Introduction

Xilinx® LogiCORE™ IP AXI 通用输入/输出 (GPIO) 内核为 AXI 接口提供通用输入/输出接口。 这个 32 位IP内核旨在与 AXI4-Lite 接口连接。（参考Xilinx的开发指南：AXI GPIO v2.0 LogiCORE IP Product Guide（PG144））

Features

1* 支持 AXI4-Lite 接口规范

2* 支持可配置的单或双 GPIO 通道

3* 支持 1 至 32 位 GPIO 引脚的可配置通道宽度

4* 支持将每个 GPIO 位动态编程为输入或输出

5* 支持每个通道的单独配置

6* 支持所有寄存器的每一位的独立复位值

7* 支持可选的中断请求生成

注： 具体的配置信息可见 Vivado中 AXI GPIO IP核。

Function Description

AXI GPIO 设计为 AXI4-Lite 接口提供通用输入/输出接口。

AXI GPIO 可以配置为单通道或双通道设备。 每个通道的宽度可独立配置。

通过启用或禁用三态缓冲器，端口动态配置为输入或输出。 （虚线部分为三态缓冲区）。

通道可以配置为在其任何输入发生变换时生成中断。(这里发生变换的意思就是信号从1到0或者从0到1) 。

AXI GPIO 内核的顶层框图如Figure 1-1所示。

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（1）AXI4-Lite Interface

​ AXI4-Lite 接口模块实现了一个 32 位 AXI4-Lite 从接口，用于访问 GPIO 通道寄存器。 有关 AXI4-Lite 从接口的更多详细信息，请参阅 AXI4-Lite IPIF LogiCORE IP Product Guide (PG155) 的规范使用部分。

（2）Interrupt Control

中断控制从 GPIO 通道获取中断状态并生成中断给主机。 当在 Vivado® IDE 中设置了 Enable Interrupt 选项时，它会被启用。

（3）GPIO Core

​ GPIO 内核由寄存器（Register）和多路复用器（MUX）组成，用于读取和写入 AXI GPIO 通道寄存器。 它还包括在通道输入发生变化时识别中断事件的必要逻辑。

​ 图中的三态缓冲器实际上并不是内核的一部分。 当在 Vivado Design Suite 中生成输出产品时，三态缓冲器会自动添加到顶层设计封装文件中。

Port Descriptions

表 2-3 列出并描述了 AXI GPIO I/O 信号。需要注意几个信号的有效状态。

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Register Space

Table 2-4 shows the AXI GPIO registers and their addresses.

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具体的信息

（1）AXI GPIO Data Register (GPIOx_DATA)

AXI GPIO 数据寄存器用于读取通用输入端口和写入通用输出端口。 当端口配置为输入时，写入 AXI GPIO 数据寄存器无效。

GPIO 数据寄存器有两个（GPIO_DATA 和 GPIO2_DATA），每个通道对应一个。

通道 1 数据寄存器 (GPIO_DATA) 始终存在；仅当内核配置为双通道时，通道 2 数据寄存器 (GPIO2_DATA) 才存在。(Enable Dual Channel = 1).

AXI GPIO 数据寄存器，表 2-6 详细介绍了该寄存器的功能。

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（2）AXI GPIO 3-State Control Register (GPIOx_TRI)

AXI GPIO 三态控制寄存器用于将端口动态配置为输入或输出。

当该寄存器中的某个位被设置时，相应的I/O端口被配置为输入端口。 当一个位被清零时，对应的 I/O 端口被配置为输出端口。

有两个 AXI GPIO 三态控制寄存器（GPIO_TRI 和 GPIO2_TRI），每个通道对应一个。

仅当内核配置为双通道 Enable Dual Channel = 1 时，通道 2 三态控制寄存器 (GPIO2_TRI) 才存在。

AXI GPIO 三态控制寄存器的寄存器功能如表 2-7 所示。

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Interrupts

AXI GPIO 内核可以在 Enable Interrupt 参数的控制下进行配置，以在任何通道输入中发生转换时生成电平中断。

GPIO 接口模块包括中断检测逻辑，以识别通道输入上的任何转换。

当检测到转换时，它会指示给中断控制器模块。

中断控制器模块实现了必要的寄存器来启用和维护中断的状态。

为了支持通道的中断功能，中断控制器模块实现了以下寄存器：

（1）Global Interrupt Enable Register (GIER) —- 为处理器或中断控制器的中断输出提供主机启用/禁用。

（2）IP Interrupt Enable Register (IPIER) —- 为每个通道实现独立的中断使能位。

（3）IP Interrupt Status Register (IPISR) —- 为每个通道实现独立的中断状态位。IP ISR 提供 Read 和 Toggle-On-Write 访问。

Toggle-On-Write 机制允许中断服务例程使用单个写事务清除一个或多个 ISR 位。 也可以手动设置 IP ISR 以生成中断以进行测试。

Global Interrupt Enable Register (GIER)

全局中断启用寄存器为处理器的中断输出提供主启用/禁用。 这是一个单比特读/写寄存器，如图 2-3 所示。

该寄存器只有在设置了 Enable Interrupt 参数时才有效。

注意：因为这是控制中断生成的主位，所以必须将其设置为生成中断，即使在 IP 中断启用寄存器 (IP IER) 中启用了中断也是如此。

全局中断使能寄存器的位定义如表 2-8 所示。

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IP Interrupt Enable (IPIER) and IP Status Registers (IPISR)

