【正点原子FPGA连载】第四章呼吸灯实验--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之HLS 开发指南

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第四章呼吸灯实验

在前面两个实验中我们学习了如何通过Vivado HLS工具来生成带有一个ap_none接口的IP核。在本章我们将通过呼吸灯实验，来学习如何使用Vivado HLS工具生成一个带有AXI4-Lite总线接口的IP核，并学习Vivado HLS工具C/RTL协同仿真平台的使用，以及在Vivado中对综合结果进行验证的流程。
本章包括以下几个部分：
44.1简介
4.2实验任务
4.3HLS设计
4.4IP验证
4.5下载验证


4.1简介
呼吸灯采用PWM的方式，在固定的频率下，通过调整占空比的方式来控制LED灯亮度的变化。PWM（Pulse Width Modulation），即脉冲宽度调制，它利用微处理器输出的PWM信号，实现对模拟电路控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制等领域。
在由计数器产生的固定周期PWM信号下，如果其占空比为0，则LED灯不亮；如果其占空比为 100%，则LED灯最亮。所以将占空比从0到 100%，再从100%到0不断变化，就可以实现LED灯的“呼吸”效果。
PWM 占空比调节示意图如下图所示：

图 4.1.1 呼吸灯PWM占空比示意图

由上图可知，LED高电平的时间由长渐渐变短，再由短渐渐变长，如果LED灯是高电平点亮，则LED 灯会呈现出亮度由亮到暗，再由暗到亮的过程。
在本章我们将实现一个频率可调和开关可控制的呼吸灯，因此就需要一个接口来配置呼吸灯的频率和开关。我们可以通过Vivado HLS生成一个带有AXI4-Lite总线接口的IP核，然后在ZYNQ PS端通过AXI4-Lite总线来配置此IP核。
AXI的英文全称是 Advanced eXtensible Interface，即高级可扩展接口，它是 ARM 公司所提出的 AMBA （Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议的一部分。AXI协议包含了AXI4、AXI4-Lite和AXI-Stream三种协议。
AXI4 协议支持突发传输，主要用于处理器访问存储器等需要指定地址的高速数据传输场景。AXI-Lite 为外设提供单个数据传输，主要用于访问一些低速外设中的寄存器。而AXI-Stream 接口则像 FIFO 一样，数据传输时不需要地址，在主从设备之间直接连续读写数据，主要用于如视频、高速 AD、PCIe、DMA接口等需要高速数据传输的场合。
AXI4-Lite接口是简化版的AXI4接口，用于较少数据量的存储映射通信。本次实验只需要配置呼吸灯IP核的频率和开关，因此接口类型选择AXI4-Lite接口。
4.2实验任务
本节实验任务是使用正点原子ZYNQ开发板（核心板）上的 PL LED，实现呼吸灯的效果，即由灭渐亮，然后再由亮渐灭，并且PS可以通过AXI接口来控制呼吸灯的开关和呼吸的频率。
4.3HLS设计
我们在电脑中的“F:\ZYNQ\High_Level_Synthesis”目录下新建一个名为breath_led的文件夹，作为本次实验的工程目录。然后打开Vivado HLS工具，创建一个新的工程。设置工程名为“breath_led_hls”，选择工程路径为刚刚创建的文件夹。需要注意的是，工程名以及路径只能由英文字母、数字和下划线组成，不能包含中文、空格以及其他特殊字符。如下图所示：

图 4.3.1 工程配置界面

设置好工程名及路径之后，点击“Next”，进入如下界面设置顶层函数：

图 4.3.2 设置顶层函数

工程创建完成后，在工程面板中的“source”目录上点击右键，然后在打开的列表中选择“New File”新建源文件，在弹出的对话框中输入源文件的名称“breath_led.c”，如图1.3.3所示。源文件默认的保存路径为HLS工程目录，为方便源文件的管理，我们在工程目录下新建一个名为“src”的文件下，将源文件保存在src目录下。

图 4.3.3 输入源文件名

我们在图1.3.3中输入的源文件的后缀名为“.c”，即使用C语言进行设计。如果使用C++语言进行设计，那么后缀名需要设置为“.cpp”。设置好文件名和路径之后，点击“保存”。
“breath_led.c”文件源代码如下：

1. 1  #include "breath_led.h"
   
2. 2  
   
3. 3  void breath_led(uint32 sw_ctrl, uint32 freq_step, uint1* led)
   
