【正点原子FPGA连载】第四章 AXI GPIO按键控制LED实验--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之嵌入式开发指南_V1.2

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第四章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互联和接口作为ZYNQPS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：        

1.1        简介

1.2        实验任务

1.3        硬件设计

1.4        软件设计

1.5        下载验证

1.1 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ZYNQ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2.1.1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。

1.2 实验任务

本章的实验任务是通过调用AXI GPIOIP核，使用中断机制，实现领航者底板上PL端按键控制核心板上PS端LED的功能。

1.3 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_GP0作为主端口，与PL端的AXIGPIO 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（system.bd）并添加ZYNQ7 Processing System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ZYNQ7处理系统的配置界面左侧点击“Interrupts”标签以配置中断。然后在右侧的中断配置界面中分别勾选“Fabric Interrupts”和PL-PS Interrupt ports下面的“IRQ F2P[15:0]”，如图5.3.2所示。

另外我们还要用到PS端的LED，因此需要在MIO Configuration界面勾选“GPIO MIO”，并取消其他GPIO信号的勾选，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ZYNQ处理系统就配置完成了。

ZYNQ7 PS配置完成后其接口如下图所示：、

图 5.3.4 ZYNQ7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_GP0是通用（GeneralPurpose）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M_AXI_GP0_ACLK是这个接口的全局时钟信号，它是一个输入信号，M_AXI_GP0接口的所有信号都是在这个全局时钟的上升沿采样的。

FCLK_CLK0是PS输出的时钟信号，它将作为PL中外设模块的时钟源。这个时钟由PS中的IO PLL产生，频率范围可以从0.1到250MHz，在配置ZYNQ7 PS的时候，该时钟默认为50MHz。

FCLK_RESET0_N是由PS输出到PL的全局复位信号，低电平有效。

IRQ_F2P[0:0]是由PL输出到PS的中断信号。

接下来我们要在BlockDesign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

接下来点击图 5.3.6中箭头1所指示的位置，在弹出的对话框左侧确认勾选processing_system7_0，然后点击“OK”。这一步骤会将ZYNQ7 PS模块的DDR和FIXED_IO端口引出。

然后点击图 5.3.6中箭头2所指示的位置，弹出对话框如下图所示：

图 5.3.7 自动连接

在左侧勾选“AllAutomation”，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GPIO接口和S_AXI接口。

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 5.3.8 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（AXIInterconnect）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5.3.8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（ZYNQ7 PS）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ZYNQ7 PS输出的异步复位信号FCLK_RESET0_N，然后产生一个同步到PL时钟源FCLK_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 5.3.9 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 5.3.10 时钟信号

从图5.3.10中可以看到PL端所有外设模块的时钟接口都连接到了ZYNQ7 PS输出的时钟信号FCLK_CLK0上。需要注意的是，该时钟同样连接到了PS端M_AXI_GP0_ACLK端口，作为AXI GP接口的全局时钟信号。

大家可能已经注意到了，ZYNQ7PS模块的中断接口IRQ_F2P没有自动连接，需要我们手动连接。在此之前我们首先要配置所添加的AXI GPIO模块，使能其中断功能。

双击AXI GPIO IP核，打开其配置界面如下图所示：

图 5.3.11 AXI GPIO配置

在图5.3.11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“AllInputs”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AXIGPIO 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ZYNQ7 PS的中断接口“IRQ_F2P”连接起来。如下图所示：

图 5.3.12 连接中断

在图5.3.12中，我们还修改了AXI GPIO IP核引出的GPIO端口的名称。通过点击该端口，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 5.3.13 修改AXI GPIO端口名称

到这里我们的BlockDesign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“ValidationSuccessful”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 HDLWrapper”。

在左侧FlowNavigator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 5.3.14 管脚分配

在图5.3.14中，我们将AXI_GPIO_KEY分配到L20引脚上，该引脚最终与领航者ZYNQ底板上的按键PL_KEY0相连接。管脚分配完成后按快捷键Ctrl+S保存管脚约束。

最后在左侧FlowNavigator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 > LaunchSDK，启动SDK软件。

1.4 软件设计

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“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_ID XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID   //PL端 AXI GPIO器件 ID
    
14. #define GPIO_INT_ID XPAR_FABRIC_GPIO_0_VEC_ID   //PL端 AXI GPIO中断 ID
    
15. 
    
16. #define MIO_LED     0                           //PS LED 连接到 MIO0
    
17. #define KEY_CHANNEL 1                           //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. {
    
35.       printf("AXIGPIO INTERRUPT TEST!\n");
    
36. 
    
