《ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0》第五章AXI GPIO按键控制LED实验
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第五章AXI GPIO按键控制LED实验
在“EMIO按键控制LED实验”中，我们通过EMIO实现了PS端与PL端的交互，而PS与PL最主要的连接方式则是一组AXI接口。AXI互联接口作为MPSOC PS和PL之间的桥梁，能够使两者协同工作，进而形成一个完整的、高度集成的系统。
本章我们将在PL端调用AXI GPIO IP核，并通过AXI4-Lite接口实现PS与PL中AXI GPIO模块的通信。本章包括以下几个部分：
5.1简介
5.2实验任务
5.3硬件设计
5.4软件设计
5.5下载验证
5.1简介
AXI GPIO IP核为AXI接口提供了一个通用的输入/输出接口。与PS端的GPIO不同，AXI GPIO是一个软核（Soft IP），即MPSOC芯片在出厂时并不存在这样的一个硬件电路，而是由用户通过配置PL端的逻辑资源来实现的一个功能模块。而PS端的GPIO是一个硬核（Hard IP），它是一个生产时在硅片中实现的功能电路。
AXI GPIO可以配置成单通道或者双通道，每个通道的位宽可以单独设置。另外通过打开或者关闭三态缓冲器，AXI GPIO的端口还可以被动态地配置成输入或者输出接口。其顶层模块的框图如下所示：
图 5.1.1 AXI GPIO框图
从图 5.1.1中可以看到，模块的左侧实现了一个32位的AXI4-Lite从接口，用于主机访问AXI GPIO内部各通道的寄存器。当右侧接口输入的信号发生变化时，模块还能向主机产生中断信号。不过只有在配置IP核时选择“使能中断”，才会启用模块的中断控制功能。
5.2实验任务
本章的实验任务是通过调用AXI GPIO IP核，使用中断机制，实现开发板上PL端按键控制PS端LED的功能。
5.3硬件设计
根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图，如下图所示：
图 5.3.1 系统框图
在图 5.3.1中，PS端的M_AXI_HPM作为主端口，与PL端的AXI GPIO IP核以AXI4-Lite总线相连接。其中，AXI互联IP（AXI Interconnect）用于连接AXI存储器映射（memory-mapped）的主器件和从器件。通用中断控制器（GIC）用于管理来自PS或者PL的中断，并把这些中断发送到CPU。
首先创建Vivado工程，工程名为“axi_gpio”，然后创建Block Design设计（design_1.bd）并添加Zynq UltraScale+ MPSOC模块。接下来按照《“Hello World”实验》中的步骤2-7、2-8分别配置PS的UART和DDR控制器。需要特别注意的是，我们在《“Hello World”实验》的步骤2-10中，移除了PS中与PL端交互的接口信号，这些接口在我们本次实验中需要予以保留。
图 5.3.2 PS中断配置界面
由于本次实验用到了PL端的中断，因此在Zynq UltraScale+ MPSOC处理系统的配置界面左侧点击“PS_PL Configuration”标签以配置中断。然后在右侧的界面中依次展开General -> Interrupts -> PL to PS，设置IRQ0为1，如图 5.3.2所示。
另外我们还要用到PS端的LED，因此需要在I/O Configuration界面勾选“GPIO1 MIO”，并设置Bank0，Bank2电压为1.8V，如下图所示：
图 5.3.3 MIO配置
最后点击右下角的“OK”，本次实验MPSOC处理系统就配置完成了。配置完成后其接口如下图所示：
图 5.3.4 MPSOC模块接口
相比于前面的几个实验，在图 5.3.4中多了一些接口信号，他们是PS使用AXI接口与PL端进行通信时所需要的信号：
M_AXI_HPM0_LPD是通用（General Purpose）AXI接口，它包含了一组信号。首字母M表示PS作为主机（Master），PL中的外设作为从机（Slave）。而左侧的maxihpm0_lpd_aclk是这个接口的全局时钟信号，它是一个输入信号，M_AXI_HPM0_LPD接口的所有信号都是在这个全局时钟的上升沿采样的。
pl_clk0是PS输出的时钟信号，它将作为PL中外设模块的时钟源。在配置MPSOC的时候，该时钟默认为100MHz。
pl_resetn0是由PS输出到PL的全局复位信号，低电平有效。
pl_ps_irq0是由PL输出到PS的中断信号。
接下来我们要在Block Design中添加PL端的AXI GPIO IP核，在Diagram窗口空白位置右击，然后选择“Add IP”。在弹出的IP目录中搜索“AXI GPIO”，最后双击搜索结果中的“AXI GPIO”将其添加到设计中，如下图所示：
