ZYNQ入门实例——三种GPIO应用、中断系统及软硬件交叉触发调试
没落骑士 人气:1一、前言
Xlinx的ZYNQ系列SOC集成了APU、各种专用外设资源和传统的FPGA逻辑，为ARM+FPGA的应用提供助力，降低功耗和硬件设计难度的同时极大提高两者间传输的带宽。之前在研究生课题中使用过ZYNQ搭建环路系统对算法进行板级验证，但并没有深入使用和理解这个异构平台，今天算是对入门的总结。一款SOC的入门必然是GPIO的使用，而中断则是MCU能保证实时性的必杀武器。硬件调试难度高一直是FPGA的痛点，集成ARM的FPGA更是如此，cross-trigger调试有效地解决了这一问题，所以它也作为入门ZYNQ的必要技能。
二、硬件系统搭建
ZYNQ的三种GPIO分别是MIO、EMIO和AXI-GPIO。PS部分直接连接到芯片引脚的IO叫MIO，经过FPGA再连接到引脚的是EMIO。EMIO可以通过硬件约束指定不同的端口号和电压标准，提高了ARM IO的灵活性。而AXI-GPIO相当于是对ARM IO的补充，通过调用AXI-GPIO IP核与外部通信。以下通过一个实例来说明三种IO的使用方式。
系统功能：使用一个MIO使连接其上的LED闪烁，使用8个EMIO同样与LED连接构成流水灯效果，另外再调用一个5bit位宽的AXI-GPIO IP核以终端模式响应电路板上5个按键。
平台：米联客 MIZ702N （ZYNQ-7020）
配置ZYNQ IP，使能MIO和EMIO，配置EMIO位宽是8bit。
使能Cross Trigger和共享中断。
之后添加AXI-GPIO IP Core，配置位宽并使能其中断功能：
运行Run Automatic Connection最终block design系统结构：
这里使用ILA抓取AXI-GPIO的中断信号。
三、软件编程与AXI-GPIO中断模式解析
Implementation,export hardware with bitstream, launch SDK. BSP中自带了硬件系统所使用到的IP的一些示例代码和文档，为入门提供了很好的帮助。
为了方便复用，对Xilinx提供的API做进一步封装，生成gpiops.h gpiops.c gpio.h gpio.c和gic.h文件。接下来重点讲述GIC相关的代码原理。若要使用中断系统，首先要初始化GIC，和其他IP一样包括查找配置和初始赋值两个步骤，分别由LookupConfig和CfgInitialize两个函数完成。后者实际上初始化了中断处理句柄使其指向了一个空结构。要理解内部原理，需要弄清楚XScuGic的数据结构。
其中Handler实际上是一个函数指针类型，用于定义中断产生时的回调函数。而CallBackRef用于传入InstancePtr，即Gic Instance Pointer。GIC初始化完，要将GIC与中断ID和自定义中断回调函数绑定。
内部的核心代码依然和初始化时一致，只不过换成了输入参数：
下一步该使能中断了，一方面是使用GIC对GPIO中断ID的响应，另一方面是使能AXI-GPIO的中断信号。最后是系统对异常的处理函数，这里将其封装在exception_enable中：
总结来看，中断系统建立的步骤为：
1 初始化GIC
2 连接GIC与中断ID和回调函数
3 使能中断
4 使能异常处理
那么为什么完成上述操作后，中断事件发生会立即执行自定义中断回调函数GpioHandler呢？CPU会将中断向量表存储在特定的寄存器中，读取该寄存器可以获取中断向量表内容，里边存放着各个中断ID对应的中断函数入口地址。跳转指令则有中断控制器完成。
接下来是各个文件的软件代码：
1 /*
2 * main.c
3 *
4 * Created on: 2020年2月22日
5 * Author: s
6 */
7
8
9 #include "xparameters.h"
10
11 #include "xstatus.h"
12 #include <xil_printf.h>
13 #include "sleep.h"
14
15 #include "gpiops.h"
16 #include "gpio.h"
17 #include "gic.h"
18
19
20 XGpioPs GpioPs; /* The driver instance for GPIO Device. */
21 XGpio Gpio;
22 XScuGic Intc; /* The Instance of the Interrupt Controller Driver */
23
24
25 #define printf xil_printf /* Smalller foot-print printf */
26
27 #define LOOP_NUM 8
28
29
