5 - ZYNQ GPIO

1 GPIO基本概念

在ZYNQ中，GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）接口是非常重要的一个部分，它提供了与外部设备交互的能力。

在ZYNQ中，GPIO接口主要分为MIO（Multiplexed I/O，多路复用I/O）和EMIO（Extended Multiplexed I/O，扩展多路复用I/O）两种类型，共118个引脚，分布在4个Bank（0-3）中，如下图所示：

1.1 MIO-EMIO简介

在ZYNQ中，MIO-EMIO所处位置及连接关系如下图所示：

• MIO基本介绍

  • MIO是ZYNQ PS提供的一组引脚，主要用于连接各种标准外设，如SPI、UART、I2C、SD卡等
  • MIO引脚分布在GPIO的Bank 0和Bank 1上，共54个引脚
    • Bank 0包含32个引脚
    • Bank 1包含22个引脚
  • MIO与外设直接连接，PS可直接操作，无需PL参与

• EMIO基本介绍

  • EMIO是ZYNQ PS提供的一组引脚，主要用于对MIO进行扩展以连接更多外设
  • EMIO引脚分布在GPIO的Bank 2和Bank 3上，共64个引脚
    • Bank 2包含32个引脚
    • Bank 3包含32个引脚
  • EMIO通过PL进行扩展
    • 可以根据需要扩展出1-64个EMIO
    • 可以根据需要将EMIO与PL的任意可用User IO相绑定
  • EMIO通过PL扩展后与外设连接，需要PL对EMIO进行引脚约束，并生成比特流文件烧写PL后，PS方可通过EMIO对外设进行操作

1.2 MIO-EMIO连接

MIO-EMIO在PS内部的连接情况如下图所示：

MIO-EMIO在PS内部的连接情况决定了MIO-EMIO对外可连接的外设类型和数量：

序号	名称	MIO	EMIO	数量
1	Quad SPI Flash	Yes	No	1
2	SRAM/NOR Flash	Yes	No	1
3	NAND Flash	Yes	No	1
4	USB	Yes	No	1
5	GigE	Yes	Yes	2
6	SD SDIO	Yes	Yes	2
7	UART	Yes	Yes	2
8	CAN	Yes	Yes	2
9	I2C	Yes	Yes	2
10	SPI	Yes	Yes	2
11	TTC	Yes	Yes	2
12	SWDT	Yes	Yes	1
13	PJTAG	Yes	Yes	1
14	TPIU	Yes	Yes	1
15	GPIO-MIO	Yes	No	N/A
16	GPIO-EMIO	No	Yes	N/A

特别说明

• Yes表示可与MIO或EMIO连接
• No表示不可与MIO或EMIO连接
• GPIO-MIO是指未与任何外设连接的MIO引脚
• GPIO-EMIO是指未与任何外设连接的EMIO引脚

1.3 MIO-EMIO路由

MIO-EMIO与外设的路由关系如下图所示：

特别说明

• 在ug585中只提到SPI连接到EMIO时最高时钟为25MHz，对于SDIO未发现相关限制（初步猜测，当把外设连接到EMIO时，最高时钟频率为25MHz）
• Ethernet接口连接到EMIO时，只能是MII和GMII接口，需要在PL内部使用桥接电路转换为RMII、RGMII或SGMII接口，如使用Xilinx提供的Ethernet PHY MII to Reduced MII核
• MIO-EMIO路由再次体现出有些外设可以连接到MIO和EMIO，而有些外设只能连接到MIO

1.4 MIO-EMIO配置

在ug585中，MIO与外设的配置关系如下图所示：

在Vivado ZYNQ7 Processing System IP中，MIO-EMIO与外设的配置关系如下图所示：

特别说明

• MIO是多路复用的，即一个MIO可以被不同外设使用，但同时只能被一个外设使用
• MIO与外设的对应关系不是任意的，是有一定的配置规则的，一种外设只能使用一些特定位置的MIO
• MIO-EMIO配置再次体现出有些外设可以连接到MIO和EMIO，而有些外设只能连接到MIO

2 GPIO控制寄存器

GPIO的功能有三种：输入、输出和中断。MIO和EMIO在功能上几乎相同，唯一的区别是EMIO通过PL扩展后与外设连接，而MIO直接与外设连接。需要特别注意的是，MIO7和MIO8只能做输出，这在ZYNQ7000-MIO与EMIO详解中有说明。

