ZYNQ学习之路3. 定制AXI IP核
ZYNQ最大的优点就是硬核A9处理器与FPGA的结合，处理器可以扩展出任何使用者想要的外设(数字逻辑外设)，FPGA与处理器通过AXI高速总线进行连接，提供了处理器到FPGA的高速带宽(ZYNQ7000最高8Gbps)。AXI总线协议相当复杂，好在Xilinx提供了AXI的打包工具，开发人员只需要在指定的位置添加自己的逻辑功能代码即可，极大的简化了开发过程。ZedBoard推出的官方例子中已经介绍了如何将Xilinx做好的AXI总线IP（如AXI_Timer、AXI_GPIO等）添加到工程中，而下面就让我们一起来自己编写一个简单的AXI总线设备——读取板上的4个Swtich状态，并控制3个LED的外设。
一. 建立LED和开关的AXI IP核
首先查看开发板的原理图，确定LED和开关的引脚：
根据原理图，确定引脚为：
| 元件 | LED_R | LED_G | LED_B | SW1 | SW2 | SW3 | SW4 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 引脚 | R14 | Y16 | Y17 | R19 | T19 | G14 | J14 |
1.1 在vivado开发环境里新建一个LED_AXI的工程，并生成一个名为system的Block Diagram文件
再添加ZYNQ7 Processing System内核系统到这个原理图中，创建好的vivado工程及Bloack Diagram如下：
双击ZYNQ7 Processing System，配置ZYNQ的DDR为MT41K256M16 RE-125
配置MIO48，MIO49为uart1的引脚
1.2 下面开始创建自定义的LED和开关IP核
点击菜单Tools->Create and Package IP...
点击next, 选择Create a new AXI4 peripheral项，上面三个是将当前工程打包。
修改IP的名称和存放位置：
这里显示了AXI总线接口的名字，接口时Slave, 数据位宽为32位，IP寄存器是4个，点击finish完成设计。
打开IP Catalog界面，我们可以看到LED_IP_v1.0，此时这个IP不具备任何功能。
右键选中LED_IP_v1.0，然后选择Edit in IP Packager项。点击OK，软件会打开另外一个vivado窗口对这个IP进行编辑
双击顶层文件LED_IP_V1_0.v打开，在下图的位置添加LED和开关的引脚端口定义：
在顶层文件LED_IP_V1_0.v的下面位置对LED和开关引脚例化：
打开LED_IP_v1_0_S00_AXI.v文件，在以下位置添加LED和开关的引脚端口定义：
屏蔽AXI总线对slv_reg0的操作。对于寄存器来说，输入端口不能自行拉低或拉高，所以写操作无效，必须屏蔽。
在程序的最后注释(//Add user logic here)位置添加代码，实现自己的逻辑功能，以下代码的意思是根据slv_reg0读取开关的状态，slv_reg1设置LED的状态。如果看不懂建议再回顾以下verilog基础吧！
// Add user logic here
always @( posedge S_AXI_ACLK )
begin
if ( S_AXI_ARESETN == 1'b0 )
begin
LED <= 0;
end
else
begin
LED <= slv_reg0[2:0];
end
end
always @( posedge S_AXI_ACLK )
begin
slv_reg0[3:0] <= SWITCH;
end
// User logic ends编译LED_IP_v1_0这个项目，确保没有错误。
双击IP-XACT下的component.xml文件，点击ports and interfaces项，点击merge changesfrom ports and Interface wizard。
在窗口中多出了我们在程序中定义的端口：
再对其他没有打钩的file groups点击Merge changes from file groups wizard来更新文件和驱动。
选择Review and Package项，然后点击Re-Package IP按钮技术IP核的设计。
到此为止，自定义的IP和设计完成了，关闭IP核的vivado工程回到LED_AXI的工程中来。
1.3 回到LED_AXI工程中设计系统原理
在Diagram窗口中搜索LED会出现刚才自定义的IP核：LED_IP_v1.0.
