[米联客-安路飞龙DR1-FPSOC] SDK入门篇连载-03 GPIO PS/PL实验

软件版本：Anlogic -TD5.9.1-DR1_ES1.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用安路(Anlogic)FPGA

实验平台：米联客-MLK-L1-CZ06-DR1M90G开发板

板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/

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1 概述

本课对FPSoC芯片GPIO进行介绍，通过点亮PS LED和PL LED以及读取PL按键输入值，来控制LED灯闪烁，演示GPIO PS和GPIO PL的使用方法。

本文实验目的：

1:熟悉FPSoC PS部分PSIO的内部结构、相关寄存器

2:掌握FPSoC IP核中如何分配GPIO

3:掌握FD中如何使用PSIO

2系统框图

PSIO一般会分配到固定的外设，包括FLASH、EMMC、TFCARD、UART、USB2.0、ETH以太网。GPIO也可以单独配置成普通的PSIO，如果IO不够用也可以通过PLIO扩展更多IO。

3 GPIO介绍3.1功能描述

GPIO(General Purpose I/O Ports)，通用输入/输出端口。

DR1 器件含有通用I/O(GPI0)外设通过PS IO 模块为软件提供多达54个设备引脚的观察和控制。它还通过PL IO 接口提供对来自可编程逻辑(PL)的64 个输入和PL 的128 个输出的访问。GPI0 被组织成四组寄存器,对相关接口信号进行分组。每个GPI0 作为输入、输出或中断传感是独立和动态编程。软件可以使用单个加载指令读取bank 内的所有GPI0 值，或者使用单个存储指令将数据写入一个或多个GPIO(在GPIO 的范围内)。

软件将 GPIO配置为输出或输入。无论 GPIO设置为输入(OE 信号 false)还是输出(OE 信号true),数据寄存器始终返回GPIO引脚的状态。为了生成输出波形，软件会重复写入一个或多个 GPIO。

3.2 GPIO特性

1、设备引脚的 54 GPI0 信号(通过PS 10 多路复用器布线)

• 输出具有三态能力
  

2、PS 和PL 之间通过PL 10 接口的192 个GPIO 信号(64 输入+64输出+64输出使能)

• 64 个输入，128 个输出(64 个真实输出和64 个输出使能)
  

3、每个GPIO的功能可单独或成组动态编程

4、支持位或列数据方式对 GP10 进行写入、输出使能和方向控制

5、基于单个 GPIO 的可编程中断

• 支持初始和屏蔽中断的状态读取
• 支持中断可选灵敏度:电平敏感(高或低)或边缘敏感(正或负)
  

6、配置为 GPIO 的时候，默认状态是输入上拉

3.3 关键寄存器

名称	寄存器名	功能描述
配置控制寄存器	GPIO SWPORTA DR BLK0-3 GPIO SWPORTA DDR BLK0-3 GPIO SWPORTA DR CLR BLK0-3 GPIO SWPORTA DDR CLR BLK0-3	控制 GPIO 的输入/输出，清除输入/输出的数据。
中断寄存器	GPIO INTEN CLR BLK0-3 GPIO INTMASK CLR BLK0-3 GPIO INTTYPE LEVEL CLR BLK0-3 GPIO INT POLARITY_CLR_BLK0-3 GPIO INT BOTHEDGE CLR BLKO-3	中断使能、中断 mask、中断清除，中断响应极性设置。
Debounce寄存器	GPIO DEBOUNCE CLR BLK0-3 GPIO DEBOUNCE BLK0-3	GPIO 滤毛刺寄存器

4硬件电路分析

硬件接口和子卡模块请阅读"附录1"

配套工程的FPGA PIN脚定义路径为soc_prj/uisrc/04_pin/ fpga_pin.adc

5搭建SOC系统工程

详细的搭建过程这里不再重复，对于初学读者如果还不清楚如何创建SOC工程的，请学习"01Vitis Soc开发入门"这篇文章。

本文中的PS设置内容是新增加的GPIO PS以及GPIO PL部分，关于DDR、PSIO、CPU时钟等设置请参考"01Vitis Soc开发入门"这篇文章。

5.1GPIO配置

01Vitis Soc开发入门"这篇文章中已经对特定功能的PSIO做了设置，只有剩余的PSIO可以用于其他的自定义功能。以下设置未分配功能的PSIO,以及需要扩展的GPIO PL IO的数量。