GPIO引脚的功能是通过PS侧的寄存器来控制，寄存器为32位，控制一个GPIO Bank的32个MIO/EMIO引脚（Bank 1除外）。

2.1 输入/输出控制寄存器

• DATA_RO（Data Read Only，数据只读寄存器）
  • 读取GPIO引脚上的当前值
  • 不论GPIO引脚被配置为输入还是输出，DATA_RO寄存器都能正确反映该引脚上的电平状态
• DATA
  • 当GPIO引脚被配置为输出模式时，DATA寄存器用于设置该引脚的电平状态
  • 通过向DATA寄存器写入相应的值，可以控制GPIO引脚输出高电平或低电平，从而实现对外部设备的控制
• MASK_DATA_LSW（MASK DATA Low Significant Word，数据掩码低16位寄存器）
  • 选择性更改：允许有选择地对GPIO的低16位引脚进行输出值的设置和屏蔽；这意味着，开发者可以精确地控制哪些引脚需要更改输出，而无需重新写入整个Bank的输出值
  • 屏蔽功能：对于那些不需要更改的位，允许它们保持其先前的值不变，这避免了不必要的读-修改-写序列，提高了系统效率和响应速度
  • 提高灵活性：通过与DATA和MASK_DATA_MSW寄存器的结合使用，开发者可以根据需要，灵活地设置和屏蔽GPIO引脚的输出值
• MASK_DATA_MSW（MASK DATA Most Significant Word，数据掩码高16位寄存器）
  • 与MASK_DATA_LSW类似，但MASK_DATA_MSW控制的是GPIO Bank的高16位
• DIRM（Direction Mode Register，方向模式寄存器）
  • 控制GPIO引脚的方向，即决定引脚是作为输入引脚还是输出引脚
  • 设置为1时，对应的GPIO引脚被配置为输出模式
  • 设置为0时，对应的GPIO引脚被配置为输入模式
• OEN（Output Enable Register，输出使能寄存器）
  • 当GPIO引脚被配置为输出引脚时，OEN寄存器控制该引脚是否输出信号
  • 设置为1时，表示对应的GPIO引脚输出使能，即该引脚可以输出信号
  • 设置为0时，表示对应的GPIO引脚输出关闭，即该引脚处于三态

2.2 中断控制寄存器

• INT_TYPE（Interrupt Type，中断类型寄存器）
  • 用于控制GPIO中断是边沿敏感还是电平敏感
• INT_POLARITY（Interrupt Polarity，中断极性寄存器）
  • 用于控制中断是低电平有效还是高电平有效（或下降沿敏感或上升沿敏感）
• INT_ANY（Interrupt Any，双边沿寄存器）
  • 当INT_TYPE寄存器被设置为边沿敏感时（无论是上升沿还是下降沿），用于控制中断是否对GPIO信号的上升沿和下降沿都敏感
• INT_EN（Interrupt Enable，中断使能寄存器）
  • 启用（或取消屏蔽）GPIO引脚的中断
  • GPIO引脚引脚上的信号满足中断触发条件时，能够产生中断请求并触发相应的中断服务例程（ISR）
• INT_DIS（Interrupt Disable，中断禁用寄存器）
  • 禁用（或屏蔽）GPIO引脚的中断
  • GPIO引脚的中断信号将被屏蔽，即使该引脚上的信号满足中断触发条件，也不会产生中断请求，从而防止中断服务例程（ISR）被不必要地触发
• INT_MASK（Interrupt Mask，中断屏蔽寄存器）
  • 只读寄存器，用于显示GPIO引脚的中断是否被屏蔽
  • GPIO引脚的中断屏蔽状态由INT_EN和INT_DIS寄存器控制
    • INT_EN寄存器写1，启用（或取消屏蔽）GPIO引脚的中断
    • INT_DIS寄存器写1，禁用（或屏蔽）GPIO引脚的中断
• INT_STAT（Interrupt Status，中断状态寄存器）
  • 中断状态指示：INT_STAT寄存器用于指示哪些GPIO引脚已经触发中断； GPIO引脚引脚上的信号满足中断触发条件时，能够触发中断，同时相应的中断状态位会被置位
  • 中断状态查询：通过读取INT_STAT寄存器的值，可以查询哪些GPIO引脚的中断请求已被触发，从而进行相应的中断处理
  • 中断状态清除：通常在进入中断服务例程（ISR）后，向INT_STAT寄存器相应的位写入1清除中断状态，以确保中断状态被正确清除，从而允许系统响应后续的中断事件

