[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK入门篇连载-18 PL AXI-GPIO实验

​ 软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1概述
本文介绍VIVADO自带IP AXI-GPIO扩展PS IO的使用。我们在前面的文章中通过EMIO实现过扩展PS的IO，通过EMIO的方式实际上IO控制器还是用PS的。那么AXI-GPIO更多是使用FPGA资源实现的IO的扩展。并且很多应用中，我们会把AXI-GPIO的控制信号用于FPGA内部逻辑和PS之间的数据交互，比如通过AXI-GPIO输出复位信号，或者通过AXI-GPIO的输入中断，扩展出更多中断。
在本文的demo中，我们将实现通过AXI-GPIO扩展2个IO实现LED驱动，以及2个IO实现按键输入，并且通过按键输入产生2个GPIO中断。
本文实验目的：
1:通过阅读pg144-axi-gpio.pdf熟悉AXI-GPIO的硬件资源(配套工程的soc_prj/06_doc路径)
2:通过VIVADO搭建AXI-GPIO的SOC工程,通过按键模拟输入、LED模拟输出
3:使用VITIS-SDK编写AXI-GPIO测试程序，完成GPIO输入、输入中断、输出测试
2系统框图
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3AXI-GPIO IP概述

AXI-GPIO IP通过AXI-Lite-slave连接到PS。具体2个通道，每个通道32个GPIO。在IP里面可以固定配置为输入或者输出，也可以通过软件控制寄存器配置为输入或者输出。并且支持中断输入，AXI-GPIO的构架如下图所示。

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3.1特性

-支持axis4 - lite接口规范

-支持可配置的单或双GPIO通道

-支持GPIO引脚1 ~ 32位的通道宽度配置

-支持动态规划每个GPIO位作为输入或输出

-支持每个通道的单独配置

-支持所有寄存器的每个位的独立重置值

-支持可选的中断请求生成

3.2寄存器说明
1:数据寄存器GPIOx_DATA

有两个GPIO数据寄存器(GPIO_DATA和GPIO2_DATA)，每个通道对应一个。通道1数据寄存器(GPIO_DATA)始终存在;通道2数据寄存器(GPIO2_DATA)只有当IP配置为双通道(Enable dual channel = 1)时才存在。

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​
2:三态寄存器GPIOx_TRI

有两个AXI GPIO 3-state控制寄存器(GPIO_TRI和GPIO2_TRI)，每个通道对应一个。通道2 3状态控制寄存器(GPIO2_TRI)只有在IP配置为双通道使能双通道= 1时才存在。

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3:全局中断使能寄存器(GIER)

设置31bit位为1使能中断。

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​
4:IP-CORE中断使能寄存器(IPIER)
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​
5:IP状态寄存器(IPISR)
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​
4硬件电路分析
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这里使用按键输入BTN3和BTN4,配套工程的FPGA PIN脚定义路径为soc_prj/uisrc/04_pin/ fpga_pin.xdc。

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。

5.1SOC系统工程
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1:中断设置
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2:设置GP Master接口
​
3:设置复位输出
​
4:设置PL时钟
​
5:AXI-GPIO

输出输出各设置2bit,支持中断

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5.2设置AXI外设地址分配

从本节课开始，只要添加的AXI总线外设都要正确分配地址

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5.3编译并导出平台文件

以下步骤简写，有不清楚的看第一篇文章。

1:单击Block文件à右键àGenerate the Output ProductsàGlobalàGenerate。

2:单击Block文件à右键à Create a HDL wrapper(生成HDL顶层文件)àLet vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。

3:添加配套工程路径下uisrc/04_pin/fpga_pin.xdc约束文件

4:生成Bit文件。

5:导出到硬件: FileàExport HardwareàInclude bitstream

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

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6搭建Vitis-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SDK Platform工程
​

右击soc_base编译，编译的时间可能会有点长

6.2创建APP工程
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7程序分析

在前面文章文章中，我们已经使用过PS的中断，比如GPIO中断、定时器中断、看门狗中断、I2C中断等等。其中关于sys_intr.c中的函数都做了详细介绍。所以本文开始不再介绍sys_intr.c中的函数。

7.1axi_gpio_test.c测试程序

1. #include "sys_intr.h"
   
2. #include "axi_gpio_intr.h"
   
3. #include "sleep.h"
   
4. 
   
5. void init_intr_sys(void)
   
6. {
   
7. 
   
8.         Gpiopl_init(&Gpio, AXI_GPIO_DEV_ID);//初始化GPIO
   
9. 
   
10.         Init_Intr_System(&Intc); //初始化系统中断
    
11. 
    