图 5.3.5 添加AXI GPIO IP核
添加完成后Diagram窗口如下图所示：
图 5.3.6 添加AXI GPIO完成
双击AXI GPIO IP核，打开其配置界面如下图所示：
图 5.3.7 AXI GPIO配置
在上图中，我们需要修改红色方框所标注的两个位置。首先设置GPIO接口的位宽“GPIO Width”，最大可以支持32位。这里我们只需要连接一个按键，因此将其设置为1。另外我们还需要使能其中断功能，所以需要勾选“Enable Interrupt”。
我们也可以通过勾选图中的“All Inputs”或者“All Outputs”将GPIO指定为输入或者输出接口。这两个选项默认是没有勾选的，这样我们可以在程序中将其动态地配置成输入或者输出接口。大家需要注意箭头1所指示的参数 “Default Tri State Value”，它配置GPIO默认情况下的输入输出模式，当其为0xFFFFFFFF时，表明GPIO所有的位默认为输入模式。
另外勾选箭头2所指示的选项可以使能GPIO通道2，GPIO 2的配置与GPIO完全相同。该选项默认没有勾选，即该IP工作在单通道模式下。
AXI GPIO IP核配置完成后点击右下角的“OK”，回到Diagram界面之后会发现AXI GPIO IP核多了一个中断接口“ip2intc_irpt”。我们将鼠标指针放在该接口上，待其变成一支铅笔的样式后，按住左键将其与Zynq UltraScale+ MPSOC的中断接口“pl_ps_irq0”连接起来。如下图所示：
图 5.3.8 连接中断
然后将GPIO引脚引出。鼠标指针放到GPIO接口上，待其变成一只铅笔的样式后，右击选择Make External，如图图5.3.9所示。
图5.3.9 将GPIO引脚引出
修改AXI GPIO IP核引出的GPIO端口的名称。点击引出的GPIO_0端口，在左侧外部端口属性一栏中将其名称修改为“AXI_GPIO_KEY”，如下图所示：
图5.3.10 修改端口名称
修改端口后的Diagram窗口如下图所示：
图5.3.11 Diagram窗口
接下来点击上图中箭头所指示的Run Connection Automation，在弹出的对话框左侧确认勾选All Automation，下面列出了会自动连接的模块及其接口，点击“OK”，工具会自动连接AXI GPIO IP核的S_AXI接口，如下图所示：
图 5.3.12 自动连接
连接完成后，在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Regenerate Layout”对设计进行重新布局，布局后的界面如下图所示：
图 5.3.13 重新布局后的设计界面
从上图中可以看到，在执行了自动连接之后，工具自动添加了两个IP核，分别是AXI互联（AXI Interconnect）和处理器系统复位（Processor System Reseet）。
AXI Interconnect IP核用于将一个（或多个）AXI存储器映射的主器件连接到一个（或多个）存储器映射的从器件。在这里我们解释一下这个术语——互联（Interconnect）：互联实际上是一个开关，它管理并指挥所连接的AXI接口之间的通信。图5.3.13中橙色高亮的两组信号线表明，在这个设计中，AXI互联实现了由主器件（Zynq UltraScale+ MPSOC）到从器件（AXI GPIO）一对一的连接。它也可以实现一对多、多对一以及多对多的AXI接口连接。
Processor System Reseet IP核为整个处理器系统提供复位信号。它会处理输入端的各种复位条件，并在输出端产生相应的复位信号。在本次实验中，Processor System Reseet接收Zynq UltraScale+ MPSOC输出的异步复位信号pl_resetn0，然后产生一个同步到PL时钟源pl_clk0的复位信号peripheral_aresetn，用于复位PL端的各外设模块。如下图所示：
图 5.3.14 Processor System Reset
最后我们再来看一下设计中的时钟信号，如下图所示：
图 5.3.15 时钟信号
从图 5.3.15中可以看到PL端所有外设模块的时钟接口都连接到了Zynq UltraScale+ MPSOC输出的时钟信号pl_clk0上。需要注意的是，该时钟同样连接到了PS端maxihpm0_pld_aclk端口，作为M_AXI_HPM0_LPD接口的全局时钟信号。
到这里我们的Block Design就设计完成了，在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Validate Design”验证设计，如下图所示：
图 5.3.16 验证设计
验证完成后弹出对话框提示“Validation Successful”表明设计无误，点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl + S”保存设计。
