ZYNQ之嵌入式开发02——LED实验

文章目录

  • 通过GPIO控制LED状态
  • 通过按键控制LED状态
  • 通过EMIO复用PL端按键控制PS端LED状态
  • 通过EMIO复用多个PL端的GPIO

GPIO(General Purpose Input Output)是一个外设，用来对器件的引脚做观测(输入)和控制(输出)。每个GPIO口都是独立且可以进行动态的编程的，作为输入、输出或者中断感知。软件通过一组存储映射的寄存器来对GPIO进行控制。
MIO(Multiuse Input Output)将来自PS外设和静态存储器接口的访问多路复用到PS的引脚上。
EMIO是扩展的MIO，是PS和PL之间的一个接口，当PS的引脚不够用的时候，可以通过EMIO来进行扩展，从而使用PL的引脚。
GPIO被分为4个Bank，Bank0和Bank1通过MIO将外设连到PS端，Bank2和Bank3通过EMIO将外设连到PL端。
本实验在黑金ZYNQ 7020开发板上进行，使用PS端的MIO控制LED，实现LED的闪烁效果。

通过GPIO控制LED状态

创建IP核完成后，双击配置该IP核，勾选GPIO MIO选项。
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使用GPIO控制LED的步骤为：初始化GPIO的驱动；设置GPIO的方向为输出；设置输出使能；写数据到GPIO输出引脚。
GPIO使用的示例可以通过bsp文件夹下的.mss文件中的网页扩展链接跳转得到。
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这里包括了两种GPIO使用的代码示例，一种是中断类型，一种是直接使用。
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将代码示例导入到工程中。
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在该文件中可以参考相关的写法，碰到函数可以按住Ctrl键并点击跳转到其定义的地方。
在这里插入图片描述
原理图中有两个PS端的LED，对应着黑金开发板上的两个LED，分别接在MIO0_LED和MIO13_LED上，想要点亮LED就需要给相应的引脚置低电平。
在这里插入图片描述
找到这两个LED在原理图中的连接位置，如下图所示，这样就可以将其在代码中写入了。
在这里插入图片描述
本实验参考示例代码xgpiops_polled_example.c编写的C代码如下。

#include "stdio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "sleep.h"#define GPIO_DEVICE_ID  	XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
XGpioPs_Config *ConfigPtr;  //结构体类型，成员有设备ID和寄存器地址
XGpioPs Gpio;  //结构体类型，GPIO操作实例
static u32 Output_Pin0 = 0;  //PS端LED连接的输出引脚是0号或13号
static u32 Output_Pin13 = 13;  //PS端LED连接的输出引脚是0号或13号int main()
{printf("gpio led test!\n");//查找器件的配置信息ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);//初始化GPIO的驱动XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);//设置GPIO的方向为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Output_Pin0, 1);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Output_Pin13, 1);//设置输出使能XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, Output_Pin0, 1);  //0-disable,1-enableXGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, Output_Pin13, 1);//写数据到GPIO输出引脚while(1){XGpioPs_WritePin(&Gpio, Output_Pin0, 0x0);   //点亮LED1printf("ps led1 on!\n");XGpioPs_WritePin(&Gpio, Output_Pin13, 0x1);  //熄灭LED2printf("ps led2 off!\n");sleep(1);XGpioPs_WritePin(&Gpio, Output_Pin0, 0x1);   //熄灭LED1printf("ps led1 off!\n");XGpioPs_WritePin(&Gpio, Output_Pin13, 0x0);  //点亮LED2printf("ps led2 on!\n");sleep(1);}return 0;
}

该程序实现的是点亮黑金开发板上PS端的两个LED，让其交叉亮灭，间隔时间是1秒，效果如下动图所示。
请添加图片描述
因为在程序中还设置了打印输出，因此SDK终端也会有相应的输出，动图如下。
请添加图片描述

通过按键控制LED状态

本实验中需要使用开发板上的两个按键分别控制两个LED的状态。
将上面点亮LED实验的Vivado工程另存，然后在另存工程的基础上进行修改。本实验相较于上面只点亮LED的实验来说，需要从按键对应的GPIO口读入数据，然后将其写入到LED对应的GPIO中。
黑金开发板中PS端的按键在原理图中的连接如下图所示，按键按下后，端口输出是低电平，没按下时是高电平。
在这里插入图片描述
找到这两个按键在原理图中的连接位置，如下图所示。
在这里插入图片描述
用PS端按键控制PS LED的C代码如下。