5.2GPIO PL定义

设置好后，右击选择Create Design Port

设置IO名称、IO类型、IO位宽

最终GPIO PL需要定义到FPGA的IO中，所以我们需要引出GPIO PL信号到system_top顶层文件

1. module system_top (
   
2.     output PL_LED,
   
3.     input  PL_KEY
   
4. );
   
5.   wire [1:0] pl_gpio_in;
   
6.   wire [1:0] pl_gpio_out;
   
7.   assign PL_LED = pl_gpio_out[0];
   
8.   assign pl_gpio_in[1] = PL_KEY;
   
9.   system I_system (
   
10.       .pl_gpio_in (pl_gpio_in),
    
11.       .pl_gpio_out(pl_gpio_out)
    
12.   );
    
13. 
    
14. endmodule

复制代码

5.3编译并导出平台文件

以下步骤简写，有不清楚的看第1篇《01 Soc开发入门》文章。

导出完成后，对应工程路径的soc_hw路径下有硬件平台文件：fpga_prj.hpf的文件。根据硬件平台文件fpga_prj.hpf来创建需要Platform平台。

6 搭建SDK工程

创建soc_base sdk platform和APP工程的过程不再重复，如果不清楚请参考本章节第一个demo。

6.1创建Platform工程

创建soc_base sdk platform和APP工程的过程不再重复，如果不清楚请参考本章节第一个demo《01 Soc开发入门》文章。

6.2创建gpio_ctl_led APP工程

7程序分析

Gpio_ctl_led.c

1. #include "al_gpio_hal.h"
   
2. 
   
3. #define PS_LED 51 //PS GPIO 51
   
4. #define PL_LED 54 //PL GPIO 01
   
5. #define PS_KEY 50 //PS GPIO 50
   
6. #define PL_KEY 55 //PL GPIO 02
   
7. #define LED_IN_BANK0          0x80000
   
8. #define LED_IN_BANK2          0x1
   
9. #define AL_GPIO_DEVICE_ID     0
   
10. #define AL_GPIO_DELAY_20MS    20
    
11. #define AL_GPIO_DELAY_2000MS  2000
    
12. 
    
13. AL_S32 AlGpio_Hal_Ctl_LED_Example()
    
14. {
    
15.     AL_GPIO_HalStruct *GPIO;
    
16.     AL_S32 PS_LedValue = 0;
    
17.     AL_S32 PL_LedValue = 0;
    
18.     AL_S32 PS_KeyValue = 0;
    
19.     AL_S32 PL_KeyValue = 0;
    
20. 
    
21.     /* 1、Test AlGpio_Hal_Init */
    
22.     AL_S32 ret = AlGpio_Hal_Init(&GPIO, AL_GPIO_DEVICE_ID, AL_NULL);
    
23. 
    
24.     if (ret == AL_OK) {
    
25.         AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "[TEST] APU AlGpio_Hal_Init success");
    
26.     }
    
27.     else {
    
28.         AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "[TEST] APU AlGpio_Hal_Init failed");
    
29.     }
    
30. 
    
31.     /* 2、Test Gpio function through Bank. */
    
32.     AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK1, LED_IN_BANK0);
    
33.     AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK2, LED_IN_BANK2);
    
34.     AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_2000MS);
    
35.     AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK1, 0x0);
    
36.     AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK2, 0x0);
    
37.     AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_2000MS);
    
38. 
    
39. 
    
40.     /* 3、Test Gpio polling */
    
41.     PS_LedValue = AlGpio_Hal_ReadPinOutput(GPIO, PS_LED);
    
42.     AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "GPIO PS led value is 0x%x", PS_LedValue);
    
43.     PL_LedValue = AlGpio_Hal_ReadPinOutput(GPIO, PL_LED);
    
44.     AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "GPIO PL led value is 0x%x", PL_LedValue);
    
45. 
    
46.     while(1)
    
47.     {
    
48.             PS_KeyValue = AlGpio_Hal_ReadPinInput(GPIO, PS_KEY);
    
49.             PL_KeyValue = AlGpio_Hal_ReadPinInput(GPIO, PL_KEY);
    
50.         if(PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0){
    
51.             AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS);
    
52.             if (PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0) {
    
53.                 AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PS_LED, ~PS_LedValue);
    
54.                 AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PL_LED, ~PL_LedValue);
    
55.                 AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS);
    
56.                 AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PS_LED, PS_LedValue);
    
57.                 AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PL_LED, PL_LedValue);
    
58.                 AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS);
    
59.             }
    
60.         }
    
61.     }
    
62. 
    