12.         Gpiopl_Setup_Intr_System(&Intc, &Gpio, GPIO_INTR_ID); //设置GPIO中断
    
13. 
    
14.         Setup_Intr_Exception(&Intc);
    
15. }
    
16. 
    
17. int main(void)
    
18. {
    
19.         init_intr_sys();
    
20. 
    
21.         while(1)
    
22.         {
    
23.                 if(gpio_intr_flag) //判断中断是否发生，当中断发生后，读取中断，并且打印产生中断的按键号
    
24.                 {
    
25.                         gpio_intr_flag = 0; //清除中断标志
    
26.                         XGpio_DiscreteWrite(&Gpio,2,gpio_val); //用按键的输入去点亮LED
    
27.                         printf("SW=%d int\n\r", gpio_val);
    
28.                 }
    
29. 
    
30.         }
    
31.         return XST_SUCCESS;
    
32. }

复制代码

7.2axi_gpio_intr.c程序

1. #include "axi_gpio_intr.h"
   
2. 
   
3. volatile u32 gpio_intr_flag;
   
4. volatile u32 gpio_val;
   
5. 
   
6. //中断回调函数
   
7. void GpioplIntrHandler(void *Callback)
   
8. {
   
9.         XGpio *GpioPtr = (XGpio *)Callback;
   
10.         u32 IrqStatus;
    
11. 
    
12.         IrqStatus = XGpio_InterruptGetStatus(GpioPtr); //获取中断状态
    
13. 
    
14.         if((IrqStatus & 0x01) == 0x01)
    
15.         {
    
16.                 gpio_val = XGpio_DiscreteRead(GpioPtr, 1); //GPIO中断需要读按键状态知道哪一个按键产生了中断
    
17.                 gpio_intr_flag = 1; //设置中断标志
    
18.         }
    
19. 
    
20.         XGpio_InterruptClear(GpioPtr, IrqStatus); //清除中断
    
21. 
    
22. }
    
23. 
    
24. //设置中断
    
25. void Gpiopl_Setup_Intr_System(XScuGic *GicInstancePtr, XGpio *InstancePtr, u16 IntrId)
    
26. {
    
27.         XScuGic_Connect(GicInstancePtr, IntrId, //设置中断回调函数
    
28.                         (Xil_ExceptionHandler)GpioplIntrHandler,
    
29.                         (void *)InstancePtr);
    
30. 
    
31.         XScuGic_Enable(GicInstancePtr, IntrId);//使能中断号指定的中断
    
32. 
    
33.             XGpio_InterruptEnable(InstancePtr, 0x01);//使能中断
    
34. 
    
35.             XGpio_InterruptGlobalEnable(InstancePtr); //使能全局中断
    
36. 
    
37. }
    
38. 
    
39. int Gpiopl_init(XGpio *InstancePtr, u32 DeviceId)
    
40. {
    
41. 
    
42.         int Status;
    
43.         /* Initialize AXI GPIO */
    
44.         Status = XGpio_Initialize(InstancePtr, DeviceId);
    
45.         if (Status != XST_SUCCESS) {
    
46.                 xil_printf("AXI GPIO config failed!\r\n");
    
47.                 return XST_FAILURE;
    
48.         }
    
49. 
    
50.         XGpio_SetDataDirection(InstancePtr, 1, 0x3);//设置GPIO通道1用于输入
    
51. 
    
52.         XGpio_SetDataDirection(InstancePtr, 2, 0x0); //设置GPIO通道2用于输出
    
53. 
    
54. 
    
55.     return 1;
    
56. }

复制代码

在初始化函数中，设置channel1 的2个IO为输入，channel2 的2个IO为输出

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在Gpiopl_Setup_Intr_System(XScuGic *GicInstancePtr, XGpio *InstancePtr, u16 IntrId)函数中主要是对，AXI-GPIO的全局中断使能寄存器GIER和IPIER中断使能寄存器进行设置

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当GPIO的电平状态发生改变就会触发中断，回调函数中，首先读取AXI-GPIO的状态寄存器，然后判断是否是channel1产生的中断。之后读取GPIO的按键输入状态，设置中断触发变量为1。最后清除中断。

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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，另外需要把核心板上的 2P 模式开关设置到 JTAG 模式，即 ON ON(注意新版本的 MLK_H3_CZ08-7100-MZ7100FC)，支持 JTAG 模式，对于老版本的核心板，JTAG 调试的时候 一定要拔掉 TF 卡，并且设置模式开关为 OFF OFF)

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8.2实验结果

除了通过串口观察按键中断的结果，而且可以通过LED观察。每次按下按键产生一个中断，每次松开按键也会产生一个中断。总之，只要按键的状态发生改变就会产生中断。

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