#include "stdio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "sleep.h"#define GPIO_DEVICE_ID  	XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
XGpioPs_Config *ConfigPtr;  //结构体类型，成员有设备ID和寄存器地址
XGpioPs Gpio;  //结构体类型，GPIO操作实例
static u32 Output_Pin0 = 0;  //PS端LED1连接的输出引脚是0号
static u32 Output_Pin13 = 13;  //PS端LED2连接的输出引脚是13号
static u32 Input_Pin50 = 50;  //PS端KEY1连接的输入引脚是50号
static u32 Input_Pin51 = 51;  //PS端KEY2连接的输入引脚是51号
static u32 key_value1,key_value2;int main()
{printf("gpio led test!\n");//查找器件的配置信息ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);//初始化GPIO的驱动XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);//设置LED的GPIO方向为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Output_Pin0, 1);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Output_Pin13, 1);//设置KEY的GPIO方向为输入XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Input_Pin50, 0);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Input_Pin51, 0);//设置输出使能XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, Output_Pin0, 1);  //0-disable,1-enableXGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, Output_Pin13, 1);while(1){//从KEY读数据key_value1 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, Input_Pin50);key_value2 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, Input_Pin51);//写数据到GPIO输出引脚XGpioPs_WritePin(&Gpio, Output_Pin0, key_value1);   //从KEY1读入的值写入LED1XGpioPs_WritePin(&Gpio, Output_Pin13, key_value2);  //从KEY2读入的值写入LED2}return 0;
}

板上验证结果如下动图所示。
请添加图片描述
在PS KEY1按下时，PS LED1点亮，在PS KEY2按下时，PS LED2点亮，松开时熄灭。

通过EMIO复用PL端按键控制PS端LED状态

PS端还可以通过EMIO复用PL端的接口。
在这里插入图片描述
在前面工程的基础上，配置IP核的时候勾选GPIO EMIO选项。
在这里插入图片描述
需要使用几个EMIO就填几个，这里只需要复用一个PL端的按键，因此选择1个。
在这里插入图片描述
这里的最大宽度是64，因为PL端有两个Bank，每个Bank是32位，如下图所示。
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配置成功之后，IP核图示中就多了一个GPIO_0口，在其上右键选择Make External后就会为其添加引脚，可以进行自己命名引脚名称，我这里命名为了GPIO_KEY，将GPIO_0展开后可以看到其有输入、输出和使能三项，如下图所示。
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重新生成后，打开.v文件如下，里面就多了一行我们添加的GPIO_KEY，因为现在要复用PL端的按键，因此要生成Bitstream文件，点击生成比特流。
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生成比特流文件的时候报错了，这是因为使用PL端接口时要先进行管脚分配。
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点击Open Elaborated Design，然后点击菜单栏Layout，选择I/O Planning调出管脚分配窗口。
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这是PL端的4个按键，这里选择KEY1进行复用。
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在原理图中找到其连接的位置，管脚为N15。
在这里插入图片描述
BANK35连接的电源是VCCIO_35，如下图所示。
在这里插入图片描述
在原理图中找到VCCIO_35，其输出是3.3V的电压。
在这里插入图片描述
然后在管脚分配这里进行设置，管脚设置为N15，电压设置为3.3V，如下图所示。
在这里插入图片描述
点击保存，弹出下面的窗口，自己输入一个文件名称即可。
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这样就在源目录下生成了对应的约束文件，里面的内容就是刚才设置的。
在这里插入图片描述
再次点击生成比特流，生成结束后打开设计。
在这里插入图片描述
也可以点击Report Utilization查看使用率，如下图所示。
在这里插入图片描述
这个时候再导出硬件的时候，就要将比特流文件勾选，因为使用到了PL端的引脚。
在这里插入图片描述
PL端的Bank编号是从54开始的，本实验中也只使用了一个，因此其编号就是54。
在这里插入图片描述
本实验中的代码相比于PS端按键控制PS LED只改动了一点，将其中一个PL按键的编号改为了54，具体代码如下。

#include "stdio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "sleep.h"#define GPIO_DEVICE_ID  	XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
XGpioPs_Config *ConfigPtr;  //结构体类型，成员有设备ID和寄存器地址
XGpioPs Gpio;  //结构体类型，GPIO操作实例
static u32 Output_Pin0 = 0;  //PS端LED1连接的输出引脚是0号
static u32 Output_Pin13 = 13;  //PS端LED2连接的输出引脚是13号
static u32 Input_Pin50 = 50;  //PS端KEY1连接的输入引脚是50号
static u32 Input_Pin54 = 54;  //PL端KEY1设置为54
static u32 key_value1,key_value2;int main()
{printf("gpio key led test!\n");//查找器件的配置信息ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);//初始化GPIO的驱动XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);//设置LED的GPIO方向为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Output_Pin0, 1);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Output_Pin13, 1);//设置KEY的GPIO方向为输入XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Input_Pin50, 0);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, Input_Pin54, 0);//设置输出使能XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, Output_Pin0, 1);  //0-disable,1-enableXGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, Output_Pin13, 1);while(1){//从KEY读数据key_value1 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, Input_Pin50);key_value2 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, Input_Pin54);//写数据到GPIO输出引脚XGpioPs_WritePin(&Gpio, Output_Pin0, key_value1);   //从KEY1读入的值写入LED1XGpioPs_WritePin(&Gpio, Output_Pin13, key_value2);  //从KEY2读入的值写入LED2}return 0;
}