30
31
32 static u32 MIO_OUT_PIN_INDEX =7; /* LED button */
33 static u32 EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX = 54;
34 volatile u32 IntrFlag; /* Interrupt Handler Flag */
35
36 void GpioHandler(void *CallbackRef);
37 int setupIntSystem(XScuGic *IntcInstancePtr,XGpio *gpioInstancePtr
38 ,u32 IntrId);
39
40 int main()
41 {
42 int Status;
43 u8 i=0;
44 u32 sys_led_out=0x1;
45
46 Status = gpiops_initialize(&GpioPs,GPIOPS_DEVICE_ID);
47 if (Status != XST_SUCCESS) {
48 return XST_FAILURE;
49 }
50
51 Status = gpio_initialize(&Gpio,GPIO_DEVICE_ID);
52 if (Status != XST_SUCCESS) {
53 return XST_FAILURE;
54 }
55
56
57 /*
58 * Set the direction for the pin to be output and
59 * Enable the Output enable for the LED Pin.
60 */
61 gpiops_setOutput(&GpioPs,MIO_OUT_PIN_INDEX);
62
63 for(i=0;i<LOOP_NUM;i++){
64 gpiops_setOutput(&GpioPs,EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX+i);
65 }
66
67 gpio_setDirect(&Gpio, 1,GPIO_CHANNEL1);
68
69 Status = setupIntSystem(&Intc,&Gpio,INTC_GPIO_INTERRUPT_ID);
70 if (Status != XST_SUCCESS) {
71 return XST_FAILURE;
72 }
73
74 printf("Initialization finish.\n");
75
76 while(1){
77
78 for(i=0;i<LOOP_NUM;i++){
79 /* Set the GPIO output to be low. */
80 gpiops_outputValue(&GpioPs, EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX+i, 0x1);
81 usleep(200*1000);
82 gpiops_outputValue(&GpioPs, EMIO_OUT_PIN_BASE_INDEX+i, 0x0);
83 }
84
85 gpiops_outputValue(&GpioPs, MIO_OUT_PIN_INDEX, sys_led_out);
86 sys_led_out = sys_led_out == 0x0 ? 0x1 : 0x0;
87 }
88 return 0;
89 }
90
91 int setupIntSystem(XScuGic *IntcInstancePtr,XGpio *gpioInstancePtr
92 ,u32 IntrId)
93 {
94 int Result;
95 /*
96 * Initialize the interrupt controller driver so that it is ready to
97 * use.
98 */
99
100 Result = gic_initialize(&Intc,INTC_DEVICE_ID);
101 if (Result != XST_SUCCESS) {
102 return XST_FAILURE;
103 }
104
105 XScuGic_SetPriorityTriggerType(IntcInstancePtr, IntrId,
106 0xA0, 0x3);
107
108 /*
109 * Connect the interrupt handler that will be called when an
110 * interrupt occurs for the device.