4. 4  {
   
5. 5  #pragma HLS INTERFACE ap_none port=led
   
6. 6  #pragma HLS INTERFACE s_axilite port=freq_step
   
7. 7  #pragma HLS INTERFACE s_axilite port=sw_ctrl
   
8. 8  #pragma HLS INTERFACE ap_ctrl_none port=return
   
9. 9    uint32 duty_cycle,period_cnt;
   
10. 10   if(sw_ctrl == 1){
    
11. 11       for(duty_cycle=0; duty_cycle<50000; duty_cycle=duty_cycle+freq_step){
    
12. 12          for(period_cnt=0; period_cnt<50000; period_cnt++)
    
13. 13              *led = (period_cnt <= duty_cycle) ? 1 : 0 ;
    
14. 14       }
    
15. 15      
    
16. 16       for(duty_cycle=50000; duty_cycle>0; duty_cycle=duty_cycle-freq_step){
    
17. 17          for(period_cnt=0; period_cnt<50000; period_cnt++)
    
18. 18              *led = (period_cnt <= duty_cycle) ? 1 : 0;
    
19. 19       }
    
20. 20   }else   
    
21. 21       *led = 0;
    
22. 22 }

复制代码

在代码的第1行，包含了一个名为“breath_led.h”的头文件，这个是我们自己创建的头文件。“breath_led.h”的创建方式和“breath_led.c”的创建方式相同。创建此头文件的目的是为了函数声明，以便在测试文件中引入此头文件，从而在测试文件中可以调用我们所编写的函数。
在代码的第3行，我们在定义函数参数类型时，使用了“uint1”这种数据类型，它表示1位无符号整数。在代码的第5行到代码的第7行，#pragma为HLS优化指令，它表示led使用的是“ap_none”协议，呼吸灯开关“sw_ctrl”和频率控制字“freq_step”使用的是AXI4-Lite协议。在代码的第8行“ap_ctrl_none”表明没有添加包级别的协议，而是完全在端口接口级别用端口级别协议来做控制。
在代码的第10行是一个条件判断语句，它通过判断sw_ctrl的值来控制呼吸灯的开关。当sw_ctr的值为1时，呼吸灯打开，对应着代码的第11行到第19行；当sw_ctrl的值为0时，呼吸灯关闭，对应着代码的第21行。
在代码第12行的for循环语句通过不断增加每个PWM周期中的占空比（duty_cycle），从而实现呼吸灯从暗到亮的过程。变量freq_step用于控制呼吸灯占空比变化的“步长”，步长越大，占空比变化的越快，那么呼吸灯由暗到亮的时间越短，即呼吸频率变快。
在代码的第13行是一个三目运算符，它通过判断period_cnt和duty_cycle（占空比）值的大小来控制LED灯的输出状态。如果条件满足，即period_cnt小于duty_cycle，led赋值为1，表示点亮LED；反之，led赋值为0，表示熄灭LED。
第16至19行的for循环和第11至14行的for循环基本相同，唯一的区别是第16行中的占空比duty_cycle不断减小，从而实现呼吸灯从亮到暗的过程。
头文件“breath_led.h”的代码如下：

1. 1 #include "ap_cint.h"
   
2. 2
   
3. 3 #ifndef _BREATH_LED_H
   
4. 4 #define _BREATH_LED_H_
   
5. 5
   
6. 6 void breath_led(int sw_ctrl, uint32 freq_step, uint1* led);
   
7. 7
   
8. 8 #endif

复制代码

在代码的第1行我们引入了“ap_cint.h”的头文件来包含任意精度数据类型。在代码的第3行到第4行表示如果没有定义“breath.h”头文件则定义这个头文件，这样可以避免头文件的重复定义。在代码第6行，我们声明了“breath_led”函数，从而在测试文件中可以调用此函数。
在工程面板中的“Test Bench”目录上点击右键，然后在打开的列表中选择“New File”新建测试文件， 在弹出的对话框中输入测试文件的名称“breath_led_tb.c”，如图1.3.4所示。测试文件的保存路径为src目录。

图 4.3.4 新建测试文件

在测试文件中编写如下代码：

1. 1  #include "breath_led.h"
   
2. 2  
   
3. 3  int main(void)
   
4. 4  {
   
5. 5      uint1 led;
   