37.       //初始化各器件驱动
    
38.       instance_init();
    
39. 
    
40.       //配置PS GPIO
    
41.       XGpioPs_SetDirectionPin(&gpiops_inst, MIO_LED, 1);      //设置 PS GPIO 为输出
    
42.       XGpioPs_SetOutputEnablePin(&gpiops_inst, MIO_LED, 1);   //使能LED输出
    
43.       XGpioPs_WritePin(&gpiops_inst, MIO_LED, led_value);     //点亮LED
    
44. 
    
45.       //配置PL AXI GPIO
    
46.       XGpio_SetDataDirection(&axi_gpio_inst, KEY_CHANNEL, 1); //设置AXI GPIO通道1为输入
    
47.       XGpio_InterruptEnable(&axi_gpio_inst, KEY_MASK);        //使能通道1中断
    
48.       XGpio_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)
    
51.       XScuGic_SetPriorityTriggerType(&scugic_inst, GPIO_INT_ID, 0xA0, 0x1);
    
52.       //关联中断ID和中断处理函数
    
53.       XScuGic_Connect(&scugic_inst, GPIO_INT_ID, axi_gpio_handler, &axi_gpio_inst);
    
54.       //使能AXI GPIO中断
    
55.       XScuGic_Enable(&scugic_inst, GPIO_INT_ID);
    
56. 
    
57.       //设置并打开中断异常处理功能
    
58.       Xil_ExceptionInit();
    
59.       Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
    
60.               (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, &scugic_inst);
    
61.       Xil_ExceptionEnable();
    
62. 
    
63.       while(1);
    
64. 
    
65.       return 0;
    
66. }

复制代码

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_ps.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61到68，以及84到91。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61。

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AXIGPIO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：

1. //初始化各器件驱动
   
2. void instance_init()
   
3. {
   
4.       //初始化中断控制器驱动
   
5.       scugic_cfg_ptr = XScuGic_LookupConfig(SCUGIC_ID);
   
6.       XScuGic_CfgInitialize(&scugic_inst, scugic_cfg_ptr, scugic_cfg_ptr->CpuBaseAddress);
   
7. 
   
8.       //初始化PS端  GPIO驱动
   
9.       gpiops_cfg_ptr = XGpioPs_LookupConfig(GPIOPS_ID);
   
10.       XGpioPs_CfgInitialize(&gpiops_inst, gpiops_cfg_ptr, gpiops_cfg_ptr->BaseAddr);
    
11. 
    
12.       //初始化PL端  AXI GPIO驱动
    
13.       XGpio_Initialize(&axi_gpio_inst, AXI_GPIO_ID);
    
14. }
    
15. 
    
16. //PL端 AXI GPIO 中断服务(处理)函数
    
17. void axi_gpio_handler(void *CallbackRef)
    
18. {
    
19.       intkey_value = 1;
    
20.       XGpio *GpioPtr = (XGpio *)CallbackRef;
    
21. 
    
22.       print("InterruptDetected!\n");
    
23.       XGpio_InterruptDisable(GpioPtr, KEY_MASK);              //关闭AXI GPIO中断使能
    
24.       key_value = XGpio_DiscreteRead(GpioPtr, KEY_CHANNEL);   //读取按键数据
    
25.       if(key_value == 0){                                     //判断按键按下
    
26.           led_value = ~led_value;
    
27.           XGpioPs_WritePin(&gpiops_inst, MIO_LED, led_value); //改变LED显示状态
    
28.       }
    
29.       sleep(1);                                              //延时1s,按键消抖
    
30.       XGpio_InterruptClear(GpioPtr, KEY_MASK);               //清除中断
    
31.       XGpio_InterruptEnable(GpioPtr, KEY_MASK);              //使能AXI GPIO中断
    
32. }

复制代码

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，工具会自动进行编译。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。

1.5 下载验证

首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。

在SDK软件下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号设置并连接串口。然后下载本次实验硬件设计过程中所生成的BIT文件，来对PL进行配置。最后下载软件程序，下载完成后，在下方的SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息“AXI GPIOINTERRUPT TEST!”，同时核心板上的PS端LED2（红色）点亮。

实验结果如下图所示：

图 5.5.1 下载验证

我们按下领航者底板上的PL端按键PL_KEY0然后释放，可以看到核心板上PS端的LED2熄灭。同时SDK 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_KEY0，都可以看到核心板上LED2的显示状态发生改变，同时串口终端打印“Interrupt Detected!”信息，说明本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。