111 */
112 Result = XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, IntrId,
113 (Xil_ExceptionHandler)GpioHandler, gpioInstancePtr);
114 if (Result != XST_SUCCESS) {
115 return Result;
116 }
117
118 /* Enable the interrupt for the GPIO device.*/
119 XScuGic_Enable(IntcInstancePtr, IntrId);
120
121 /*
122 * Enable the GPIO channel interrupts so that push button can be
123 * detected and enable interrupts for the GPIO device
124 */
125 XGpio_InterruptEnable(gpioInstancePtr,GPIO_CHANNEL1);
126 XGpio_InterruptGlobalEnable(gpioInstancePtr);
127
128 /*
129 * Initialize the exception table and register the interrupt
130 * controller handler with the exception table
131 */
132 exception_enable(&Intc);
133
134 IntrFlag = 0;
135
136 return XST_SUCCESS;
137 }
138
139 void GpioHandler(void *CallbackRef)
140 {
141 XGpio *GpioPtr = (XGpio *)CallbackRef;
142 u32 gpio_inputValue;
143
144
145 /* Clear the Interrupt */
146 XGpio_InterruptClear(GpioPtr, GPIO_CHANNEL1);
147 printf("Input interrupt routine.\n");
148
149 //IntrFlag = 1;
150 gpio_inputValue = gpio_readValue(GpioPtr, 1);
151 switch(gpio_inputValue)
152 {
153 case 30:
154 printf("button up\n");
155 break;
156 case 29:
157 printf("button center\n");
158 break;
159 case 27:
160 printf("button left\n");
161 break;
162 case 23:
163 printf("button right\n");
164 break;
165 case 15:
166 print("button down\n");
167 break;
168 }
169
170 }
1 /* 2 * gpio.h 3 * 4 * Created on: 2020年2月23日 5 * Author: s 6 */ 7 8 #ifndef SRC_GPIO_H_ 9 #define SRC_GPIO_H_ 10 11 #include "xgpio.h" 12 13 #define GPIO_DEVICE_ID XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID 14 #define INTC_GPIO_INTERRUPT_ID XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR 15 #define GPIO_CHANNEL1 0x1F 16 17 int gpio_initialize(XGpio * InstancePtr, u16 DeviceId); 18 void gpio_setDirect(XGpio *InstancePtr, unsigned Channel, 19 u32 DirectionMask); 20 void gpio_outputValue(XGpio * InstancePtr, unsigned Channel, u32 Data); 21 u32 gpio_readValue(XGpio * InstancePtr, unsigned Channel); 22 #endif /* SRC_GPIO_H_ */
/*
* gpio.c
*
* Created on: 2020年2月23日
* Author: s
*/
#include "gpio.h"
int gpio_initialize(XGpio * InstancePtr, u16 DeviceId)
{
return XGpio_Initialize(InstancePtr,DeviceId);
}
void gpio_setDirect(XGpio *InstancePtr, unsigned Channel,
u32 DirectionMask)
{
XGpio_SetDataDirection(InstancePtr, Channel,
DirectionMask);
}
void gpio_outputValue(XGpio * InstancePtr, unsigned Channel, u32 Data)
{
XGpio_DiscreteWrite(InstancePtr, Channel, Data);
}
u32 gpio_readValue(XGpio * InstancePtr, unsigned Channel)
{
return XGpio_DiscreteRead(InstancePtr, Channel);
}
1 /*
2 * gpiops.c
3 *
4 * Created on: 2020年2月23日
5 * Author: s
6 */
7
8 #include "gpiops.h"
9
10 int gpiops_initialize(XGpioPs *InstancePtr,u16 DeviceId)
11 {
12 XGpioPs_Config *ConfigPtr;
13
14 ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(DeviceId);
15 return XGpioPs_CfgInitialize(InstancePtr, ConfigPtr,
