FPGA - ZYNQ 基于EMIO的PS和PL交互

前言：

Xilinx ZYNQ系列的芯片，GPIO分为 MIO 、EMIO、AXI_GPIO三种方式。

MIO ：固定管脚，属于PS端，也就是ARM端。

EMIO ：通过PL扩展，使用时需要分配PL(FPGA)管脚，消耗PL端资源。

AXI_GPIO：封装好的IP核，PS通过M_AXI总线可以控制PL的IO接口，使用时，消耗管脚资源和逻辑资源。

MIO:

MIO（Multiuse I/O），多功能IO接口，分配在GPIO的Bank0 和 Bank1，属于Zynq的PS(ARM)部分。

这些引脚，可以直接用在GPIO、SPI、UART、TIMER等等一些PS端外设，这些引脚与PS直接相连接，不需要添加引脚约束，并且也不占PL端资源。

Bank0有32个MIO引脚，Bank1有22个MIO引脚，54个引脚直接通过MIO连接到PS上。

EMIO:

EMIO（Express Multiuse I/O），扩展多功能IO，分布在BANK2、BANK3，依然属于Zynq的PS部分，只是直接连接到了PL上，当MIO不够使用时，可以通过EMIO控制PL部分的引脚。

当我们想通过PS来访问PL又不想浪费AXI总线时，就通过EMIO接口来访问，使用的时候，需要添加约束文件，分配PL端的引脚。

AXI_GPIO:

AXI_GPIO，相当于GPIO的IP核，通过AXI总线挂在PS上的GPIO。

我们在FPGA工程上添加相应的GPIO的IP核，然后生成相关PL端的逻辑，并且添加约束文件，以分配PL端的管脚才能正常使用。其占用了PL端的逻辑和资源。

开发目的：

PS端GPIO外设使用、EMIO使用、PS与PL联合调试

开发流程：

1，工程创建

双击打开Vivado软件，界面如下图所示

首先点击Quick Start 下的 Create Project 创建新工程，也可点击工具栏中的 File->Project->New...进行创建。

进入新建工程向导后next，编辑工程名称和工程目录

对需要的工程类型进行选择，将光标放置在对应的选项上即可出现对应的中文翻译。这里我们勾选“RTL Project”，因为我们是完全新建工程，所以勾选下方的现在不指定资源，接着点击“next”进行下一步。

接下来选择对应的开发板型号

接下来会弹出工程摘要界面，该界面会对工程的类型以及所选用芯片的器件型号进行总结，用户可通过该界面检查是否有创建错误。确认无误后点击 Finish 完成工程创建

2，模块创建

创建完成后Vivado工程后软件界面及对应功能如下图

接下来点击“Create Block Design”创建一个模块设计，在弹出的窗口中对设计命名。

接下来对其命名注意：不能使用中文以及空格命名。

创建完成后软件界面如图所示，可以看到此时Design栏中出现了我们刚创建好的“system”模块设计。此时我们的设计内没有任何内容，需要点击 “+”为设计添加IP核。

3，硬件系统创建

添加IP核

在弹出的搜索栏中输入 zynq，可以看到下方出现了“ZYNQ7 Processing System”，如图所示。该IP核为ZYNQ7 处理系统IP核，双击该IP核添加。添加完成后的zynq IP核如图所

大部分IP核在添加完成后，并不能直接满足用户的需求，我们还需对IP核的接口信号以及一些相关参数进行配置

双击IP核进入配置

首先配置DDR

uart配置

uart波特率配置

GPIO配置

Bank电平配置 Bank0(3.3v) Bank1(1.8v)

使能完外设接口后我们返回图形化向导界面，如图所示。可以看到在GPIO外设和uart后面已经打上了√，代表此时我们已经使能该接口。在进行硬件逻辑系统搭建时，我们可以通过该界面快速一览使用到了哪些zynq资源。