接下来在Source窗口中右键点击Design Source设计文件“design_1.bd”，然后依次执行“Generate Output Products”和“Create HDL Wrapper”。
在左侧Flow Navigator导航栏中找到RTL ANALYSIS，点击该选项中的“Open Elaborated Design”。然后在菜单栏中点击 Layout，在下拉列表中选择I/O Planning以打开I/O Ports窗口。我们将在 I/O Ports 窗口中对AXI GPIO引出的接口AXI_GPIO_KEY进行管脚分配，如下图所示：
图5.3.17 管脚分配
在图5.3.17中，我们将AXI_GPIO_KEY分配到AD11引脚上，该引脚最终与开发板上的按键PL_KEY1相连接。管脚分配完成后按快捷键Ctrl+S保存管脚约束，在弹出的窗口中输入引脚约束文件名，然后点击“OK”，如下图所示：
图5.3.18 管脚约束文件命名
最后在左侧Flow Navigator导航栏中找到PROGRAM AND DEBUG，点击该选项中的“Generate Bitstream”，在弹出的窗口中点击“OK”，对设计进行综合、实现、并生成Bitstream文件。
Bitstream文件生成后，会弹出Bitstream Generation Completed对话框，这里直接点击取消。
在菜单栏中选择 File > Export > Export hardware导出硬件，并在弹出的对话框中，勾选“Include bitstream”，如下图所示：
图5.3.19 导出Hardware
新建vitis文件夹，将产生的xsa文件放入其中。
然后在菜单栏选择Tools > Launch Vitis，启动Vitis开发环境。在弹出的对话框中，将路径指定到新建的vitis文件夹下，点击Launch启动Vitis。
到这里我们的硬件设计部分已经结束，接下来的软件设计部分需要在Vitis软件中进行。
5.4软件设计
在Vitis软件中新建一个空的应用工程，应用工程名为“axi_gpio”。然后为应用工程新建一个源文件“main.c”，我们在新建的main.c文件中输入本次实验的代码。代码的主体部分如下所示：
1#include "stdio.h"
2#include "xparameters.h"
3#include "xgpiops.h"
4#include "xgpio.h"
5#include "xscugic.h"
6#include "xil_exception.h"
7#include "xil_printf.h"
8#include "sleep.h"
9
10 //宏定义
11 #define SCUGIC_ID XPAR_SCUGIC_0_DEVICE_ID //中断控制器ID
12 #define GPIOPS_ID XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID //PS端GPIO器件ID
13 #define AXI_GPIO_IDXPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID //PL端AXI GPIO器件ID
14 #define GPIO_INT_IDXPAR_FABRIC_GPIO_0_VEC_ID //PL端AXI GPIO中断ID
15
16 #define MIO_LED 38 //PS_LED1 连接到MIO38
17 #define KEY_CHANNEL1 //PL按键使用 AXI GPIO通道1
18 #define KEY_MASK XGPIO_IR_CH1_MASK //通道1的位定义
19
20 //函数声明
21 void instance_init(); //初始化器件驱动
22 void axi_gpio_handler(void *CallbackRef); //中断服务函数
23
24 //全局变量
25 XScuGic scugic_inst; //中断控制器 驱动实例
26 XScuGic_Config*scugic_cfg_ptr; //中断控制器 配置信息
27 XGpioPs gpiops_inst; //PS端GPIO 驱动实例
28 XGpioPs_Config*gpiops_cfg_ptr; //PS端GPIO 配置信息
29 XGpio axi_gpio_inst; //PL端AXI GPIO 驱动实例
30
31 int led_value = 1; //LED显示状态
32
33 int main()
34 {
35printf("AXI GPIO INTERRUPT TEST!\n");
36
37//初始化各器件驱动
38instance_init();
39
40//配置PS GPIO