6. 6  
   
7. 7      breath_led(1, 2000, &led);   //打开呼吸灯，频率步长设置为2000
   
8. 8      breath_led(0, 2000, &led);   //关闭呼吸灯
   
9. 9  
   
10. 10     printf("test passed!\n");
    
11. 11     return 0;
    
12. 12 }

复制代码

        在测试文件中，我们通过调用“breath_led”函数，设置呼吸灯开关控制“sw_ctrl”为1打开呼吸灯，设置呼吸灯频率步长“freq_step”为2000来实现验证呼吸灯功能。
代码输入完成后，按快捷键Ctrl+S保存。然后点击工具栏中向右的绿色三角形对C代码进行综合，如下图所示：

图 4.3.5 运行C综合

综合完成后，会自动打开综合结果（solution）的报告，如下图所示：

图 4.3.4 综合报告

在所示的综合报告中，给出了设计的性能评估、资源评估以及接口等信息。本次实验中，我们重点关注综合工具为我们生成的接口信息，如下图所示：

图 4.3.5 接口信息

从图中Protocol一栏可以看出，红色方框里的协议类型为“s_axi”，它表示AXI从接口，其中s表示Slave（从端口）。然后在Source Object一栏可以看到，接口类型为“AXILiteS”,即AXI4-Lite从接口。主机可以通过AXI4-Lite总线协议配置此IP核。
下面我们进行仿真，来测试HLS设计是否满足要求。因为Vivado HLS工具不支持“ap_ctrl_none”包级别协议的仿真，所以我们在仿真前先删除所有的优化指令，如下图所示：

图 4.3.6 删除优化指令

然后再点击工具栏中的“Solution”按钮，在打开的列表中选择“Run C/RTL Cosimulation”进入C/RTL协同仿真，如下图所示：

图 4.3.7 运行C/RTL协同仿真

弹出C/RTL仿真配置界面，我们在配置界面中选择使用“Vivado Simulator”仿真器，“Dump Trace”选择“all”表示生成仿真波形。如下图所示：

图 4.3.10 C/RTL仿真配置界面

点击“OK”按钮，C/RTL仿真完成后，会在控制台看到下图所示信息，表明C/RTL协同仿真通过。

图 4.3.11 C/RTL协同仿真通过界面

        接着在工具栏中点击波形按钮，如下图所示：

图 4.3.12 波形按钮

        Vivado HLS会自动打开Vivado Simulation仿真工具，将图中所示信号添加到波形窗口中，如下图所示：

图 4.3.13 添加波形文件

        波形如下图所示：

图 4.3.14 波形图

图 4.3.15 波形图

当呼吸灯控制“sw_ctrl”为1，呼吸灯功能打开时，生成PWM波的占空比逐渐增大后又逐渐减小，说明呼吸灯由暗到亮后又由亮变暗。当呼吸灯控制sw_ctrl为0，输出“led_ap_vld”信号为高，数据有效时，led的值一直是0，表示呼吸灯关闭。通过C/RTL协同仿真表明HLS综合得到的RTL设计符合预期的功能要求。
至此C/RTL协同仿真设计完成，通过仿真C/RTL协同仿真我们验证了HLS设计的正确性。下面我们将设计打包成IP模块，以供Vivado开发套件中的其他工具（如IP集成器）使用。
将之前删除的优化指令重修添加到Vivado HLS工程中，在工具栏中点击黄色的“田”字按钮，导出RTL，如下图所示：

图 4.3.16 导出RTL

在弹出的对话框中保持默认设置，直接点击“OK”，如下图所示：

图 4.3.17 将设计导出成IP

设计导出完成后，HLS设计部分就结束了，我们在HLS工程目录下可以找到导出的IP核，如下图红色方框所示：

图 4.3.18导出得到的IP

我们到计算机工程目录所指向的文件夹中同样可以看到以ZIP压缩文件形式存在的IP核，如下图所示：

图 4.3.19 文件夹中的IP核

HLS设计结束之后，我们将在Vivado中对导出的IP核进行验证。
4.4IP验证
在IP验证环节，我们会使用Vivado工具的IP集成器将生成的IP核添加到Block Design中，然后完成设计后将程序下载到领航者开发板上进行验证。
我们在《领航者ZYNQ之嵌入式开发指南》第一章“Hello World实验”中详细介绍了如何使用Vivado创建工程，以及如何使用IP集成器（IP INTEGRATOR）创建Block Design。如果大家对这一部分内容不熟悉的话，一定要先按照《领航者ZYNQ之嵌入式开发指南》中第一章的描述，把这一流程完整的操作一遍，然后才能进行本章的IP验证环节。
在本次实验中，我们创建一个名为“key_led_ip_test”的Vivado工程。为了方便工程管理，我们将Vivado工程的目录与HLS工程目录保持一致，如下图所示：

