实例化一个Xgpio类型结构体
/**
* @brief LED IO初始化
* @param none
* @retval none
* */
void led_init()
{
/* 初始化XGpio */
XGpio_Initialize(&gpio, LED_XGpio_Device_ID);
/* 设置XGpio中LED所在引脚方向为输出 */
/* !!!注意:0-output 1-input !!! */
XGpio_SetDataDirection(&gpio, LED_XGpio_Channel, ~LED);
/* 默认输出低电平 */
XGpio_DiscreteClear(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED);
}
/* 定义LED单个操作函数 */
void LED1_Statue(int statue)
{
if(statue)
XGpio_DiscreteSet(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED1); //低电平点亮
else
XGpio_DiscreteClear(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED1); //高电平点亮
}
void LED2_Statue(int statue)
{
if(statue)
XGpio_DiscreteSet(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED2); //低电平点亮
else
XGpio_DiscreteClear(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED2); //高电平点亮
}
void LED3_Statue(int statue)
{
if(statue)
XGpio_DiscreteSet(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED3); //低电平点亮
else
XGpio_DiscreteClear(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED3); //高电平点亮
}
void LED4_Statue(int statue)
{
if(statue)
XGpio_DiscreteSet(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED4); //低电平点亮
else
XGpio_DiscreteClear(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED4); //高电平点亮
}
/* 定义LED整体操作函数 */
void LED_Statue(int statue)
{
if(statue)
XGpio_DiscreteSet(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED); //低电平点亮
else
XGpio_DiscreteClear(&gpio, LED_XGpio_Channel, LED); //高电平点亮
}
5.1.4.主文件
/**
* @filename main.c
* @brief 测试LED驱动
* @data 2018/10/18
* @author Mculover666
*/
#include "led_bsp_mculover666.h"
#include "xil_printf.h"
int main()
{
/* 初始化LED所在io */
led_init();
print("LED init ok\r\n");
/* 打开所有io */
LED_Statue(ON);
print("LED is all on\r\n");
while(1);
}
5.1.5.实验结果
5.2.加入RGBLED驱动
加入RGBLED驱动有两种方法：
-
挂载在已实现的axi_gpio_0的通道1上：axi_gpio_0支持32个io，led只使用了前4个，所以可以将两颗rgbled的6个引脚挂载在axi_gpio_0上
-
挂载在已实现的axi_gpio_0的通道2上
因为硬件设计文件更改，所以需要重新自动布局布线，生成比特流，导出硬件文件
然后将程序中通道值改为2，LED的值改为0x3f（使用了6个io）即可看到现象：
#define LED 0x3f /* Assumes bit 0 of GPIO is connected to an LED */
#define LED_CHANNEL 2