【zynq课程笔记】【裸机】【第11课 】【GPIO_EMIO原理与应用】

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1.        课程介绍

在第七、八课中，我们为大家介绍了GPIO的结构、原理以及编程思路，并使用C语言编程，实现了使用PS侧按键控制LED亮灭的效果，准确的说，是使用PS的MIO实现了按键控制LED的效果。
GPIO分为MIO与EMIO两种接口，这两种接口在功能结构以及寄存器设置上都是一致的，甚至SDK中提供的驱动库都是完全相同的同一套。不同之处在于：

• MIO信号全都直接映射到了Zynq芯片的确定管脚，其位置都是已知且不可更改的。
• EMIO是没有固定到芯片特定管脚的一组GPIO，其只能先映射到PL侧，连接PL侧的用户逻辑，或是直接通过PL引出到Zynq芯片的FPGA通用管脚。
  

总结就是：EMIO就是一种特殊的MIO，是一种可以导出到FPGA中，由FPGA来驱动和分配的MIO。



另外，由于PS的MIO管脚数量是有限的，而PS侧的各种外设控制器所需要引出到芯片管脚的信号总数大于MIO总数，所以当MIO不够用时，可以将这些外设功能，比如UART、SPI、I2C、网口等控制器的引出信号通过EMIO导出到FPGA，再通过FPGA侧的通用管脚连接外部的功能电路。
不过需要注意的是，不是所有的外设的信号都能通过EMIO导出到FPGA使用（打开ZYNQ核的MIO configuration界面），比如USB、Quad-SPI和SMC。
能够导出的功能，导出到EMIO的信号和直接使用MIO的信号名称以及类型都是一样的。但是有个例外，就是千兆以太网，对于千兆以太网，由于PL内部无法传递双数据速率信号，而PS的千兆网使用的RGMII接口是双数据速率IO（DDIO），因此通过EMIO导出到PL时，使用的是8位的GMII接口，FPGA侧可以直接使用FPGA IO来实现GMII接口，也可以在FPGA中使用双数据速率接口（DDIO）再转换为RGMII接口，以连接RGMII接口的以太网PHY。

PS的GPIO包含4个bank，其功能示意如下图所示：



从图中我们可以看到：
Bank0和Bank1映射到了MIO引脚，共54个；
Bank2和Bank3连接的是EMIO，共64个。
因此，在MIO引脚不够用时，我们可以驱动EMIO控制PL引脚，以实现更多可用的PS GPIO管脚。



2.        课程目的

既然EMIO这么方便易用，本节课程我们就使用EMIO接口，实现PL侧按键（S2）控制PL侧LED灯（D5）亮灭的设计。通过设计，带领大家了解EMIO的使用流程，以及使用时与MIO的差异。


3.        所包含硬件

本节课程只需要使用ACZ702开发板主板即可。在ACZ702开发板上，PS侧与PL侧各带有一个按键和LED灯，因此设计不需要外接任何外设。PL侧按键对应开发板上丝印为S2，PL侧LED灯对应丝印D5。




4.        系统框图

为了方便大家理解，这里为大家做了一张本次设计的简易框图。



在设计时，我们通过软件编程，将连接S2的EMIO配置为输入模式，用来捕获用户通过按键输入的电平；将连接D5的EMIO配置为输出模式，ARM将需要设置的LED的亮灭状态值通过EMIO输出，驱动LED亮灭显示。C软件程序，直接使用第八课的内容就可以、。



5.        创建工程

介绍完设计的系统模型，接下来我们就可以使用Vivado和SDK开始系统的设计和实现了。
1.        创建一个名为GPIO_EMIO的工程
2.        新建Block Design设计
3.        添加ZYNQ IP核



6.        IP核配置与端口导出

（1）        IP核配置
点击导航界面的GPIO，跳转到GPIO外设使能界面，使能GPIO MIO和EMIO GPIO（Width）,设置EMIO GPIO（Width）的I/O数量为2。

• 设置Bank1的电压为LVCMOS 1.8V
• 配置DDR型号为MT41K128M16 JT-125
• 取消M_AXI_GP0接口
  

这里给大家解释下Bank电平还有外设使能为什么需要这么配置：
首先是外设使能，勾选MIO是为了使设计更加灵活，当设计需要使用到MIO时，随时都能用到；在勾选EMIO GPIO（Width）时，默认就是使能了EMIO。S2和D5各需要一个EMIO接口，所以在勾选EMIO GPIO（Width）后将其I/O设置为2，这里的I/O指的是数量而不是类型。而PS的MIO接口因为是已经连接好的，固定的引脚，所以不需要也没有设置I/O数量这一选项。
接着是Bank电平配置，Bank的电平配置在ug585的Boot and Configuration章节中有所提及，这里给出手册中的关系表：



可以看到，Bank0和Bank1的电平标准分别由MIO7和MIO8的输入决定，开发板上这两个接口的硬件电路如下图



可以看到，MIO8接在3.3V上，输入高电平，对应Bank1的电平标准为LVCMOS 1.8V；MIO7接地，输入低电平，对应Bank0的电平标准为LVCMOS 3.3V。
至于为什么这里通过硬件将Bank1电平标准设置为LVCMOSS 1.8V，根据Xilinx原厂相关人员介绍，主要是考虑到rgmii速率较高，为了确保通信在任何情况下都能够确定可靠，所以推荐将以太网IO所在Bank电平标准设置为LVCMOS 1.8V。

（2）        端口连接
点击“Run Block Automation”，随后右键GPIO_0引脚选择make External导出引脚，为了方便辨别，这里可以给引脚命名为EMIO。



