S02-CH04 PS MIO 实验

软件版本：VIVADO2017.4

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用米联客 ZYNQ系列开发板

米联客(MSXBO)论坛：www.osrc.cn答疑解惑专栏开通，欢迎大家给我提问！！

4.1 概述

        本课对ZYNQ芯片的GPIO进行介绍，通过设计PS端点亮LED的功能，讲解了PS端MIO使用方法。

4.2 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，SDK软件底层操作是对于内存地址空间的操作。

Bank0:MIO [31:0]  GPIO PIN脚号：0~31

Bank1:MIO[32:53]  GPIO PIN脚号：32~53

以上描述和我们原理图中和VIVADO  ZYNQ IP中定义的有冲突，这个留给大家去讨论，下图中，是ZYNQ IP部分MIO电压分配，从这个软件上看，BANK0 IO 是0~15，BANK1 IO是16~53，这个是奇怪的事情，笔者现在还没搞懂。实际应用以软件设定和原理图为准。

Bank2:EMIO [31 : 0] GPIO PIN脚号：54~85

Bank3:EMIO [63:32] GPIO PIN脚号：86~ 117

4.2.1 GPIO的控制寄存器地址空间

SDK软件下的底层操作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

4.2.2 MIO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

4.2.3 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

4.3 电路分析及实验预期

        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。

原理图

4.4 搭建BD工程

Step1:新建一个名为为Miz_sys的工程。

Step2:创建一个BD文件，并命名为system，添加并且配置好ZYNQ IP。读者需要根据自己的硬件类型配置好输入时钟频率、内存型号、串口，连接时钟等。新手不清楚这些内容个，请参考“CH01 HelloWold/DDR/网口测试及固化”这一节课。

Step3:ZYNQ IP MIO配置

MIO部分其他功能的配置可以参考参考“CH01 HelloWold/DDR/网口测试及固化”这一节课

Step2:建立一个空的工程

Step3: 在我们提供例程的文件夹中找到main.c文件，并进行复制。

Step4: 点击MIO_Test旁边的箭头使其展开，然后选中src，按下Ctrl+V快捷键,粘贴main.c文件

Step5：右击工程，选择Debug as ->Debug configurations。

Step6：选中system Debugger，双击创建一个系统调试，点击Apply，点击Debug。

Step7：单击窗口上的运行按钮，运行程序

4.7 测试结果

可看到核心板LD9闪烁

4.8 程序分析

接下来对程序进行分析。

分析1

语句：static XGpioPs psGpioInstancePtr;

含义：这是一个指针实例，指向添加的GPIO端口。

具体分析：

XGpiops:绿色标识的一个结构体。SDK中结构体都用绿色标识。

将鼠标停留在XGpiops上或右键Open Declaration，查看这个结构体所包含的内容。

分析2

语句：XGpioPs_Config* GpioConfigPtr

含义：这是一个指针实例。

具体分析：

XGpioPs_Config：绿色标识的一个结构体。

将鼠标停留在XGpiops上或右键Open Declaration，查看这个结构体所包含的内容。

          此结构体存放的是GPIO的设备地址和基地址。

分析3

语句:int iPinNumber= 7;

含义：参数

具体分析：iPinNumber这个参数，是告知程序，操作的MIO是哪一个，因为我们要操作的是MIO7，所以这里所以这里的iPinNumber等于7。（在第三章EMIO中也使用了这个参数，具体请参看下一节内容，这里仅作铺垫）

分析4

语句：GpioConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(XPAR_PS7_GPIO_0_DEVICE_ID);

          if(GpioConfigPtr == NULL)

              return XST_FAILURE;

含义：查找GPIO配置程序。此处用到xparameters.h中XPAR_PS7_GPIO_0_DEVICE_ID。这段话的整体意思为查找GPIO的配置，判断其是否为空，若为空则返回查找失败。

具体分析：

分析5

语句:

       xStatus=XGpioPs_CfgInitialize(&psGpioInstancePtr,GpioConfigPtr,GpioConfigPtr->BaseAddr);

       if(XST_SUCCESS != xStatus)

       print(" PS GPIO INIT FAILED \n\r");

含义: 完成gpio配置的初始化工作，如果初始化不成功，将通过串口打印出初始化失败的信息。

分析6

语句：XGpioPs_SetDirectionPin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber,uPinDirection)