16 ConfigPtr->BaseAddr);
17 }
18
19 void gpiops_setOutput (XGpioPs *InstancePtr,u32 Pin)
20 {
21 XGpioPs_SetDirectionPin(InstancePtr, Pin, 1);
22 XGpioPs_SetOutputEnablePin(InstancePtr, Pin, 1);
23 }
24
25 void gpiops_setInput(XGpioPs *InstancePtr,u32 Pin)
26 {
27 XGpioPs_SetDirectionPin(InstancePtr, Pin, 0);
28 }
29
30 void gpiops_outputValue(XGpioPs *InstancePtr,u32 Pin,u32 Data)
31 {
32 XGpioPs_WritePin(InstancePtr, Pin, Data);
33 }
34
35
36 u32 gpiops_readValue(XGpioPs *InstancePtr,u32 Pin)
37 {
38 /* Read the state of the data so that it can be verified. */
39 return XGpioPs_ReadPin(InstancePtr, Pin);
40 }
1 /* 2 * gpio.h 3 * 4 * Created on: 2020年2月23日 5 * Author: s 6 */ 7 8 #ifndef SRC_GPIOPS_H_ 9 #define SRC_GPIOPS_H_ 10 11 #include "xgpiops.h" 12 13 #define GPIOPS_DEVICE_ID XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID 14 15 16 17 int gpiops_initialize(XGpioPs *InstancePtr,u16 DeviceId); 18 void gpiops_setOutput (XGpioPs *InstancePtr,u32 Pin); 19 void gpiops_setInput(XGpioPs *InstancePtr,u32 Pin); 20 void gpiops_outputValue(XGpioPs *InstancePtr,u32 Pin,u32 Data); 21 u32 gpiops_readValue(XGpioPs *InstancePtr,u32 Pin); 22 23 24 #endif /* SRC_GPIOPS_H_ */
1 /*
2 * gic.h
3 *
4 * Created on: 2020年2月23日
5 * Author: s
6 */
7
8 #ifndef SRC_GIC_H_
9 #define SRC_GIC_H_
10
11 #include "xscugic.h"
12
13 #define INTC_DEVICE_ID XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
14
15 s32 gic_initialize(XScuGic *InstancePtr,u16 DeviceId)
16 {
17 XScuGic_Config *IntcConfig;
18
19 IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(DeviceId);
20 if (NULL == IntcConfig) {
21 return XST_FAILURE;
22 }
23
24 return XScuGic_CfgInitialize(InstancePtr, IntcConfig,
25 IntcConfig->CpuBaseAddress);
26 }
27
28 void exception_enable(void *Data)
29 {
30 Xil_ExceptionInit();
31 Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
32 (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, Data);
33
34 /* Enable non-critical exceptions */
35 Xil_ExceptionEnable();
36 }
37
38
39 #endif /* SRC_GIC_H_ */
四、交叉触发调试
右键工程文件夹->Run As/Debug As分别用于代码下载和调试。SDK基于GDB提供了强大的调试能力，支持断点运行，可查看内部寄存器、地址数值以及汇编代码等。Debug As ->Debug Configuartion，双击System Debugger新建ELF文件。勾选Reset entire system和Program FPGA，因为ELF只是软件，硬件信息存储在bitstream中。最重要的是勾选enable cross-triggering。
点击enable cross-triggering右侧的按钮，按照如下操作使能Processor to Fabric Trigger.
再次create使能Fabric to Processor Trigger：
最后点击Debug下载软硬件代码并进入调试界面。
1 首先尝试PS触发PL调试：
指定中断回调函数起始位置一个断点。然后进入VIVADO，打开Hardware Manager连接硬件。注意此时触发模式选择IN_ONLY。此时不用设置ILA抓取信号的触发条件，因为触发由PS端的PC控制。点击Run Trigger等待触发条件。这时回到SDK点击Resume按钮使代码开始运行。按下任意按键产生中断，此时软件代码运行到断点处停止，ILA随即抓取中断信号。
2 尝试PL触发PS调试：
这回在VIVADO中设置触发模式为OR_TRIG_IN，并启动触发条件为上升沿触发。按下按键，C运行到满足ILA触发条件时C代码立即停止，故PL控制了PS端的程序运行。
可以看到此时程序进入IRQHandler。
串口终端也打印进入中断函数的信息，正确响应中断。到此示例结束。本文虽是对ZYNQ入门的整理，但涉及到的东西很多，包括GPIO应用、中断系统建立和相应机制、调用AXI总线IP核、软件设计以及软硬件交叉触发调试流程。
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