41XGpioPs_SetDirectionPin(&gpiops_inst, MIO_LED, 1); //设置 PS GPIO 为输出
42XGpioPs_SetOutputEnablePin(&gpiops_inst, MIO_LED ,1); //使能 PS GPIO 输出
43XGpioPs_WritePin(&gpiops_inst, MIO_LED, led_value); //点亮LED
44
45//配置PL AXI GPIO
46XGpio_SetDataDirection(&axi_gpio_inst, KEY_CHANNEL, 1);//设置PL AXI GPIO 通道1为输入
47XGpio_InterruptEnable(&axi_gpio_inst, KEY_MASK); //使能通道1中断
48XGpio_InterruptGlobalEnable(&axi_gpio_inst); //使能AXI GPIO全局中断
49
50//设置中断优先级和触发类型(高电平触发)
51XScuGic_SetPriorityTriggerType(&scugic_inst, GPIO_INT_ID, 0xA0, 0x1);
52//关联中断ID和中断处理函数
53XScuGic_Connect(&scugic_inst, GPIO_INT_ID, axi_gpio_handler, &axi_gpio_inst);
54//使能AXI GPIO中断
55XScuGic_Enable(&scugic_inst, GPIO_INT_ID);
56
57//设置并打开中断异常处理功能
58Xil_ExceptionInit();
59Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
60 (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, &scugic_inst);
61Xil_ExceptionEnable();
62
63while(1);
64
65return 0;
66 }
在主函数中，首先调用自己编写的instance_init()函数对各器件驱动进行初始化。然后分别配置PS端GPIO、PL端的AXI GPIO，如程序第40至48行所示。在配置PL端AXI GPIO时，我们需要使能其中断功能，包括AXI GPIO通道1的中断和全局中断。
接下来在程序第50至55行配置GIC。每一个中断源都有自己唯一的标识——中断号（ID），具体的数值可以在头文件xparameters.h中查看。其中由PL产生的共享外设中断（SPI）共16个，中断ID分别为121到128，以及136到143。我们在程序第14行定义了一个宏GPIO_INT_ID，用于标识AXI GPIO的中断ID，它的值为121。
配置GIC首先需要设置中断ID所代表的中断源的优先级和触发类型。中断优先级共分为32个等级，0代表最高优先级，0xF8（10进制数248）代表最低优先级，各优先级之间的步进值为8。也就是说，支持的优先级分别为0、8、16、32……、248。中断触发类型分为高电平敏感类型和上升沿敏感类型。AXI GPIO在检测到输入接口的信号发生改变时，会产生一个电平类型的中断请求，高有效，因此将中断源AXI GPIO的触发类型设置为高电平敏感类型。
然后还需要将中断ID与其中断服务函数关联起来。中断服务函数axi_gpio_handler()是需要我们自己编写的，用于响应和处理AXI GPIO中断的函数。除此之外，还要调用函数XScuGic_Enable(&scugic_inst, GPIO_INT_ID)来使能中断ID所对应的中断源。
最后我们需要初始化并设置ARM处理器的异常处理功能，如程序第57至61行所示。ARM处理器支持7种异常情况：复位、未定义指令、软件中断、指令预取中止、数据中止、中断请求（IRQ）和快速中断请求（FIQ）。每种异常也都有自己的ID标识，其中XIL_EXCEPTION_ID_INT用于标识中断请求（IRQ）异常。我们通过调用函数Xil_ExceptionRegisterHandler( XIL_EXCEPTION_ID_INT, (Xil_ExceptionHandler) XScuGic_InterruptHandler,&scugic_inst )来给IRQ异常注册处理程序，它会将中断控制器GIC的中断处理程序与ARM处理器中的硬件中断处理逻辑连接起来。另外还要通过Xil_ExceptionEnable( )函数使能IRQ异常。
我们在程序中，除了main( )函数之外，另外还编写了两个函数：instance_init( )和axi_gpio_handler( void *CallbackRef )。代码如下所示：
68 //初始化各器件驱动
69 void instance_init()
70 {
71//初始化中断控制器驱动
