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基于Lemon ZYNQ的PS实验一 GPIO之用EMIO方式点亮LED（完整图文）

之前的 FPGA 实验中，我们是通过 PL 资源（FPGA 逻辑）来点亮 LED 灯。这次我们将介绍如何利用 ZYNQ 的 PS 资源来实现点亮 LED 灯。由于板上的 LED 资源连接在 PL 端，我们将使用 EMIO方式来进行控制，本次实验的目的是熟悉 PS (SDK) 的开发流程。值得一提的是，从 2019 年开始，Vivado 中的 SDK 已被更名为 Vitis，但基本开发流程相似。

PS 的GPIO分三种：MIO,EMIO和AXI-GPIO： MIO是 ZYNQ PS的固定引脚，用于连接 ARM 处理器和外部设备，而 EMIO是可编程的扩展引脚，允许通过 FPGA 逻辑灵活配置和连接外部设备，AXI-GPIO 则提供了一种通过 AXI 接口与 GPIO 进行通信的方式，进一步增强了系统的灵活性。

通俗的理解MIO就是接在PS上的引脚， 而EMIO可以理解为PS映射到PL（FPGA）端的引脚（对PL端的资源占用非常小，可以简单理解为PS端拉了根导线到PL端对应的IO口），而AXI-GPIO是通过AXI-GPIO模块拓展的功能引脚（相当于PL端需要生成AXI GPIO响应的电路，占用PL资源较EMIO方式多）。

因为Lemon ZYNQ上的IO以及外设大多都是接在PL端的（具有更好的拓展性），所以我们着重了解EMIO以及AXI-GPIO的使用方法即可。（MIO和EMIO在PS端的调用方法几乎一致）。

本文先介绍EMIO方式点亮LED灯，下一节再介绍AXI-GPIO方式。

  • 此章节内容适用于Lemon ZYNQ主板，如是其他板子请看对应板子目录
  • 本文在 vivado2018.3版本上演示

一、创建Vivado工程

1) 新建一个VIVADO 工程，打开软件 选中Create Project, 如下图所示

2）点击NEXT ，在出现的第二个对话框“Project name”中输入工程名；在“Project location”中选择保存路径；勾选“Create project subdirectory”，最后点击“Next” 备注，所有的路径均不能出现中文名称

3)点击 RTL PROJECT 选项，点击NEXT

4） 第四步Add Sources 选项直接留空，NEXT

5）第五步Add Constraints 选项直接留空，NEXT

6) 选择芯片型号  板子的芯片型号为 XC7Z020 封装是CLG484 所以型号我们选择 xc7z020clg400-1 （如果是XA7Z020的车规级芯片版本，这里也选xc7z020clg400-1）

7）确认所选信息 点击“Finish”，完成vivado的工程创建

二、创建一个BLOCK设计

1）IP INTEGRATOR→Create Block Design，在弹出的对话框中输入设计名，最后点击“OK”，如下图所示

2) 在右侧的窗口里 ，点击加号，在选择框里搜索ZYNQ，并找到ZYNQ7 PROCESSING SYSTEM ，双击并打开

3）软件自动生成了一个 zynq的block 如下图所示，接下来要做一些相应的设置，双击下图中的ZYNQ核

4）依次在弹窗里找到DDR Configuration→DDR Controller Configuration→DDR3，在Memory Part下拉菜单中根据自己板子上的DDR来选择相应的DDR3，本实验所用到型号：MT41K256M16RE-125，数据位宽选择16bit 最后点击“OK”,如下图所示。

5) 因为Lemon ZYNQ主板的PS时钟是50M的晶振输入的，所以这里需要把默认的PS输入时钟33.33M改成50M

6）在PS的MIO配置选项的GPIO栏里，增加两路EMIO（因为本次测试的是两个，如果需要增加按键或者其它IO 这里可以对应的调整）

7）最后 点击“Run Block Automation”如下图所示。在弹出的选项中保持默认，点击“OK”，即可完成对ZYNQ7 Processing System的配置

8）将刚才添加EMIO GPIO 引出 右键GPIO_0—->Make External

9）用线将M_AXI_GP0_ACLK与 FCLK_CLK0连接起来 （本章用不到AXI资源，也可以在设置页将AXI接口禁用掉，此处就不需要连接了）

10）source→Design Source ，右键我们创建的BLOCK工程，点击create HDL wrapper如下图所示。

在弹出的对话框里保持默认

软件自动为我们生成HDL文件

三、创建约束文件，并且定义管脚

1）Add Source → Add or create constraints 点Next

因为这个项目没有创建过约束文件 所以这里创建一个约束文件，并在File name 里设置约束文件的名称，并且点击FINISH 完成约束文件的创建

2）Sources → Constraints 里找到刚才创建的约束文件 双击并打开该XDC约束文件

在约束文件里面复制下面代码来对输出的GPIO进行管脚（所有的管脚转接板上丝印都有实际标注对应的IO）

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports GPIO_0_0_tri_io[0]]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports GPIO_0_0_tri_io[1]]

set_property PACKAGE_PIN R14 [get_ports GPIO_0_0_tri_io[0]]
set_property PACKAGE_PIN P14 [get_ports GPIO_0_0_tri_io[1]]

