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

文档创建者：FPGA课程
浏览次数：381
最后更新：2024-08-05
文档课程分类-安路-DR1
安路-DR1: FPSOC-DR1-SOC部分 » 1_SDK应用方案(仅旗舰型号) » 1-SDK基础入门方案
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/
登录"米联客"FPGA社区 http://www.uisrc.com 视频课程、答疑解惑！
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。
2504661-20240805192006515-978493390.jpg
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。
2504661-20240805192007028-2146056077.jpg
5.2GPIO PL定义
设置好后，右击选择Create Design Port
2504661-20240805192007400-1098618725.jpg
设置IO名称、IO类型、IO位宽
2504661-20240805192007820-1676377600.jpg
2504661-20240805192008490-1717182273.jpg
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.   );

  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。
2504661-20240805192008935-1936042909.jpg
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。
2504661-20240805192009324-198615180.jpg 6.2创建gpio_ctl_led APP工程
2504661-20240805192009763-11683725.jpg
7程序分析
Gpio_ctl_led.c
  1. #include "al_gpio_hal.h"

  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

  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;

  21.     /* 1、Test AlGpio_Hal_Init */
  22.     AL_S32 ret = AlGpio_Hal_Init(&GPIO, AL_GPIO_DEVICE_ID, AL_NULL);

  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.     }

  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);


  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);

  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.     }

  63.     return AL_OK;
  64. }


  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();

  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);

  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
2504661-20240805192010161-590620008.jpg
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。
2504661-20240805192010555-1805658072.jpg
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。
2504661-20240805192010979-1172943794.jpg


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