配置完 DDR后即完成了本次 zynq IP 核的配置，点击 OK，可以看到此时 zynq IP 核如图 2-31所示，因为我们配置了GPIO外设，相较于配置前，此时多了一个GPIO_0端口。

添加ila

然后导出引脚

在涉及到的模块较多的场合，系统会出现自动连接（Run Connection Automation）的选项，如图所示。点击该项并设置需要连接的模块后，软件便会自动生成 AXI 互联 IP 核（AXI Interconnect）和处理器系统复位 IP 核（Processor System Reset），并自动连接 AXI信号，部分时钟信号和复位信号。但是软件在连接时，有时会将信号连接到用户期望之外的端口上。因此，连线复杂的设计通常需要手动对部分端口信号进行连接。

验证设计

端口连接完成后使用快捷键 Ctrl+S 或者点击左上方的保存按钮保存设计，随后点击上方的√来对设计进行验证。

系统开始对设计进行验证，当出现以下弹窗时，证明设计无误。如果出现警告，则需要重新检查系统。

4，生成封装

点击sources资源栏下我们创建的system模块设计，单击右键，在展开的功能中选择“Generate Output Products...”生成输出。

接下来软件会弹出生成输出前的设置界面，如图所示。在合成选项栏直接选择“Out Of context per IP”即可，下方的“Number of jobs”选项选择最大值。该值会影响生成输出时的速度，该值越大，生成输出的速度就越快，最大值与电脑配置有关，设置完成后点击“Generate”开始生成。

输出的生成比较慢需要等待一段时间，生成完成后软件会弹出如图所示弹窗，点击OK即可。

接着我们还是点击sources资源栏下我们创建的system模块设计，单击右键，在展开的功能中选择“Create HDL Wrapper...”创建HDL封装。

在弹出的窗口中选择让 vivado管理封装和自动更新，随后点击 OK开始创建封装。

当Sources栏出现蓝色的设计文件时，则代表封装已经创建和更新完成，如图所示。

这里需要注意的是，mcu_design.v 文件为顶层例化文件，在用户修改设计并生成输出后，只要更新 Wrapper，mcu_design.v 中的内容便会被覆盖。若用户需要在顶层中手动加入一些语句，在修改硬件生成输出后只要更新 Wrapper这些语句便会被覆盖。如果您的设计中需要加入自己的逻辑代码，建议用户手动创建一个顶层文件，在文件中例化mcu_design.v文件，并添加自己的逻辑代码。

5，管脚约束

对于使用过PL端的设计，在完成封装后，我们需要对涉及到的管脚进行分配和约束。点击左侧导航栏的“Open Elaborated Design”进行约束和分配。

打开后管脚约束界面如图所示，如果软件没有正确显示该界面，可以将右上角的下拉栏展开，打开I/O Planning皆可切换到该页面。

在管脚约束界面中，我们需要做的是对使用到的PL端的管脚进行分配并对管脚电平进行约束，本次设计所涉及到的为PL端的按键和PL端的LED灯。

具体管脚查询自己所用到的开发板型号说明文件查询完成管脚分配

完成分配后使用快捷键 Ctrl+S 对约束文件进行保存，此时软件会弹出弹窗让用户进行命名，将光标停在英文上即可出现对应翻译。在下方File name中对文件进行命名，这里读者可自行命名，只要符合命名规范即可。

6，生成比特流

完成了管脚约束后即可开始比特流的生成，比特流中包含着对PL端的配置信息，其中就包括对引脚的分配以及电平的约束，因此生成比特流需要在进行管脚分配和约束之后。当然如果设计并未使用到PL部分资源，可以直接跳过该环节。点击“Generate Bitstream”开始生成比特流，如图所示。此时软件会提示没有可用的实现结果，是否先进行综合实现再自动生成比特流，我们直接点击Yes即可。

