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
module system_top ( output PL_LED, input PL_KEY ); wire [1:0] pl_gpio_in; wire [1:0] pl_gpio_out; assign PL_LED = pl_gpio_out[0]; assign pl_gpio_in[1] = PL_KEY; system I_system ( .pl_gpio_in (pl_gpio_in), .pl_gpio_out(pl_gpio_out) );
endmodule |
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
#include "al_gpio_hal.h"
#define PS_LED 51 //PS GPIO 51 #define PL_LED 54 //PL GPIO 01 #define PS_KEY 50 //PS GPIO 50 #define PL_KEY 55 //PL GPIO 02 #define LED_IN_BANK0 0x80000 #define LED_IN_BANK2 0x1 #define AL_GPIO_DEVICE_ID 0 #define AL_GPIO_DELAY_20MS 20 #define AL_GPIO_DELAY_2000MS 2000
AL_S32 AlGpio_Hal_Ctl_LED_Example() { AL_GPIO_HalStruct *GPIO; AL_S32 PS_LedValue = 0; AL_S32 PL_LedValue = 0; AL_S32 PS_KeyValue = 0; AL_S32 PL_KeyValue = 0;
/* 1、Test AlGpio_Hal_Init */ AL_S32 ret = AlGpio_Hal_Init(&GPIO, AL_GPIO_DEVICE_ID, AL_NULL);
if (ret == AL_OK) { AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "[TEST] APU AlGpio_Hal_Init success"); } else { AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "[TEST] APU AlGpio_Hal_Init failed"); }
/* 2、Test Gpio function through Bank. */ AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK1, LED_IN_BANK0); AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK2, LED_IN_BANK2); AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_2000MS); AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK1, 0x0); AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK2, 0x0); AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_2000MS);
/* 3、Test Gpio polling */ PS_LedValue = AlGpio_Hal_ReadPinOutput(GPIO, PS_LED); AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "GPIO PS led value is 0x%x", PS_LedValue); PL_LedValue = AlGpio_Hal_ReadPinOutput(GPIO, PL_LED); AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "GPIO PL led value is 0x%x", PL_LedValue);
while(1) { PS_KeyValue = AlGpio_Hal_ReadPinInput(GPIO, PS_KEY); PL_KeyValue = AlGpio_Hal_ReadPinInput(GPIO, PL_KEY); if(PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0){ AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS); if (PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0) { AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PS_LED, ~PS_LedValue); AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PL_LED, ~PL_LedValue); AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS); AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PS_LED, PS_LedValue); AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PL_LED, PL_LedValue); AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS); } } }
return AL_OK; }
AL_S32 main(void) { AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "[TEST]AlGpio_Hal_CTL_LED_Test start"); AlGpio_Hal_Ctl_LED_Example();
return AL_OK; } |
接下来对程序进行分析。
7.1GPIO位号定义
#define PS_LED 51 //PS GPIO 51 #define PL_LED 54 //PL GPIO 01 #define PS_KEY 50 //PS GPIO 50 #define PL_KEY 55 //PL GPIO 02 |
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。
/* 2、Test Gpio function through Bank. */ AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK1, LED_IN_BANK0); AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK2, LED_IN_BANK2); AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_2000MS); AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK1, 0x0); AlGpio_Hal_WriteBank(GPIO, AL_GPIO_BANK2, 0x0); AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_2000MS); |
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。
/* 3、Test Gpio polling */ PS_LedValue = AlGpio_Hal_ReadPinOutput(GPIO, PS_LED); AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "GPIO PS led value is 0x%x", PS_LedValue); PL_LedValue = AlGpio_Hal_ReadPinOutput(GPIO, PL_LED); AL_LOG(AL_LOG_LEVEL_INFO, "GPIO PL led value is 0x%x", PL_LedValue);
while(1) { PS_KeyValue = AlGpio_Hal_ReadPinInput(GPIO, PS_KEY); PL_KeyValue = AlGpio_Hal_ReadPinInput(GPIO, PL_KEY); if(PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0){ AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS); if (PS_KeyValue == 0|PL_KeyValue == 0) { AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PS_LED, ~PS_LedValue); AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PL_LED, ~PL_LedValue); AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS); AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PS_LED, PS_LedValue); AlGpio_Hal_WritePin(GPIO, PL_LED, PL_LedValue); AlSys_MDelay(AL_GPIO_DELAY_20MS); } } } |
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
5.8.2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。