7.        管脚约束

当完成block design设计之后，我们还需要对该block design生成输出文件（generate output products），并生成一个例化了该设计的HDL格式的顶层文件。
当顶层文件生成好之后，点击“Open Elaborated Design”对设计进行详细的分析，分析完成后就可以自动打开管脚约束界面进行管脚约束，如果显示的界面不是管脚分配，大家可以通过手动在右上角的下拉列表中选择I/O planning选项卡以切换到IO分配界面。关于ACZ702开发版各项功能对应的管脚信息，可以直接在下述帖子中查看。
ACZ702开发板管脚信息表
http://www.corecourse.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=29058
以下为本次实验所用功能对应的引脚分配表：

Pin Name	Signial Name	Pin NO.
FPGA_LED	EMIO_tri_io[0]	T14
FPGA_Key0	EMIO_tri_io[1]	F20

分配完成后将引脚电平标准修改为LVCMOS33，然后保存约束文件，命名为GPIO_EMIO.xdc，
到此，我们已经完成了整个系统的硬件系统部分的设计，接下来，我们就可以点击generate bitstream来生成本系统的PL配置文件，也就是我们常说的bit文件。


8.        查看编译报告

等待比特流生成完成，我们就可以通过点击Project Summary图标，并切换到Dashboard选项卡中，来查看当前设计的资源使用等信息。



9.        创建SDK工程并添加实例源码

通过前面的操作，我们已经完成了硬件系统的设计，并得到了相应的FPGA配置文件（bit）。
接下来我们还需要针对该硬件系统，生成对应的描述文件，只有基于这些描述文件，我们才能在SDK中对该系统进行正确的编程。
在菜单栏中点击File->Export->Export Hardware，以生成本系统的硬件描述文件，由于使用到了PL的引脚，导出时需要包含bitstream文件。这里建议大家无论设计是否使用了PL的资源，都选择包含比特流。就算是纯PS的设计，我们勾选包含比特流也不会对工程产生任何影响，但如果是涉及到PL资源的设计，如果没有勾选包含比特流，将会导致设计的失败。
导出硬件描述文件后我们就可以点击File->Launch SDK来打开Vivado提供的SDK集成开发软件。然后在软件中创建一个空白模板的SDK工程，创建好之后，在src文件夹下创建一个名为main.c的源文件，向其中添加本次设计源码，源码内容如下：

[C] 纯文本查看 复制代码

#include "xgpiops.h"
#include "unistd.h"

XGpioPs Gpio;
XGpioPs_Config *ConfigPtr;

int main(void)
{
    ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(XPAR_PS7_GPIO_0_DEVICE_ID);
    XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);

    /*设置EMIO0为输入,MIO有54个，EMIO0=54+0=54*/
    XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, 54, 1);
    XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, 54, 1);

    /*设置EMIO1为输入*/
    XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, 55, 0);
    XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, 55, 0);

    while(1)
    {
        while(!XGpioPs_ReadPin(&Gpio, 55))
        {
            //设置bit54输出1
            XGpioPs_WritePin(&Gpio, 54, 0x1);
            usleep(500000);

            //设置bit54输出0
            XGpioPs_WritePin(&Gpio, 54, 0x0);
            usleep(500000);
        }

        //设置bit54输出0
        XGpioPs_WritePin(&Gpio, 54, 0x0);
    }

    return 0;
}

可以看到，这里代码使用的是MIO驱动PS LED亮灭的设计中的代码，仅仅只修改了驱动的GPIO引脚。
到此，我们的应用程序就创建完了，程序写完之后，我们还需要下载到开发板中进行验证，观察实验效果是否正确。


10.        硬件连接

本次硬件连接如下图所示：



由于本实验只进行简单的LED驱动，所以整体设计功耗不高，不需要使用独立供电，使用调试口Type-C供电就足够。使用调试口供电时，右侧的电源开关需要拨到上端USB侧。连接调试口时注意是靠近电源接口一侧的Type-C接口。
（Run Configuration - SystemDebugger）



11.        运行程序

现象：长按开发板上按键S1，LED灯D5会每隔1s闪烁一次。



12.        总结

到这里，本节课程内容就已经基本结束了，在本节课程中我们学习了EMIO的相关原理，并带领大家完成了EMIO的应用设计。通过设计我们可以发现，作为PS GPIO的一部分，EMIO与MIO的编程思路是一致的，都需要进行如下步骤：
1.        初始化GPIO驱动程序
2.        设置指定引脚方向
3.        设置输出引脚的输出使能
4.        读/写指定管脚的值/状态
不同点仅在于MIO是用于PS侧，管脚早已固定，不需要、也不能进行手动分配，而EMIO是拓展到PL的MIO，具体路由到哪一个管脚，还是说直接在fpga内部连接到某个信号，需要用户手动编程或进行管脚分配。
最后，作为对本节课程的一个复习与巩固，这里为大家布置一个思考题，或者说是课后小作业。



13.        课后习题

使用开发板上PL端的按键S2，控制开发板上LED灯D4、D5交替闪烁。
要求：按键长按后，D4、D5每秒完成一次亮灭交替
注意，这个题目和本节课程讲解的内容差异在于，既控制了PL侧的LED灯，又控制了PS侧的LED灯，也就是MIO和EMIO都需要用到。

admin

课程完整工程文件包括Vivado工程和SDK中的源码（工程发布前已经执行了reset_project操作，故大家下载后需要先执行generate bitstream操作）
GPIO_EMIO.rar (2.03 MB, 下载次数: 436)

2022-8-6 12:27 上传

点击文件名下载附件

单独的C源码
main.c (958 Bytes, 下载次数: 348)

2022-8-6 12:28 上传

点击文件名下载附件

tb一下

占楼

wqh1189

楼主笔误，EMIO0应该是输出。楼主讲的挺好的，准备好好学习一下