ZYNQ笔记（3）：GPIO的使用（MIO、EMIO）——led灯

一、GPIO原理

1.GPIO介绍

 

　　程序员通过软件代码可以独立和动态地对每个 GPIO 进行控制，使其作为输入、输出或中断。

　　　　（1）通过一个加载指令，软件可以读取一个 GPIO 组内所有 GPIO 的值。

　　　　（2）通过一个保存指令，将数据写到一个 GPIO 组内的一个或多个 GPIO 。

　　　　（3）在 ZYNQ-7000 SOC 内，GPIO 模块的控制寄存器和状态寄存器采用存储器映射方式，它的基地址为 0xE000_A000。

　　　　（4）每个GPIO都提供了可编程的中断。通过软件程序代码可以实现：①读原始和屏蔽中断的状态；②可选的敏感性，包括电平敏感或边沿敏感。

2.MIO与EMIO的异同

　　MIO（multiuse I/O）：多功能IO接口，属于Zynq的PS部分，Zynq7000 系列芯片有 54 个 MIO。它们分配在 GPIO 的 Bank0 和 Bank1 上，这些引脚可以用在GPIO、SPI、UART、TIMER、Ethernet、USB等功能上，每个引脚都同时具有多种功能，故叫多功能IO接口。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。

　　EMIO（extendable multiuse I/O）：扩展MIO，依然属于Zynq的PS部分，只是连接到了PL上，再从PL的引脚连到芯片外面实现数据输入输出。Zynq7000 系列芯片有 64 个 EMIO，它们分配在 GPIO 的 Bank2 和 Bank3 上，当 MIO 不够用时，PS 可以通过驱动 EMIO 控制 PL 部分的引脚，EMIO 的使用相当于，是一个 PS + PL 的结合使用的例子。所以，EMIO 需要分配引脚以及编译综合生成 bit文件。

　　PS：

　　（1）由于总计有54个 MIO ，因此第1组 MIO 引脚限制为22位。

　　（2）尽管 MIO 和 EMIO 组之间存在功能差异，但是对每组 GPIO 的控制是相同的。

3.GPIO接口及功能

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

二、注意事项

相对于MIO，EMIO有几点要注意的地方：

1.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。
2.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。
3.EMIOGPIOTN[x]=DIRM[x] & OEN[x]，实现输出的控制。

三、配置上的区别

　　如果只是简单的使用，那MIO和EMIO在编程上没有太大区别，在配置上则有一些需要注意的地方。

1.MIO

　　ZYNQ配置时，在 MIO Configuration 选项卡对需要使用的MIO进行勾选即可。具体操作在前篇博客《ZYNQ笔记（2）：PS端——Hello World ！》 中已经详细说明。

2.EMIO

　　①ZYNQ配置时，在 MIO Configuration 选项卡，再看到 I/O Peripherals 中的 GPIO 一栏，勾选上其中的 EMIO 一栏，并选择 n 位引脚输出（最多可以选择 64 位）。

　　②ZYNQ配置完成后，ZYNQ系统多出一组引脚名为GPIO_0，这就是我们配置的EMIO，右击该引脚，选择 make external 把其引出。也可以对其更改名字。

　　③ZYNQ配置完成后，还需要对使用的EMIO引脚进行约束，即如PL端操作一样用XDC文件编写约束语句。

　　④配置完成后，必须生成bit流文件，并以此来加载SDK开发环境。

 

四、代码精讲

　在 Xilinx 的 SDK 工具中，提供了对 GPIO 控制器进行操作的函数，这些 API 函数在  xgpiops.h 头文件中。

(1) XGpioPs_Config * XGpioPs_LookConfig(u16 DeviceID)
根据唯一的设备ID号DeviceID，该函数查找设备配置。根据该号，该函数返回一个配置表路口。

(2) u32 XGpioPs_CfgInitialize(XGpioPs * InstancePtr, XGpioPs_Config * ConfigPtr, u32 EffectiveAddr)
该函数用于初始化一个GPiO实例，包括初始化该实例的所有成员。

(3) void XGpioPs_SetDirectionPin(XGpioP * InstancePtr, u32 Pin, u32 Direction)
该函数为指定的引脚设置方向。

(4) void XGpioPs_SetOutputEnablePin(XGpioPs * InstancePtr, u32 Pin, u32 OpEnable)
该函数设置指定引脚的输出使能

(5) u32 XGpioPs_ReadPin(XGpioPs * InstancePtr, u32 Pin)
该函数从指定的引脚读取数据

(6) void XGpioPs_WritePin(XGpioPs * InstancePtr, u32 Pin, u32 Data)
该函数向指定的引脚写数据

 

参考资料：

[1]V3学院FPGA教程

[2]何宾, 张艳辉. Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现[M]. 电子工业出版社, 2016.