ZedBoard学习手记（二） 开发自定义AXI总线外设IP核——以LED和开关为例

懒兔子

想要发挥ZYNQ芯片的特长，让整个系统协同工作起来，就需要将PS与PL两部分结合在一起，在Cortex-A9核和FPGA逻辑资源之间建立通信的通道，这条通道就是AXI总线。ZedBoard推出的官方例子中已经介绍了如何将Xilinx做好的AXI总线IP（如AXI_Timer、AXI_GPIO等）添加到工程中，而下面就让我们一起来自己编写一个简单的AXI总线设备——读取板上的8个Swtich状态，并控制8个LED的开关。
有人会问我不了解AXI总线啊怎么办，无须担心，Xilinx已经为我们设计了建立向导，可以自动生成一个设备模板，即使不了解AXI协议，也可以轻松完成设计工作。
首先通过PlanAhead建立一个系统工程，导入ZedBoard的xml文件：zedboard_RevC_v2.xml。这步操作还不清楚的童鞋请在ZedBoard官网上下载ZedBoard_CTT_v14.1资料并跟随该文档进行扫盲。这个资料很详细，也是Step By Step的，可以帮助完成基本的操作学习。
工程建好后，进入XPS界面，选择Hardware→Create or Import Peripheral，开始创建外设。

在弹出的窗口中选择新建模板，建立一个外设。

Next后选择集成到XPS系统中，这样新建的外设就会保存在edk目录下的pcores文件夹中。

接着Next，为自己的IP起个名字，这里叫my_gpio，全称就是my_gpio_v1_00_a了，注意这里的名字不能用大写字母。

之后选择总线的类型，可以看出这里提供了几个AXI总线设备的变种形势，可以使设备具备猝发操作及大量数据传输的能力，这里我们选AXI4-Lite形式，也就是最简单的类型。

下一步进行几个可选项配置，包括软件复位、主从模式等，勾选中间两项即可，虽然现在用不到软件复位。

设置寄存器数量，这里我们设置两个32位寄存器（实际使用低8位，其它部分Not Care），一个用来控制LED，另一个用来读取SW状态。

选择需要的IP连接信号，这些是与用户逻辑对接的信号，保持默认即可。

这一步可以建立一个总线上的仿真设备，不需要，直接Next。

来到另一个配置画面，第一个选项是使用Verilog来设计用户逻辑；第二个选项建立一个ISE的工程文件，方面写代码；第三个选项让XPS自动生成底层的控制代码。

设置结束以后，在XPS的工程目录下就能找到IP的文件夹了，兔子这里的路径是” .Hello_Zed.srcssources_1edkmodule_1pcoresmy_gpio_v1_00_a”。里面有三个文件夹，hdl文件夹包含了user_logic.v和my_gpio.vhd。前者就是我们要修改的用户逻辑文件，后者则是用来连接AXI与用户逻辑，并封装IP核的VHDL文件。这个文件只能是VHDL的，所以像兔子这样只会Verilog的就很苦闷了，还好里面的内容很简单，看一下就能明白。在devlprojnav文件夹下可以找到刚生成的ISE工程，用Project Navigator打开my_gpio.xise，这样就可以开始编辑user_logic了。

user_logic中除了一些定义和信号连接以外，就是两个always块，第一个实现AXI总线向用户寄存器写入数据，第二个则是总线从寄存器中读取数据。需要注意的是，这里的AXI总线已经通过Xilinx的AXI Lite IP Interface进行了中转，到用户这里就变成了非常简单的读写逻辑。
为了控制板上的硬件，我们定义两组信号和相应的寄存器：SW_In信号连接8个Switch，LED_Out连接8个LED。
input [7:0] SW_In;
output [7:0] LED_Out;
在这里，规定寄存器0为Swtich状态寄存器，寄存器1为LED控制寄存器。添加一个always块，使写入寄存器1的数据在LED_Out上更新。
always @( posedge Bus2IP_Clk )
begin
if ( Bus2IP_Resetn == 1'b0 )
begin
LED_Out <= 0;
end
else begin
LED_Out[7:0] <= slv_reg1[7:0];
end
end // LED_OUTPUT_PROC
同时添加逻辑让Switch的状态通过简单的同步（不是去抖啊）写入寄存器0。
// implement slave model register read mux
always @( slv_reg_read_sel or slv_reg0 or slv_reg1 )
begin
case ( slv_reg_read_sel )
2'b10 : slv_ip2bus_data <= slv_reg0;
2'b01 : slv_ip2bus_data <= slv_reg1;
default : slv_ip2bus_data <= 0;
endcase
end // SLAVE_REG_READ_PROC
always @( posedge Bus2IP_Clk )
begin
if ( Bus2IP_Resetn == 1'b0 )
begin
SW_Reg0 <= 0;
SW_Reg1 <= 0;
slv_reg0 <= 0;
end
else begin
SW_Reg0 <= SW_In;
SW_Reg1 <= SW_Reg0;
slv_reg0[7:0] <= SW_Reg1[7:0];
end
end // SWTICH_INPUT_PROC
之后还要修改读写逻辑，将case ( slv_reg_write_sel )下的2'b10项注释掉，令寄存器0只读（对写入的数据Not Care），寄存器1则可以读写。如此，我们的用户逻辑就完成了，简单吧。别忘了还要在my_gpio.vhd中为用户逻辑添加端口，两组信号在整个IP的对外接口中分别命名为GPIO_LED_Out和GPIO_SW_In。

具体的代码内容在此：
my_gpio_hdl.rar
双击Synthesize，检查一下有没有问题，没问题的话就可以关掉Project Navigatorl 。

回到XPS界面，我们的自定义IP已经在列表中了，但是这个时候将IP添加到工程中，刚才进行的编辑并不生效，GPIO端口并没有显示在IP核的框图中，这点兔子没有搞明白是为什么，可能要手动修改MPD文件吧。于是我选择将这个IP再添加一次（不得已而为之，有什么好办法望不吝赐教），还是刚才的方法，只不过这回选择导入已有的外设，这种方法也可以用于导入其他已有的IP核。

依旧起名为my_gpio，在弹出的提示中选Yes覆盖，之后一路Next到HDL Source Files窗口，选择IP核的data\_my_gpio_xst.prj文件。

继续Next，直到这里选择总线类型为AXI4-Lite Slave类型。

接着在参数窗口中指定High Address的参数为C_HIGHADDR。

好了，Next到结束，这时刚才进行的修改已经生效并被成功导入了，现在双击my_gpio，保持默认选项不管，将其添加到系统中。

在Graphic视图中，可以看到my_gpio的框图，包括一组已经连接的AXI总线，和两组我们刚才定义的端口。

进入Port界面，将LED和SW端口设置为对外，确保最后看起来是这个样子。

好了，关闭XPS，回到PlanAhead，生成Top HDL（如果之前做了可忽略）。

新建一个约束文件，并设置SW和LED的端口约束。

约束内容如下（建议手动输入，如果Copy了什么非法字符是很麻烦的，害我查了好久）：

选择Generate Bitstream，系统会自动完成编译综合工作，最后生成包含PL配置信息的System.bit文件。

至此，my_gpio自定义外设就完成了，这个PL现在可以通过AXI总线与PS通信——让然还需要软件支持了，呵呵。
下篇将会介绍如何裸机软件调试外设，其步骤与ZedBoard_CTT文档中大同小异。