ZYNQ入門例項——三種GPIO應用、中斷系統及軟硬體交叉觸發除錯
一、前言
Xlinx的ZYNQ系列SOC集成了APU、各種專用外設資源和傳統的FPGA邏輯，為ARM+FPGA的應用提供助力，降低功耗和硬體設計難度的同時極大提高兩者間傳輸的頻寬。之前在研究生課題中使用過ZYNQ搭建環路系統對演算法進行板級驗證，但並沒有深入使用和理解這個異構平臺，今天算是對入門的總結。一款SOC的入門必然是GPIO的使用，而中斷則是MCU能保證實時性的必殺武器。硬體除錯難度高一直是FPGA的痛點，整合ARM的FPGA更是如此，cross-trigger除錯有效地解決了這一問題，所以它也作為入門ZYNQ的必要技能。
二、硬體系統搭建
ZYNQ的三種GPIO分別是MIO、EMIO和AXI-GPIO。PS部分直接連線到晶片引腳的IO叫MIO，經過FPGA再連線到引腳的是EMIO。EMIO可以通過硬體約束指定不同的埠號和電壓標準，提高了ARM IO的靈活性。而AXI-GPIO相當於是對ARM IO的補充，通過呼叫AXI-GPIO IP核與外部通訊。以下通過一個例項來說明三種IO的使用方式。
系統功能：使用一個MIO使連線其上的LED閃爍，使用8個EMIO同樣與LED連線構成流水燈效果，另外再呼叫一個5bit位寬的AXI-GPIO IP核以終端模式響應電路板上5個按鍵。
平臺：米聯客 MIZ702N （ZYNQ-7020）
配置ZYNQ IP，使能MIO和EMIO，配置EMIO位寬是8bit。
使能Cross Trigger和共享中斷。
之後新增AXI-GPIO IP Core，配置位寬並使能其中斷功能：
執行Run Automatic Connection最終block design系統結構：
這裡使用ILA抓取AXI-GPIO的中斷訊號。
三、軟體程式設計與AXI-GPIO中斷模式解析
Implementation,export hardware with bitstream, launch SDK. BSP中自帶了硬體系統所使用到的IP的一些示例程式碼和文件，為入門提供了很好的幫助。
為了方便複用，對Xilinx提供的API做進一步封裝，生成gpiops.h gpiops.c gpio.h gpio.c和gic.h檔案。接下來重點講述GIC相關的程式碼原理。若要使用中斷系統，首先要初始化GIC，和其他IP一樣包括查詢配置和初始賦值兩個步驟，分別由LookupConfig和CfgInitialize兩個函式完成。後者實際上初始化了中斷處理控制代碼使其指向了一個空結構。要理解內部原理，需要弄清楚XScuGic的資料結構。
其中Handler實際上是一個函式指標型別，用於定義中斷產生時的回撥函式。而CallBackRef用於傳入InstancePtr，即Gic Instance Pointer。GIC初始化完，要將GIC與中斷ID和自定義中斷回撥函式繫結。
內部的核心程式碼依然和初始化時一致，只不過換成了輸入引數：
下一步該使能中斷了，一方面是使用GIC對GPIO中斷ID的響應，另一方面是使能AXI-GPIO的中斷訊號。最後是系統對異常的處理函式，這裡將其封裝在exception_enable中：
總結來看，中斷系統建立的步驟為：
1 初始化GIC
2 連線GIC與中斷ID和回撥函式
3 使能中斷
4 使能異常處理
那麼為什麼完成上述操作後，中斷事件發生會立即執行自定義中斷回撥函式GpioHandler呢？CPU會將中斷向量表儲存在特定的暫存器中，讀取該暫存器可以獲取中斷向量表內容，裡邊存放著各個中斷ID對應的中斷函式入口地址。跳轉指令則有中斷控制器完成。
接下來是各個檔案的軟體程式碼：
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 }
main.c
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.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);
}
gpio.c
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 }
gpiops.c
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_ */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_ */
gic.h
四、交叉觸發除錯
右鍵工程資料夾->Run As/Debug As分別用於程式碼下載和除錯。SDK基於GDB提供了強大的除錯能力，支援斷點執行，可檢視內部暫存器、地址數值以及彙編程式碼等。Debug As ->Debug Configuartion，雙擊System Debugger新建ELF檔案。勾選Reset entire system和Program FPGA，因為ELF只是軟體，硬體資訊儲存在bitstream中。最重要的是勾選enable cross-triggering。
點選enable cross-triggering右側的按鈕，按照如下操作使能Processor to Fabric Trigger.
再次create使能Fabric to Processor Trigger：
最後點選Debug下載軟硬體程式碼並進入除錯介面。
1 首先嚐試PS觸發PL除錯：
指定中斷回撥函式起始位置一個斷點。然後進入VIVADO，開啟Hardware Manager連線硬體。注意此時觸發模式選擇IN_ONLY。此時不用設定ILA抓取訊號的觸發條件，因為觸發由PS端的PC控制。點選Run Trigger等待觸發條件。這時回到SDK點選Resume按鈕使程式碼開始執行。按下任意按鍵產生中斷，此時軟體程式碼執行到斷點處停止，ILA隨即抓取中斷訊號。
2 嘗試PL觸發PS除錯：
這回在VIVADO中設定觸發模式為OR_TRIG_IN，並啟動觸發條件為上升沿觸發。按下按鍵，C執行到滿足ILA觸發條件時C程式碼立即停止，故PL控制了PS端的程式執行。
可以看到此時程式進入IRQHandler。
串列埠終端也列印進入中斷函式的資訊，正確響應中斷。到此示例結束。本文雖是對ZYNQ入門的整理，但涉及到的東西很多，包括GPIO應用、中斷系統建立和相應機制、呼叫AXI匯流排IP核、軟體設計以及軟硬體交叉觸發除錯流