代码编写成功后，还不能像之前那样直接下载到开发板，因为用到了PL端的资源，因此需要点击菜单栏Xilinx—>Program FPGA进行FPGA的编程，如下图所示。
在这里插入图片描述
编程完毕之后，就可以在开发板上下载程序运行了，实验结果如下图所示，成功用PL端的KEY1控制了PS端的LED2。
在这里插入图片描述

通过EMIO复用多个PL端的GPIO

本实验将通过EMIO复用8个PL端的GPIO，包括4个按键和4个LED，具体的实验结果是，PS端的两个按键分别控制PS端的两个LED，PL端的四个按键分别控制PL端的四个LED。
首先在IP核配置的时候，选择EMIO GPIO的宽度为8。
在这里插入图片描述
更新之后，IP核图示这里的GPIO显示也是8位的。
在这里插入图片描述
在原理图中找到PL端LED的引脚，再到原理图中找到其连接的位置，前面的BANK35中就有。
在这里插入图片描述
将本实验用到的8个引脚分配汇总如下表所示。

名称LED1LED2LED3LED4KEY1KEY2KEY3KEY4
引脚M14M15K16J16N15N16T17R17

电压都是3.3V，在Vivado中打开引脚配置，按照上表进行管脚分配，分配完成后如下图所示。
在这里插入图片描述
配置引脚完成后进行保存，生成比特流文件，导出到硬件，启动SDK，然后在里面修改C代码如下。

#include "stdio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "sleep.h"#define GPIO_DEVICE_ID  	XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
XGpioPs_Config *ConfigPtr;  //结构体类型，成员有设备ID和寄存器地址
XGpioPs Gpio;  //结构体类型，GPIO操作实例
static u32 PS_LED1 = 0;  //PS端LED1连接的输出引脚是0号
static u32 PS_LED2 = 13;  //PS端LED2连接的输出引脚是13号
static u32 PS_KEY1 = 50;  //PS端KEY1连接的输入引脚是50号
static u32 PS_KEY2 = 51;  //PS端KEY2连接的输入引脚是51号
static u32 ps_key_value1,ps_key_value2;static u32 PL_KEY1 = 54;  //PL端KEY的引脚，根据引脚[0:7]的顺序
static u32 PL_KEY2 = 55;
static u32 PL_KEY3 = 56;
static u32 PL_KEY4 = 57;
static u32 PL_LED1 = 58;
static u32 PL_LED2 = 59;
static u32 PL_LED3 = 60;
static u32 PL_LED4 = 61;
static u32 pl_key_value1,pl_key_value2,pl_key_value3,pl_key_value4;int main()
{printf("gpio emio test!\n");//查找器件的配置信息ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);//初始化GPIO的驱动XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);//设置PS LED的GPIO方向为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PS_LED1, 1);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PS_LED2, 1);//设置PS KEY的GPIO方向为输入XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PS_KEY1, 0);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PS_KEY2, 0);//设置PS输出使能XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, PS_LED1, 1);  //0-disable,1-enableXGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, PS_LED2, 1);//设置PL LED的GPIO方向为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PL_LED1, 1);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PL_LED2, 1);XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PL_LED3, 1);XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PL_LED4, 1);//设置PL KEY的GPIO方向为输入XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PL_KEY1, 0);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PL_KEY2, 0);XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PL_KEY3, 0);XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PL_KEY4, 0);//设置PL输出使能XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, PL_LED1, 1);  //0-disable,1-enableXGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, PL_LED2, 1);XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, PL_LED3, 1);XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, PL_LED4, 1);while(1){//从PS KEY读数据ps_key_value1 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, PS_KEY1);ps_key_value2 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, PS_KEY2);//写数据到PS LEDXGpioPs_WritePin(&Gpio, PS_LED1, ps_key_value1);   //从PS KEY1读入的值写入PS LED1XGpioPs_WritePin(&Gpio, PS_LED2, ps_key_value2);  //从PS KEY2读入的值写入PS LED2//从PL KEY读数据pl_key_value1 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, PL_KEY1);pl_key_value2 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, PL_KEY2);pl_key_value3 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, PL_KEY3);pl_key_value4 = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, PL_KEY4);//写数据到PL LEDXGpioPs_WritePin(&Gpio, PL_LED1, pl_key_value1);   //从PL KEY1读入的值写入PL LED1XGpioPs_WritePin(&Gpio, PL_LED2, pl_key_value2);   //从PL KEY2读入的值写入PL LED2XGpioPs_WritePin(&Gpio, PL_LED3, pl_key_value3);   //从PL KEY3读入的值写入PL LED3XGpioPs_WritePin(&Gpio, PL_LED4, pl_key_value4);   //从PL KEY4读入的值写入PL LED4}return 0;
}

点击菜单栏Xilinx—>Program FPGA进行FPGA的编程，随后在开发板上运行程序，实验结果如下动图所示。
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参考视频：
正点原子手把手教你学ZYNQ之嵌入式开发

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