第六章 ZYNQ-MIZ701 GPIO使用之MIO
6.0 本章难度系数★★☆☆☆☆☆
6.1 GPIO简介
Zynq7000系列芯片有54个MIO(multiuse I/O)，它们分配在 GPIO 的Bank0 和Bank1隶属于PS部分，这些IO与PS直接相连。不需要添加引脚约束，MIO信号对PL部分是透明的，不可见。所以对MIO的操作可以看作是纯PS的操作。
GPIO的控制和状态寄存器基地址为：0xE000_A000，我们SDK下软件操作底层都是对于内存地址空间的操作。
Bank0:MI0[31:0]
Bank1:MI0[52:53]
Bank2:EMI0[31:0]
Bank3:EMI0[63:32]
6.1.1 GPIO的控制寄存器地址空间
我们在SDK下操作的时候底层都是对这些寄存器的操作，具体的相关参数请参考技术手册ug585-Zynq-7000-TRM.pdf
6.1.2MIO内部构造分析
DATA_RO: 此寄存器使能软件观察PIN脚，当GPIO被配置成输出的时候，这个寄存器的值会反应输出的PIN脚情况。
DATA:此寄存器控制输出到GPIO的值，读这个寄存器的值可以读到最后一次写入该寄存器的值。
MASK_DATA_LSW:位操作寄存器，写入GPIO 低16bit 其他没有改变的位置保存原先的状态
MASK_DATA_MSW:位操作寄存器，写入GPIO 高16bit 其他没有改变的位置保存原先的状态
DIRM:此寄存器控制输出的开关，当DIRM[x]==0时候，禁止输出
OEN: 输出使能，当OEN[x]==0 的时候输出关闭，PIN脚处于三态
因此，如果要读IO状态就得读DATA_RO的值，如果是对某一位进行操作就是写MASK_DATA_LSW/MASK_DATA_MSW
具体的相关参数请参考技术手册ug585-Zynq-7000-TRM.pdf
6.1.3 EMIO的特性
与MIO大部分类似但是一下几点需要注意下
• EMIO在PL部分，输入与OEN寄存器无关，当DIRM设置为0的时候设置为输入可以读DATA_RO寄存器获取数据。
• 输出不能设置成三态，当DIRM设置为1的时候为输出，写入DATA寄存器或者MASK_DATA_LSW/MASK_DATA_MSW寄存器
• EMIOGPIOTN[x]=DIRM[x] & OEN[x]，实现输出的控制。
具体的相关参数请参考技术手册ug585-Zynq-7000-TRM.pdf
6.2 电路分析及实验预期
在MiZ702的开发板上有一个MIO是与开发板上的一个LD9相连的，这个MIO就是MIO7。实验通过操作该MIO来实现LD9的闪烁。
6.3 ZYNQ核的添加及配置
Step1:新建一个名为为Miz701_sys的工程
Step2:选择RTL Project 勾选Do not specify source at this time
Step3:选择芯片xc7z010clg400-1。
Step4:单击Finish
6.4使用IP Integrator创建硬件系统
Step1:单击Create Block Design
Step2:输入system
Step3:单击下图中
添加IP按钮
Step4:搜素单词z选择ZYNQ7 Processing System，然后双击
Step5:添加进来了ZYNQ CPU IP，双击ZYNQ7 Processing System。
Step6: 修改时钟输入为50MHZ，可以看到ARM时钟为650MHZ DDR为525MHZ(1050MHZ)，并且修改FCLK_CLK0 为100MHZ。
Step7: 修改MIO的配置 修改IO电压，增加ENT0 和UART1接口，在这个实验中将会使用到MIO7确保勾选（默认勾选）单击OK退出.