2.3 中断触发设置

GPIO引脚的中断触发方式是由INT_TYPE、INT_POLARITY和INT_ANY三个寄存器共同决定的，如下图所示：

特别说明

• GPIO所有引脚共享一个中断，中断号是52

3 GPIO在Vivado SDK中的使用

实验内容

• 按下PL侧按键，通过EMIO向PS发送中断
• PS收到中断后，通过EMIO控制PL侧LED灯亮灭

/***************************** Include Files ********************************/#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_exception.h"
#include <xil_printf.h>/************************** Constant Definitions ****************************/
#define INTC_DEVICE_ID		XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
#define GPIO_DEVICE_ID  	XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
#define GPIO_INTR_ID		XPAR_XGPIOPS_0_INTR#define EMIO_LED			54U
#define EMIO_KEY			58U#define GPIO_DIR_INPUT      0U
#define GPIO_DIR_OUTPUT     1U
#define GPIO_OUTPUT_ENABLE 	1U/**************************** Type Definitions ******************************//***************** Macros (Inline Functions) Definitions *******************//************************** Function Prototypes ****************************/int  GpioInit(XGpioPs *GpioPtr, u32 DeviceId);
int  GpioIntrSetup(XScuGic *IntcPtr, u32 DeviceId, XGpioPs *GpioPtr, u32 IntrID);
void GpioIntrHandler(void *CallbackRef);
void GpioOutputExample(XGpioPs *GpioPtr);/************************** Variable Definitions **************************/XGpioPs Gpio;
XScuGic Intc;int KeyFlag;
int KeyValue;/*****************************************************************************/int main()
{//int Status;//Status = GpioInit(&Gpio, GPIO_DEVICE_ID);if (Status != XST_SUCCESS){xil_printf("GPIO initialization failed.\r\n");return XST_FAILURE;}xil_printf("GPIO initialization success.\r\n");//Status = GpioIntrSetup(&Intc, INTC_DEVICE_ID, &Gpio, GPIO_INTR_ID);if (Status != XST_SUCCESS){xil_printf("GPIO interrupt setup failed.\r\n");return XST_FAILURE;}xil_printf("GPIO interrupt setup success.\r\n");//GpioOutputExample(&Gpio);//return 0;
}/*****************************************************************************/int GpioInit(XGpioPs *GpioPtr, u32 DeviceId)
{//XGpioPs_Config *ConfigPtr;int Status;// Initialize the Gpio driver.ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(DeviceId);if (ConfigPtr == NULL){return XST_FAILURE;}Status = XGpioPs_CfgInitialize(GpioPtr, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);if (Status != XST_SUCCESS){return XST_FAILURE;}// Run a self-test on the GPIO deviceStatus = XGpioPs_SelfTest(GpioPtr);if (Status != XST_SUCCESS){return XST_FAILURE;}// Set Pin DirectionXGpioPs_SetDirectionPin(GpioPtr, EMIO_LED, GPIO_DIR_OUTPUT);XGpioPs_SetDirectionPin(GpioPtr, EMIO_KEY, GPIO_DIR_INPUT);// Enable Pin OutputXGpioPs_SetOutputEnablePin(GpioPtr, EMIO_LED, GPIO_OUTPUT_ENABLE);// Set Pin Interrupt TypesXGpioPs_SetIntrTypePin(GpioPtr, EMIO_KEY, XGPIOPS_IRQ_TYPE_EDGE_RISING);// Enable Pin InterruptXGpioPs_IntrEnablePin(GpioPtr, EMIO_KEY);//return XST_SUCCESS;
}/*****************************************************************************/
int GpioIntrSetup(XScuGic *IntcPtr, u32 DeviceId, XGpioPs *GpioPtr, u32 IntrID)
{//int Status;XScuGic_Config *IntcConfig; /* Instance of the interrupt controller */// step1. 初始化中断控制器IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(DeviceId);if (NULL == IntcConfig){return XST_FAILURE;}Status = XScuGic_CfgInitialize(IntcPtr, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress);if (Status != XST_SUCCESS){return XST_FAILURE;}// step2. 初始化异常处理Xil_ExceptionInit();// step3. 注册异常处理回调函数Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT, (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, IntcPtr);// step4. 使能异常处理Xil_ExceptionEnable();// step5. 注册中断Status = XScuGic_Connect(IntcPtr, IntrID, (Xil_ExceptionHandler)GpioIntrHandler, (void *)GpioPtr);if (Status != XST_SUCCESS){return XST_FAILURE;}// step.6 使能中断XScuGic_Enable(IntcPtr, IntrID) ;//return XST_SUCCESS;
}/*****************************************************************************/
void GpioIntrHandler(void *CallbackRef)
{//XGpioPs *GpioInstancePtr = (XGpioPs *)CallbackRef;int Int_val;// Get Interrupt StatusInt_val = XGpioPs_IntrGetStatusPin(GpioInstancePtr, EMIO_KEY);// Clear Interrupt StatusXGpioPs_IntrClearPin(GpioInstancePtr, EMIO_KEY);//if (Int_val == 1){KeyFlag = 1;}//return;
}/*****************************************************************************/
void GpioOutputExample(XGpioPs *GpioPtr)
{//while(1){if (KeyFlag == 1){xil_printf("You pust the button\r\n");XGpioPs_WritePin(GpioPtr, EMIO_LED, KeyValue);KeyValue = ~ KeyValue;KeyFlag = 0;}}//return;
}