72scugic_cfg_ptr = XScuGic_LookupConfig(SCUGIC_ID);
73XScuGic_CfgInitialize(&scugic_inst, scugic_cfg_ptr, scugic_cfg_ptr->CpuBaseAddress);
74
75//初始化PS端GPIO驱动
76gpiops_cfg_ptr = XGpioPs_LookupConfig(GPIOPS_ID);
77XGpioPs_CfgInitialize(&gpiops_inst, gpiops_cfg_ptr, gpiops_cfg_ptr->BaseAddr);
78
79//初始化PL端AXI GPIO驱动
80XGpio_Initialize(&axi_gpio_inst, AXI_GPIO_ID);
81 }
82
83 //PL端AXI GPIO 中断服务(处理)函数
84 void axi_gpio_handler(void *CallbackRef)
85 {
86int key_value = 1;
87XGpio *GpioPtr = (XGpio *)CallbackRef;
88
89print("Interrupt Detected!\n");
90XGpio_InterruptDisable(GpioPtr, KEY_MASK); //关闭 AXI GPIO 中断使能
91 key_value = XGpio_DiscreteRead(GpioPtr, KEY_CHANNEL); //读取按键数据
92 if(key_value == 0){ //判断按键按下
93 led_value = ~led_value;
94 XGpioPs_WritePin(&gpiops_inst, MIO_LED, led_value); //改变LED显示状态
95 }
96 sleep(1); //延时1s 按键消抖
97 XGpio_InterruptClear(GpioPtr, KEY_MASK); //清除中断
98 XGpio_InterruptEnable(GpioPtr, KEY_MASK); //使能AXI GPIO中断
99 }
其中instance_init( )函数用于初始化设计中所使用的各个器件的驱动，包括PS端的GIC和GPIO，及PL端的AXI GPIO，如程序第68至81行所示。其中通用中断控制器（GIC）是PS中用于集中管理中断信号的资源，如果我们在程序中使用到了中断，就需要对其进行初始化及配置。
而axi_gpio_handler( void *CallbackRef )是中断服务（处理）函数，当CPU检测到AXI GPIO产生的中断后，需要执行该函数。如程序第83至99行所示，在中断服务函数中，我们先通过XGpio_DiscreteRead ( GpioPtr, KEY_CHANNEL )函数读取AXI GPIO通道1所连接的PL端按键的状态；当判断到按键按下时，通过XGpioPs_WritePin(&gpiops_inst, MIO_LED, led_value)函数修改PS端LED的显示状态。
对于电平敏感类型的中断，在中断服务函数响应了中断之后，需要将中断源的中断清除。如程序第97行所示，我们通过XGpio_InterruptClear( GpioPtr, KEY_MASK )函数清除AXI GPIO通道1的中断状态寄存器。
程序设计完成后，按快捷键Ctrl+S保存main.c文件，然后编译工程。编译完成后控制台（Console）中会出现提示信息“Build Finished”，同时在应用工程的Binaries目录下可以看到生成的elf文件。
软件设计部分到这里就完成了。
5.5下载验证
首先我们将下载器与开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用USB连接线将USB UART(PS_PORT)接口与电脑连接，然后连接开发板的电源，给开发板上电。
打开Vitis Terminal终端，设置并连接串口。然后下载本次实验的程序，下载完成后，在下方的Terminal中可以看到应用程序打印的信息“AXI GPIO INTERRUPT TEST!”，同时开发板上的PS端LED1（红色）点亮。
实验结果如下图所示：
图 5.5.1 下载验证
我们按下开发板上的PL端按键PL_KEY1然后释放，可以看到PS_LED1熄灭。同时Terminal窗口中先后打印出“Interrupt Detected!”信息，说明检测到AXI GPIO产生的中断，如下图所示：
图 5.5.2 串口终端中打印的信息
我们每次按下按键PL_KEY1，都可以PS_LED1的显示状态发生改变，同时串口终端打印“Interrupt Detected!”信息，说明本次实验下载验证成功。
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