含义：指定pin脚的方向设置。

具体分析：

程序完成指定pin脚的方向设置。程序首先读取bank号，对应的子程序：

        /* Get the Bank number and Pin number within the bank. */

            XGpioPs_GetBankPin((u8)Pin, &Bank, &PinNumber);

将鼠标停留在XGpioPs_GetBankPin函数上，按F3查看下其功能。

       图中画红框部分为程序查找bank号对应代码。程序首先判断ZYNQ的类型，本课第一节GPIO简介介绍7010和7020有四个bank，因此当程序执行后，程序首先执行else部分的程序。此时看else部分程序。程序给出了四个bank的bank号的最大值，初始化bank号为0，while语句限制了bank的最大数量为4。然后用pin的序号从bank0到bank3逐个比对，若是此时pin的序号小于或等于当前bank的最大值，则可以判断出pin是属于这个bank的，跳出while语句，否则bank号进行自加操作直到得出符合的bank号。接下来if语句，判断bank号是否为bank0，若是则将PinNumber直接赋值，否则经过计算一段公式得出PinNumber。

接下来回到XGpioPs_SetDirectionPin函数分析其他的子程序。获取了bank号后，开始读取寄存器，程序如下：

              DirModeReg = XGpioPs_ReadReg(InstancePtr->GpioConfig.BaseAddr,

                          ((u32)(Bank) * XGPIOPS_REG_MASK_OFFSET) +

                                XGPIOPS_DIRM_OFFSET);

      这里重点观察第二个参数，这是一个任务寄存器偏移+DIRM_OFFSET的参数。此时打开xilinx的编程手册ug585-zynq-7000-TRM(接下来的内容中我们将将其简称为ug585)，来具体看看这个参数含义。

      复制DIRM，在ug585中查找到这么一段话：

      此时得知这是一个方向寄存器，当它等于0的时候输出被禁止，只有输入进行，即此时为输入功能。等于1时做输出使用。在GPIO的通道示意图中也能发现有这个部分构成。

       回到XGpioPs_SetDirectionPin的分析，再得到了bank号与要写哪个寄存器的地址后，接下来的if else语句就是对这对pinbumer这一位单独做一些操作，最后把方向寄存器的值写入到读出的那个寄存器当中。

分析7

语句：XGpioPs_SetOutputEnablePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber,1);

含义：配置输出

分析8

语句：XGpioPs_WritePin(&psGpioInstancePtr, iPinNumber, 1)

含义：写数据到pin脚

具体分析：

XGpioPs_WritePin的参数分别为gpio的基地址、要操作的MIO号和写入的数据。定义如下：

观察图中方框圈起来部分，此处观测到有两个陌生的偏移，此时可在ug585中查看其具体含义。

       此时可以得知，语句是要写入数据的高16位偏移量和低16位偏移量。程序是通过判断PinNumber的值来决定寄存器偏移量是用高16位偏移量还是低16位偏移量。

       此时再看XGpioPs_WritePin函数的接下来的这段程序：

       这段程序完成向指定MIO写入某个值的操作。分析这段程序，如果要向MIO7写入1，程序一开始已经把要写入的值赋值给了DataVar,此段程序又将DataVar与0x01与操作，操作后DataVar的值还是为1。

       接下来的value就是要写入寄存器的值。~ ((u32)1 << (u32)PinNumber)：表示把PinNumber加上16（也就是把pinNumber移到高16位）赋值为1，然后再取反，执行完后这一段的值为~（80000）h，也就是（FFF7FFFF）h。

       ((DataVar << PinNumber) | 0xFFFF0000U):已经得到DataVar的值为1，因此这里的意思为把pinNumber位赋值为1，再与FFFF0000或操作，执行完这一段的值为（80）h | (FFFF0000)h，也就是（FFFF0080）h，整句执行完之后就是（FFF7FFF）h & (FFFF0080)h=(FFF70080)h。也就是此时Value的值为FFF70080。

       XGpioPs_WriteReg这个函数功能是往寄存器中写入数据。

从图上可知，第一个参数为设备的基地址， 第二个参数为偏移量，此处为0，第三个参数为要写入寄存器的数据。另外程序还可直接使用寄存器函数对MIO进行操作，其用法参照之前的分析，寄存器函数操作如下所示：

按照之前讲解的方法，开发人员可自行对库函数进行学习分析。