双击LED_IP_v1.0添加，点击Run Connection Automation，选中All automation进行总线的自动连接。
点击Run Block Automation后完成系统的设计，最后原理图如下所示。
此时LED和SWITCH的引脚并没有自动产生为外部的port，这里需要手动设置这些引脚为外部引脚，右键选中LED，选择make external
在Source窗口中选择system.bd，右键点击并选择Generate output Projects和Create HDL Wrapper选项进行操作，完成之后如下图所示：
编译后配置引脚约束，然后综合生成Bitstream文件。
导出硬件：选择菜单File->Export->Export Hardware...导出，勾选include bitstream。
导出硬件后，选择菜单File->Launch SDK, 启动SDK开发环境，进行裸机驱动编写验证IP的正确性。
二. SDK软件编程
2.1 在SDK环境里重新新建一个名为LED_test的工程，软件会自动创建一个LED_test_bsp的工程，项目使用HelloWorld为模板，新建好的工程如下：
同样的，为了能使用串口输出到终端，需要设置BSP工程的属性，指定终端标准输入输出为串口1，而不是默认的串口0。
2.2 修改LED_test工程的helloworld.c, 代码如下：
#include
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xparameters.h"
#include "LED_IP.h"
#include "xil_io.h"
#include
//look up in address editor
#define LED_BASEADDR 0x43C00000
int reg_led, reg_switch;
int main()
{
int i = 0;
init_platform();
printf("======= AXI IP Test ======\n\r");
printf("Read Switch register...\n");
printf("Light on R G B LED...\n");
while(1)
{
reg_switch = LED_IP_mReadReg(LED_BASEADDR, 0);//Switch status
printf("switch=0x%0x i =%d\n",reg_switch, i);
LED_IP_mWriteReg(LED_BASEADDR, 4, i);
i++;
if(i>=8) i = 0;
sleep(1);
}
cleanup_platform();
return 0;
} 再这里简要介绍一下驱动代码，LED_BASEADDR的是LED AXI总线挂载在处理上的地址，这个地址在添加AXI外设时软件会自动分配一个地址，默认是0x43c00000，也可以在软件的Address editor中编辑自定义的地址，但必须是AXI外设地址空间范围内。LED_IP_mReadReg函数是读取自定义AXI外设的寄存器数值，相应的LED_IP_mWriteReg是写AXI外设寄存器值，第一个参数是AXI外设的基地址，第二个参数是地址偏移，在设计verilog逻辑代码是，开关使用的是slv_reg0，所以读取开关状态是0偏移地址，而LED是slv_reg1，地址偏移是4。这里的两个读写函数都是由SDK软件自动生成，当然也可以自己实现这两个函数，那么久需要用到系统库函数读写寄存器。
2.3 下载调试
首先需要下载FPGA的程序，点击菜单Xilinx Tools->Program FPGA:
再右键选择LED_test, 点击Run as->1 launch on hardware. 在串口终端中显示如下：
同时RGB三色灯呈现8种颜色循环闪烁。到处位置，FPGA中的LED和开关的IP核创建完成。
三. Linux下的IP核驱动及应用
3.1 在Eclipse中配置Linux驱动程序开发环境，配置方法参考前面的《Eclipse开发ZYNQ驱动程序》教程，编写代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include //gpio 操作函数
#include //io读取函数
#include
#define DEVICE_NAME "LED"
#define LED_MAJOR 252
#define LED_MINOR 0
#define LED_BASEADDR 0x43C00000
unsigned int* LED_Address = 0;
int led_open(struct inode* inode,struct file* pfile);
int led_release(struct inode* inode,struct file* pfile);
int led_ioctl(struct file* pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg);
static const struct file_operations led_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_open,
.release = led_release,
.unlocked_ioctl = led_ioctl
};
int led_open(struct inode* inode,struct file* pfile)
{
printk("Open\n");
LED_Address = ioremap(LED_BASEADDR + 4,4);
return 0;
}
int led_release(struct inode* inode,struct file* pfile)
{
iounmap((void*)(LED_BASEADDR + 4));
printk("LED release\n");
return 0;
}
int led_ioctl(struct file* pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg)
{
printk("ioctl\n");
*LED_Address = arg;
return 0;
}
static struct miscdevice LED_misc =
{
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = DEVICE_NAME,
.fops = &led_fops,
};
static int __init led_init(void)
{
int ret;
ret = misc_register(&LED_misc);
if(ret)
{
printk("Error:misc_register failed!\n");
return 0;
}
printk("LED module register successfully!\n");
return 0;
}
static void __exit led_exit(void)
{
misc_deregister(&LED_misc);
printk("Exit module\n");
}
MODULE_AUTHOR("Xiong.guo");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
module_init(led_init);
module_exit(led_exit); 此处驱动不做过多的解释，因为这是最简单的Linux驱动程序了。编译驱动模块，得到ZYNQ_LED.ko文件。
3.2 在Eclipse中新建C++工程，配置方法见其他教程，编写LED的测试程序，代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "stdlib.h"
int main(int argc, char *argv[]){
int fd;
int i = 0;
printf("ZYNQ LED driver\n");
fd = open("/dev/LED",0);
if(fd < 0)
{
printf("can't open LED\n");
return 0;
}
while(1)
{
for(i=0;i<8;i++)
{
ioctl(fd,i,i);
sleep(1);
ioctl(fd,i,i);
sleep(1);
}
}
close(fd);
printf("exit led\n");
return 0;
} 编译程序得到LED_test文件。
3.3 运行程序测试，开发板与Ubuntu系统通过NFS文件传输，将ZYNQ_LED.ko和LED_test两个文件放入NFS的根目录下，在开发板的终端挂载nfs的目录到/mnt目录下，则接着可以加载模块并运行程序：
$ cd /mnt/
$ insmod ZYNQ_LED.ko
$ ./LED_test运行程序后，开发板上的三色LED循环闪烁，查看/dev目录，可以看到系统文件中多了一个名为LED的文件，这个便是刚才的驱动程序所建立的文件节点。
四. 总结
本文详细介绍了如何在ZYNQ7000中一步一步的建立自定义的IP核，并在裸机环境使用仿真器进行验证，在裸机运行无误的情况下再在Linux系统中编写驱动程序进行测试，以及Linux应用程序的测试。在以后的教程中大致上都是这样一个调试步骤，FPGA->逻辑仿真->裸机调试->Linux驱动->Linux应用，至此，ZYNQ SOC的开发流程基本都已经熟悉吧！