Step8:修改内存型号为MT41K256M16RE-125 M。
Step9:单机Run Block Automation 进行自动连线，VIVADO软件会根据信号的命名规则智能连线。
Step10：勾选如下，直接单机OK
Step11:在你点击了OK后，你会发现DDR以及FICED_IO自劢的延伸出来，然后把时钟FCLK_CLK0和M_AXI_GPI0_ACLK连接。方法：当把鼠标靠近的时候会自动连接。
Step12：为了让以太网PHY RTL8211E-VL可以工作，必须让其复位PIN脚设置为1，只要简单添加一个常量IP并且映射到PL部分的PIN脚（复位脚在FPGA 部分（PL）），和添加CPU方法一样
Step13：双击设置常量为1
Step14：右击PIN脚选择Make External
Step15：取个有意义的名字如下图，只要单击相应的模块就可以在右手边修改
Step16: 右击 system.bd, 单击Generate Output Products
Step17:支部操作会产生执行、仿真、综合的文件，可以看出来最后的硬件设计步骤还是回到了我们前面的FPGA开发上来了。
Step18:右击system.bd 选择 Create HDL Wrapper 这步的作用是产生顶层的HDL文件
Step19:选择Leave Let Vivado manager wrapper and auto-update 然后单击OK
Step20:单机Add Sources。
Step21:选择Add or create constraints
Step22:选择Create File
Step23:输入zynq_pin。
Step24:如图，单击Finish
Step25:双击打开zynq_pin.xdc文件，添加PIN脚约束
Step26:执行->产生bit文件
6.5导出SOC硬件到SDK
Step1:File->Export->Export Hardware
Step2:勾选Include bitstream 直接单击OK
Step3:File->Launch SDK加载到SDK
Step4:单击OK
6.6 新建LED_Flash SDK工程
Step1:在SDK界面中，新建一个名为LED_Flash的工程，单击Next。
Step2:建立一个空的工程
Step3:新建一个C的源文件
Step4:取名为LED_Flash.c
Step5:取名为LED_Flash.c
接下来就向LED_Flash.c中添加内容了，之前讲过，其中MIO7接到了LD9这个灯上，接下来我们利用程序让他闪起来。
| #include "sleep.h" int main() { static XGpioPs psGpioInstancePtr; XGpioPs_Config* GpioConfigPtr; int iPinNumber= 7; //LD9连接的是MIO7 u32 uPinDirection = 0x1; //1表示输出，0表示输入 int xStatus; //--MIO的初始化 GpioConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(XPAR_PS7_GPIO_0_DEVICE_ID); if(GpioConfigPtr == NULL) return XST_FAILURE; xStatus = XGpioPs_CfgInitialize(&psGpioInstancePtr,GpioConfigPtr, GpioConfigPtr->BaseAddr); if(XST_SUCCESS != xStatus) print(" PS GPIO INIT FAILED \n\r"); //--MIO的输入输出操作 XGpioPs_SetDirectionPin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber,uPinDirection);//配置MIO输出方向 XGpioPs_SetOutputEnablePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber,1);//配置MIO的第7位输出 while(1) { XGpioPs_WritePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber, 1);//点亮MIO的第7位输出1 sleep(1); //延时 XGpioPs_WritePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber, 0);//熄灭MIO的第7位输出0 sleep(1); //延时 } return 0; } |
6.7 程序分析
具体内容请对照注释说明，这里想说明的是iPinNumber这个参数，应为我们要操作的是MIO7，所以这里所以这里的iPinNumber等于7，在后一章的EMIO中也有这个参数，具体怎么算请参看下一节内容，这里就做个铺垫吧。
6.8 IO寄存器直接输出
实际上以上代码的销量是非常低的，因为封装好的函数，里面有很多调用开销，还有很多自动化的代码，特别是当要求IO输出速度很高的时候，差距会很明显。笔者这里把IO部分的函数做一点小的改动，改为直接控制寄存器地址空间。
| while(1) { //XGpioPs_WritePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber, 1);//点亮MIO的第7位输出1 Value = ~((u32)1 << (iPinNumber + 16U)) & ((1 << iPinNumber) | 0xFFFF0000U); Xil_Out32(0xE000A000,Value);//直接寄存器操作 sleep(1); //延时 Value = ~((u32)1 << (iPinNumber + 16U)) & ((0 << iPinNumber) | 0xFFFF0000U); Xil_Out32(0xE000A000,Value);// //XGpioPs_WritePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber, 0);//熄灭MIO的第7位输出0 sleep(1); //延时 } |
这个地址0xE000A000是不是很熟悉呢？没错这就是前面笔者贴出的一张表格，而且正是位控制 寄存器MASK_DATA_0_LSW
6.9电平翻转速度库函数和寄存器对比
库函数测试函数
| XGpioPs_WritePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber, 1);//点亮MIO的第7位输出1 XGpioPs_WritePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber, 0);//熄灭MIO的第7位输出0 |
寄存器测试函数
| while(1) { Value = ~((u32)1 << (iPinNumber + 16U)) & ((1 << iPinNumber) | 0xFFFF0000U); Xil_Out32(0xE000A000,Value);//直接寄存器操作 Value = ~((u32)1 << (iPinNumber + 16U)) & ((0 << iPinNumber) | 0xFFFF0000U); Xil_Out32(0xE000A000,Value);// } |
库函数测试函数出来的频率
寄存器测试函数出来的频率（由于示波器带宽太低，波形已经变形）
6.10 本章小结
本章讲解了ZYNQ芯片的GPIO的一些知识，然后通过使用SDK进行编程点亮一个LED。同时分析了程序的代码。测试结果说明了，库函数使用方便，但是效率地下，寄存器效率高，但是使用不方便。因此在设计系统的时候如何优化是需要综合考虑的。