图 4.4.1 创建Vivado工程

Vivado工程创建完成之后，本次实验的工程目录如下图所示：

图 4.4.2 按键控制LED实验工程目录

图 2.4.2中，以“_hls”结尾的文件夹为Vivado HLS工程，以“_ip_test”结尾的是用于IP验证的Vivado工程。
工程创建完成后，需要先将HLS设计过程中导出的IP核拷贝到Vivado工程目录下。我们在Vivado工程目录下新建一个名为“ip_repo”的文件夹，然后将图 2.3.26中的压缩包拷贝到该文件夹中并解压，解压完成后如下图所示：

图 4.4.3 拷贝并解压IP

接下来在Vivado中将该IP添加到工程的IP库中。添加IP核完成之后，创建一个名为“system”的Block Design。在设计中添加breath_led和ZYNQ两个IP核，并配置ZYNQ。最后连接两个IP并创建外部端口。如果大家对IP的配置和连接方式不清楚的话，请大家参考《领航者ZYNQ之嵌入式开发指南》中第五章“AXI GPIO 按键控制 LED 实验”第3小节硬件设计部分。最终完成的设计如下图所示：

图 4.4.4 完成后的Block Design

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。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Block Design设计文件“system.bd”，然后依次执行“Generate Output Products”和“Create HDL Wrapper”。
然后我们还要为设计创建约束文件navigator.xdc，并在文件中添加以下管脚约束信息：
set_property -dict {PACKAGE_PIN J16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led]
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”，对设计进行综合、实现、并生成Bitstream文件。
在生成 Bitstream 之后，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”。然后在菜单栏选择 File > Launch SDK，启动 SDK 软件。
在 SDK 软件中新建一个 BSP 工程和一个空的应用工程，应用工程名为“breath_led”。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. 1  #include "xbreath_led.h"
   
2. 2  
   
3. 3  int main()
   
4. 4  {
   
5. 5    XBreath_led led;
   
6. 6   
   
7. 7    XBreath_led_Initialize(&led, XPAR_BREATH_LED_0_DEVICE_ID);
   
8. 8   
   
9. 9    while(1)
   
10. 10   {
    
11. 11       XBreath_led_Set_freq_step(&led,40);
    
12. 12       XBreath_led_Set_sw_ctrl(&led,1);
    
13. 13       sleep(5);
    
14. 14       XBreath_led_Set_sw_ctrl(&led,0);
    
15. 15       sleep(2);
    
16. 16       XBreath_led_Set_freq_step(&led,200);
    
17. 17       XBreath_led_Set_sw_ctrl(&led,1);
    
18. 18       sleep(5);
    
19. 19   }
    
20. 20   return 0;
    
21. 21 }

复制代码

第1行引入的“xbreath_led.h”是Vivado HLS工具自动为我们生成的头文件，这个头文件包含了初始化和配置Vivado HLS生成IP核的函数。第7行初始化Vivado HLS生成的呼吸灯IP核。第11行到第13行设置呼吸灯频率步进为40，并使呼吸灯工作5秒。第14行到第15行熄灭呼吸灯2秒。第16行到第18行设置呼吸灯频率步进为200，并使呼吸灯工作5秒。
4.5下载验证
编译工程并生成比特流.bit 文件。将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的 JTAG 下载口连接，连 接电源线，并打开开发板的电源开关。 点击 Vivado 左侧“Flow Navigator”窗口最下面的“Open Hardware Manager”，此时 Vivado 软件识别 到下载器，点击“Hardware”窗口中“Progam Device”下载程序，在弹出的界面中选择“Program”下载程 序。 配置 PL 完成后，接下来我们要下载软件程序。在应用工程 user_led 上右击，选择“Run As”，然后选择 第一项“1 Launch on Hardware (System Debugger)”。程序下载完成后，可以看到核心板上的 LED1（PL LED）每7秒钟 LED 灯的呼吸频率切换一次，在切换频率之前，LED 灯会熄灭2秒钟。如下图所示：

图 4.5.1 呼吸灯实验现象