63.     return AL_OK;
    
64. }
    
65. 
    
66. 
    
67. AL_S32 main(void) {
    
68.     AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "[TEST]AlGpio_Hal_CTL_LED_Test start");
    
69.     AlGpio_Hal_Ctl_LED_Example();
    
70. 
    
71.     return AL_OK;
    
72. }

复制代码

接下来对程序进行分析。

7.1GPIO位号定义

1. #define PS_LED 51 //PS GPIO 51
   
2. #define PL_LED 54 //PL GPIO 01
   
3. #define PS_KEY 50 //PS GPIO 50
   
4. #define PL_KEY 55 //PL GPIO 02

复制代码

PS GPIO比较好确认，主要是根据原理图确认好PSIO编号即可。GPIO PL扩展的GPIO需要根据绑定的FPGA PIN来划分，GPIO PL [0]位对应的位号为54，是Bank 2中的第1位。其他的以此类推。

7.2GPIO操控方法

程序中使用了2种方式演示操控GPIO，依次分析：

方法1：直接操控对应Bank寄存器，下列程序分别对Bank1以及Bank2直接进行写数据。由原理图可知PS LED为PSIO51，Bank0的最大位号为31，所以Bank1的第1个位号为32。以此类推，PSIO51对应的是在对应的地址为0x80000，正好对应第20位。PL IO由此推断为Bank2的第1位，对应的地址为0x1。该程序完成了点亮PS_LED、PL_LED持续2000MS之后再熄灭功能。

反应到开发板上状态为，PL_LED以及PS_LED先点亮200MS后熄灭。

1. /* 2、Test Gpio function through Bank. */
   
2.     AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK1, LED_IN_BANK0);
   
3.     AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK2, LED_IN_BANK2);
   
4.     AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_2000MS);
   
5.     AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK1, 0x0);
   
6.     AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK2, 0x0);
   
7.     AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_2000MS);

复制代码

方法2：通过位号控制，先通过AlGpio_Hal_ReadPinOutput函数通过位号读取了PL_LED以及PS_LED的状态。然后持续读取PS_KEY、PL_KEY的状态，当发现PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0时，也就是PL KEY或者PS KEY任意哪个按键按下时，将PL_LED以及PS_LED以20MS为周期持续取反。

反应到开发板上状态为，当任意对应按键KEY按下时，PL_LED以及PS_LED持续闪烁。

1.   /* 3、Test Gpio polling */
   
2.     PS_LedValue = AlGpio_Hal_ReadPinOutput(GPIO, PS_LED);
   
3.     AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "GPIO PS led value is 0x%x", PS_LedValue);
   
4.     PL_LedValue = AlGpio_Hal_ReadPinOutput(GPIO, PL_LED);
   
5.     AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "GPIO PL led value is 0x%x", PL_LedValue);
   
6. 
   
7.     while(1)
   
8.     {
   
9.             PS_KeyValue = AlGpio_Hal_ReadPinInput(GPIO, PS_KEY);
   
10.             PL_KeyValue = AlGpio_Hal_ReadPinInput(GPIO, PL_KEY);
    
11.         if(PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0){
    
12.             AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS);
    
13.             if (PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0) {
    
14.                 AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PS_LED, ~PS_LedValue);
    
15.                 AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PL_LED, ~PL_LedValue);
    
16.                 AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS);
    
17.                 AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PS_LED, PS_LedValue);
    
18.                 AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PL_LED, PL_LedValue);
    
19.                 AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS);
    
20.             }
    
21.         }
    
22.     }

复制代码

8方案演示
8.1硬件准备

本实验需要用到JTAG下载器、USB转串口外设，另外需要把SW1模式开关设置到JTAG模式

8.2实验结果

由于添加了PL端按键资源，所以Debug时需要将TD生成的soc_prj/soc_prj_Runs/best_result/soc_prj.bit文件同时添加进来，在debug前会先下载PL端资源后启动SOC部分。

IO输出功能，可看到底板上的PS LED以及PL LED先亮起，后熄灭。

IO输入功能,可以通过按动KEY2或KEY4，观察到PS LED以及PL LED以20MS周期闪烁。

串口观察到读取的PS LED以及PL LED的状态。