四、生成bit文件

1）按下绿色箭头对工程进行编译

2）按下Generate Bitstream 完成综合以及生成bit文件

五、SDK程序编写

1）File→Export→Export hardware…，在弹出的对话框中勾选“include bitstream”，点击“OK”确认，如下图所示。

2）File→Lauch SDK，在弹出的对话框中，保存默认，点击“OK”，如下图所示。

系统将自动打开SDK开发环境

3）新建一个工程 file→new→Application Project，来新建一个“Application Project”，如下图所示。

4）在新建工程名中输入自己的工程名称，点击NEXT

5）选择空工程，点击完成FINISH

6) 在工程中添加main.c文件 src—>New—>Source File 如下图所示

7）在弹出的窗口中填入main.c 并且保存

8）.打开刚才创建的main.c

然后 写入以下代码（代码是在 例程的基础上进行精简的） 有一个地方值得注意 EMIO的 IO口编号 是从54开始的，也就是我VIVADO 下创建的 EMIO端口，在PS端都是从54-55-56 依次排序的（小贴士 小于54的是MIO 也就是芯片PS的硬件IO口）

/////////////////////
//www.hellofpga.com//
/////////////////////

#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xstatus.h"
#include "xplatform_info.h"

#define LED1    	54
#define LED2  		55

#define GPIO_DEVICE_ID  	XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
XGpioPs Gpio;


void Gpio_Init(void){
	XGpioPs_Config *ConfigPtr;

	ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);
	XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr,ConfigPtr->BaseAddr);

	XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, LED1, 1);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, LED1, 1);

	XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, LED2, 1);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, LED2, 1);

	XGpioPs_WritePin(&Gpio, LED1, 0);
	XGpioPs_WritePin(&Gpio, LED2, 0);
}


#define LED_DELAY     10000000
volatile int Delay;

int main(void)
{
	Gpio_Init();

	while(1){

		XGpioPs_WritePin(&Gpio, LED1, 0);
		XGpioPs_WritePin(&Gpio, LED2, 1);

		for (Delay = 0; Delay < LED_DELAY; Delay++);

		XGpioPs_WritePin(&Gpio, LED1, 1);
		XGpioPs_WritePin(&Gpio, LED2, 0);

		for (Delay = 0; Delay < LED_DELAY; Delay++);

	};

	return 0;
}

六、下载到板子上进行验证

1）在SDK菜单栏中选中 Xilinx→Program FPGA，在弹出的对话框中选择默认，点击“program”，完成FPGA PL部分的Program工作（也确认下bit文件是否是我们刚才生成的bit文件）

2）选中我们生成的GPIO工程 展开绿色箭头（RUN）右边的图标，选择Run As→1 Launch on Hardware（System Debugger）

可以看到板子上的LED灯在交替闪烁

备注 ：如果 RUN 的时候弹出错误 可以按照下面的操作 进行设置 再进行DEBUG

3） 之后点 APPLY 再选择Run As→1 Launch on Hardware（System Debugger）看是否下载成功（如果仍然不行，请对板子进行断电后重试，一般发生这种问题的原因是因为debug的时候跟之前运行的程序产生冲突导致的）

七、代码解读


#define LED1 54 定义LED 1为 PS的第54脚（即EMIO第0脚）
#define LED2 55 定义LED 2为 PS的第55脚（即EMIO第1脚）
备注（EMIO 是从第54脚开始的）

XGpio_SetDataDirection 设置GPIO为输入/输出
XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, LED, 1);//使能 LED 对应的GPIO的输出功能
XGpioPs_WritePin(&Gpio, LED, 0); //拉低 LED 对应的GPIO
XGpioPs_WritePin(&Gpio, LED, 1); //拉高 LED 对应的GPIO

for (Delay = 0; Delay < LED_DELAY; Delay++); 这是一个耗费系统资源的delay函数的简写

所以整个程序的效果就是两个LED灯 不停交替点亮熄灭，反复循环。


八、 调用SDK示例DEMO介绍

其实SDK中几乎所有的硬件资源都有样例DEMO程序的，包括我们的GPIO 也有DEMO,你只需要点mss文件，并在右侧找到对应的资源，点选import Examples ,就能找到SDK官方留下的demo了。有很多DEMO都是直接可以使用的。


其实不管是 EMIO方式 还是AXI GPIO的方式 ，或者参考设计的 代码 或者我精简的代码 都是大同小异的，只要知道自己想实现什么功能，再去有针对性的研究参考设计的代码，都能写出自己想要的功能

另外赋上 下面地址是自己之前整理的MIO EMIO AXIGPIO 三者的区别，有兴趣的可以看一下zynq 中EMIO MIO AXIGPIO区别。

  • 本文的完整工程下载：01_PS_LED_TEST_EMIO
  • VIVADO的版本：2018.3
  • 工程创建目录： E:\Lemon_ZYNQ\SDK\01_PS_LED_TEST_EMIO

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