AXI_GPIO简介与使用指南

学习内容

前面简单学习了关于GPIO的操作，本次将使用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。

开发环境

vivado 18.3SDKPYNQ-Z2

AXI_GPIO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。我们之前驱动的MIO接口，他属于PS端口的一个搭载好的硬件资源，而对于AXI_GPIO这样一个IP核来说他就相当于与在PL的逻辑端口实现了一个软核IP的GPIO接口。AXI 接口作为 ZYNQ PS 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。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：





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。

我们可以在xilinx的一个说明书（UG144）中详细的看到关于AXI_GPIO IP的具体的寄存器，对于不同功能的配置我们只需要像在ARM开发中进行寄存器的配置即可，但寄存器的操作过于繁琐，在一般的开发过程中我们通常进行的都是库函数的使用调用。

在文档中我们可以看到IP的以下特点，基本包含了硬件GPIO的所有功能。设置输入输出模式，设置中断等。



引脚说明表如下，在这个表中，大致分为了两类，第一类s_axi接口的相关引脚，用于配置挂载到AXI总线，s_axi_*这是一组信号接口，用于进行数据的交互和配置；第二类是和GPIO有关的信号接口，这里的IP中有两组gpio，每组输出三个信号经过一个三态缓存器实现三态输出。为了实现中断功能，这里的ip2intc_irpt是中断的敏感信号。

编程指南

同样在UG144中我们可以找到对于AXI_GPIO IP在应用开发的时候的一个编程指南

设置带中断的INPUT

1. 将端口配置为输入，将相应的位写入GPIOx_TRI寄存器，值为1。
2. 通过设置IP中断使能中相应的位使能通道中断注册;也可以通过设置全局中断的第31位来启用全局中断注册为1。
3. 当接收到中断时，读取GPIOx_DATA寄存器中相应的位。通过写入值为1的对应位来清除IP中断状态寄存器中的状态。

这里的编程指南描述的是寄存器的配置流程，在我们的实际应用中简单来说就是调用库函数配置端口为输入，然后进行中断功能的注册（类似前文的GPIO的按键中断）。

配置为普通的INPUT

1. 将端口配置为输入，将相应的位写入GPIOx_TRI寄存器，值为1。
2. 读取GPIOx_DATA寄存器中相应的位。

配置为普通的OUTPUT

1. 通过在GPIOx_TRI寄存器中写入值为0的对应位，将端口配置为输出。
2. 将相应的位写入GPIOx_DATA寄存器。

工程系统框图

实现功能为使用EMIO的引脚驱动LED，使用AXI_GPIO的IP进行按键控制，当我们按键按下时，我们的LED进行一次反转。

硬件平台搭建

同样重复前面的步骤，打开vivado工具的block design 添加ZYNQ的IP核，完成基础配置。




然后打开MIO configuration，对EMIO引脚的LED进行配置




因为这里我们要使用AXI_GPIO的中断功能，所以我们打开中断界面进行配置，开启中断后，勾选PL到PS的中断功能。这里的中断标号有16个，对应原则是[15:0]对应的是[91:84]:[68:61]，这里我们只使用了一个中断，所以我们的中断标号是61。



配置完成后添加AXI_GPIO的IP核。配置使能中断，GPIO的位宽选择为1即可。



完成配置后得到下图点击运行自动连接，可以进行帮助我们进行对应端口的自动连接：

自动连接完成后如图所示：



这里工具帮助我们完成了大部分的连接，但是没有帮助我们进行中断功能的连线，我们需要手动进行连接。



手动连接完成：




完成设计后，我们进行generate output product 然后生成HDL封装。接着就对应引脚进行引脚约束即可（PYNQ的粉色开发板可以直接引用这个约束）：

set_property -dict { PACKAGE_PIN R14   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { GPIO_0_tri_io[0] }]; #IO_L6N_T0_VREF_34 Sch=led[0]
set_property -dict { PACKAGE_PIN D19   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { axi_gpio0_tri_io[0] }]; #IO_L4P_T0_35 Sch=btn[0]

完成约束后进行综合布局布线，等待生成bit流文件。bit文件生成后在FILE处，点击导出硬件资源（包含bit流文件），接着launch SDK。

软件部分编写

这里引用的AXI GPIO的资源对应的是gpio的部分,配置相应的功能函数可以参考相应的文件和对应的例程。




首先给出我本次的工程代码，在后面进行简要的说明：

#include 
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xgpio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xparameters_ps.h"
#include "xscugic.h"
#include "sleep.h"
//设置设备id和io编号
#define GPIO_ID XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID //PS GPIO的器件ID
#define AXI_GPIO_ID XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID//AXIGPIO的器件ID
#define SCUGIC_ID XPAR_PS7_SCUGIC_0_DEVICE_ID//中断的ID
//axi gpio的中断号
#define AXI_GPIO_INTR_ID XPAR_FABRIC_GPIO_0_VEC_ID
#define LED0 54
//axi gpio通道1
#define AXI_GPIO_CHANNEL 1
//定义调用GpioPs的结构体
XGpioPs gpiops;
XGpioPs_Config *gpio_cfg;
//定义调用中断的结构体
XScuGic gpio_gic;
XScuGic_Config *gpio_gic_cfg;
//定义调用Gpio的结构体
XGpio axi_Gpio;
//变量声明
u32 key_value=0;
//函数声明
void Init_gpio();
void IntrHandler();
int main()
{
u32 led_status=0;
    init_platform();
    Init_gpio();
    Init_interrupt();
    print("axi_gpio TEST

