PYNQ上手笔记(3)——PS端+PL端点灯

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

    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

    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

    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

    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

    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

    原文链接: https://blog.csdn.net/Mculover666/article/details/83051767
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