ZYNQ入门实例——三种GPIO应用、中断系统及软硬件交叉触发调试

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作者:没落骑士

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 upn");
155         break;
156     case 29:
157         printf("button centern");
158         break;
159     case 27:
160         printf("button leftn");
161         break;
162     case 23:
163         printf("button rightn");
164         break;
165     case 15:
166         print("button downn");
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。