");
    while(1)
    {
    if(key_value==1){
    //清除中断状态
    if(XGpio_DiscreteRead(&axi_Gpio, AXI_GPIO_CHANNEL)==1){
    led_status=~led_status;
    }
    XGpio_InterruptClear(&axi_Gpio, 0x0000001);
    key_value=0;

    XGpioPs_WritePin(&gpiops,LED0,led_status);
    usleep(200000);
    //打开中断使能
    XGpio_InterruptEnable(&axi_Gpio, 0x0000001);//使能中断
    }
    }
    cleanup_platform();
    return 0;
}
//初始化gpio
void Init_gpio(){
//查找设备ID，gpio初始化操作
gpio_cfg=XGpioPs_LookupConfig(GPIO_ID);
XGpioPs_CfgInitialize(&gpiops,gpio_cfg,gpio_cfg->BaseAddr);
//设置gpio为输出，开启使能
XGpioPs_SetDirectionPin(&gpiops,LED0,1);
XGpioPs_SetOutputEnablePin(&gpiops,LED0,1);
//对PL端的gpio进行初始化
XGpio_Initialize(&axi_Gpio,AXI_GPIO_ID);
//对AXI设置方向
XGpio_SetDataDirection(&axi_Gpio,AXI_GPIO_CHANNEL,0x0000001);//设置为输入

}
void Init_interrupt(){
//初始化gic
gpio_gic_cfg = XScuGic_LookupConfig(SCUGIC_ID);
XScuGic_CfgInitialize(&gpio_gic,gpio_gic_cfg,gpio_gic_cfg->CpuBaseAddress);

//初始化异常处理
Xil_ExceptionInit();
//CPU中断异常注册
Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,&gpio_gic);
//使能处理器中断
Xil_ExceptionEnableMask(XIL_EXCEPTION_IRQ);

//链接中断信号
XScuGic_Connect(&gpio_gic,AXI_GPIO_INTR_ID,(Xil_InterruptHandler)IntrHandler,&axi_Gpio);
//使能中断
XScuGic_Enable(&gpio_gic,AXI_GPIO_INTR_ID);
//0xa0中断优先级
XScuGic_SetPriorityTriggerType(&gpio_gic,AXI_GPIO_INTR_ID,0xA0, 0x3);
//axi gpio使能中断
XGpio_InterruptGlobalEnable(&axi_Gpio);//打开全局中断
XGpio_InterruptEnable(&axi_Gpio, 0x0000001);//使能中断
}
void IntrHandler(){
printf("interrupt~~

");
key_value=1;
//关闭中断使能
XGpio_InterruptDisable(&axi_Gpio, 0x0000000);

}

部分代码讲解

代码很类似上次的GPIO的中断功能的代码，这里只是更改了部分函数对axi gpio的ip进行ip的配置，实现带中断的输入功能的KEY。axi的初始化只需要一行代码即可完成，然后根据编程指南设置下方向即可完成输入的配置XGpio_Initialize(&axi_Gpio,AXI_GPIO_ID);//对PL端的gpio进行初始化XGpio_SetDataDirection(&axi_Gpio,AXI_GPIO_CHANNEL,0x0000001);//对AXI设置方向设置为输入对于这里的AXI_GPIO中断的标号就是我们前面提到的61，在这里我们可以进行define一下，方便我们进行引用。#define AXI_GPIO_INTR_ID XPAR_FABRIC_GPIO_0_VEC_ID//axi gpio的中断号在SDK中寻一下这个参数的数据也可以验证我们的标号数值：



对于axi _gpio，我们配置的时候可以看到，每个IP核有两路GPIO，这里我们只用了通道1，所以我们的通道编号定义为1 #define AXI_GPIO_CHANNEL 1//axi gpio通道1在配置axi gpio的中断功能时，用的了XScuGic_SetPriorityTriggerType(&gpio_gic,AXI_GPIO_INTR_ID,0xA0, 0x3);在寻到该函数定义时候，可以简要了解下参数的配置功能。

0xa0配置了中断优先级，这里我们不进行中断优先级的配置，所以引用的是示例里面的默认值，中断编号就是我们AXI GPIO的编号，0x03这个值用于配置中断的方式。这里我们的中断有高电平触发和边沿触发模式。我们设置边沿触发后，在我们按下按键会满足两次边沿触发的条件（这里我感觉注释和实际操作不相符），然后回看我们的编程指南，在中断配置时候是也是要求我们：当接收到中断时，读取GPIOx_DATA寄存器中相应的位。通过写入值为1的对应位来清除IP中断状态寄存器中的状态。所以我们就引用了XGpio_DiscreteRead(&axi_Gpio, AXI_GPIO_CHANNEL) 对中断的状态进行读取。对应编程指南代码编写如下：

//清除中断状态
    if(XGpio_DiscreteRead(&axi_Gpio, AXI_GPIO_CHANNEL)==1){
   led_status=~led_status;
    }
    XGpio_InterruptClear(&axi_Gpio, 0x0000001);

完成代码编写后下载到我们的PYNQ的开发板即可完成本次实验。

审核编辑：汤梓红