比特流生成的时间较长，需要耐心等待，在生成比特流时，vivado 软件右上角会显示此时的运行状态，如图所示。

当比特流生成完成时，右上角会出现√的标识，

7，导出硬件

首先点击 File，然后在展开的功能栏中选择 Export，最后在 Export 的多个选择项中选择“ExportHardware...”将硬件描述文件导出。

此时软件会弹出弹窗询问我们是否包含比特流，对于本次设计，我们涉及到了 PL 端的资源使用，因此需要勾选比特流，如图所示。勾选比特流后点击OK开始导出。

比特流中包含有PL端的配置信息，因此对于涉及到PL端资源的设计，导出硬件描述文件时我们需要包含比特流，以配置 PL。而对于纯 PS 端的设计，用户在导出时无论是否勾选包含比特流都是可以的

8，启动SDK

硬件导出完成后 vivado 部分的设计已经完成，接下来打开 SDK开始 CPU 软件程序设计。点击File，在展开的功能栏中选择“Launch SDK”

接下来软件会弹出弹窗让我们设置硬件描述文件和工作空间的路径，这里我们保持默认即可，点击OK运行SDK。

9，CPU软件程序设计

打开SDK软件界面如图所示，其中“system_wrapper_hw_platform_0” 为从vivado中导出的硬件资源描述文件。

创建SDK工程

接下来会进入工程创建界面，如图所示。此时需要为工程命名，其余部分软件已经帮我们设置好了，例如工程所支持的硬件平台，处理器型号等。这里我们保持默认，点击Next进行下一步。

这里我们需要为工程选择模板，选择 Empty Application，此时右边窗口便会出现当前工程模板的描述，点击Finish完成工程创建。

创建完成可以看到工程资源中多了两个文件夹

添加用户代码

如图所示，将工程下拉展开，右键单击 src 文件夹，在弹出的功能栏中选择New/Source File。

接下来我们需要对该源文件命名，这里必须命名为 main.c，其余部分保持默认即可。点击Finish完成创建。

完成创建后软件的编辑器自动帮我们打开了 main.c 文件，同时还打开了一个system.mss的文件，如图所示。

在写入用户代码前，我们先跳转到系统为我们打开的 system.mss 文件查看。可以看到该文件除了对板级支持包进行了相关说明外，还提供了许多相关的驱动例程和相关文档供开发者参考。

接下来返回main.c，向其中添加以下代码：

#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xstatus.h"
#include "xplatform_info.h"
#include <xil_printf.h>

#define GPIO_DEVICE_ID  	XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
#define	LED_MIO0			7
#define	LED_MIO1			8

#define	LED_EMIO			54

XGpioPs Gpio_PS;	/* The driver instance for GPIO Device. */


int main()
{
	XGpioPs_Config *GPIO_ConfigPtr;
	//初始化GPIO外设
	GPIO_ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);
	XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio_PS, GPIO_ConfigPtr,
			GPIO_ConfigPtr->BaseAddr);

	//选择gpio管教方向

	XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio_PS, LED_MIO0, 1);
	XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio_PS, LED_MIO1, 1);
	XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio_PS, LED_EMIO, 1);

	//使能gpio管教
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio_PS, LED_MIO0, 1);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio_PS, LED_MIO1, 1);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio_PS, LED_EMIO, 1);

	while(1)
	{
		XGpioPs_WritePin(&Gpio_PS, LED_MIO0,0x0);
		XGpioPs_WritePin(&Gpio_PS, LED_MIO1,0x0);
		XGpioPs_WritePin(&Gpio_PS, LED_EMIO,0x0);

		sleep(1);

		XGpioPs_WritePin(&Gpio_PS, LED_MIO0,0x1);
		XGpioPs_WritePin(&Gpio_PS, LED_MIO1,0x1);
		XGpioPs_WritePin(&Gpio_PS, LED_EMIO,0x1);
	}

	return 0;
	}

Ctrl+S 保存设计，SDK 会自动编译，在确认编译无误后，接下来便可以开始进行板级验证了。