IP 中断允许寄存器 (IPIER) 和 IP 中断状态寄存器 (IPISR)，如图 2-4 所示，为每个中断提供一个位。

这些寄存器只有在设置了 Enable Interrupt 参数时才有效。

重要提示：IP 中断使能寄存器中的中断使能位与 IP 中断状态寄存器中的状态位一一对应。

中断事件由 AXI4-Lite 时钟记录在 IP 中断状态寄存器中，因此输入端口的变化必须在至少一个时钟周期内保持稳定，以保证中断捕获。

每个 IPISR 寄存器位都可以通过 Toggle-On-Write 行为通过软件设置或清除。

IP 中断使能寄存器和 IP 中断状态寄存器的位定义分别在表 2-9 和表 2-10 中给出。

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Note 1. Toggle-On-Write (TOW) access toggles the status of the bit when a value of 1 is written to the corresponding bit.

Programming Sequence

通过以下步骤有助于访问 AXI GPIO 内核（写IDE的程序）。

对于启用中断时的输入端口，请执行以下步骤：

1.将 GPIOx_TRI 寄存器中的相应位写入 1，将端口配置为输入。

2.通过设置IP中断使能寄存器中的相应位来使能通道中断； 也可以通过将全局中断寄存器的第 31 位设置为 1 来启用全局中断。

3.接收到中断时，读取 GPIOx_DATA 寄存器中的相应位。通过将值 1 写入相应位来清除 IP 中断状态寄存器中的状态。

对于未使能中断时的输入端口，请使用以下步骤：

1.通过将 GPIOx_TRI 寄存器中的相应位写入值为 1，将端口配置为输入。

2.取 GPIOx_DATA 寄存器的对应位。

对于输出端口，使用以下步骤：

1.通过将 GPIOx_TRI 寄存器中的相应位写入值为 0，将端口配置为输出。

2.写入 GPIOx_DATA 寄存器中的相应位。

The Corresponding Code

1.设置头文件

#include “xgpio.h”

2.导入AXI_GPIO的器件ID

#define GPIO_DEVICE_ID XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID

3.找AXI_GPIO的中断号

#define INTC_GPIO_INTERRUPT_ID XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR

（ #define XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR 61U）//这里中断号为61

具体的PS-PL的共享外设中断号看：Shared Peripheral Interrupts (SPI)，【UG585 7.2.3】

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4.设置通道

#define GPIO_CHANNEL1 1 //因为AXI有两个通道

5.对AXI_GPIO进行初始化

XGpio_Initialize(XGpio * InstancePtr, u16 DeviceId) //根据提供的DeviceID去初始化XGpio的实例，里面包含了查找配置和初始化的函 数，不需要在main中再次声明

XGpio * InstancePtr：针对实例的指针，用时需加&取地址符号

u16 DeviceId：AXI_GPIO器件的ID

如果函数中

6.对AXI_GPIO进行配置

(1) 将端口配置为输入

XGpio_SetDataDirection(XGpio *InstancePtr, unsigned Channel, u32 DirectionMask) //将 GPIOx_TRI 寄存器中的相应位写入 1，将端口配置为输入。

DirectionMask：是一个位掩码，指定哪些离散是输入和哪些是输出。 设置为 0 的位为输出，设置为 1 的位为输入。(value:0x00000001)

(2) 打开全局中断使能

XGpio_InterruptGlobalEnable(XGpio *InstancePtr)

(3) 打开通道中的信号对应的使能

XGpio_InterruptEnable(XGpio *InstancePtr, u32 Mask)

Mask：同上面的DirectionMask

7.设置中断系统

SetupInterruptSystem(XScuGic *GicInstancePtr, XGpioPs *AXI_Gpio, u16 AXI_GpioIntrId);

（1）查找GIC器件配置信息，并进行初始化

IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);
XScuGic_CfgInitialize(GicInstancePtr, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress);

（2）中断处理函数中“三板斧”

// 初始化ARM处理器异常语柄
Xil_ExceptionInit();
//来给IRQ异常注册处理程序
Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT, (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, GicInstancePtr);
//使能处理器的中断
Xil_ExceptionEnableMask(XIL_EXCEPTION_IRQ);

（3）关联中断处理函数

XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, IntrId, (Xil_ExceptionHandler)GpioHandler, InstancePtr);

（4）为AXI_GPIO器件使能中断

XScuGic_Enable(XScuGic *InstancePtr, u32 Int_Id)；

（5）设置中断的优先级和、触发类型

XScuGic_SetPriorityTriggerType(XScuGic *InstancePtr, u32 Int_Id, u8 Priority, u8 Trigger)；

//Priority是 IRQ 资源的新优先级。 0 是最高优先级，0xF8(248) 是最低优先级。 支持 32 个优先级，步长为 8。因此支持的优先级为 0、8、16、32、40 …、248。

//Trigger 触发器是 IRQ 资源的新触发器类型。每个位对描述一个 INT_ID 的配置。

(SFI Read Only b10 always

PPI Read Only depending on how the PPIs are configured.

​ b01 Active HIGH level sensitive

​ b11 Rising edge sensitive

SPI LSB is read only.

​ b01 Active HIGH level sensitive

​ b11 Rising edge sensitive)

实验要求

本章的实验任务是通过调用 AXI GPIO IP 核，使用中断机制，实现正点原子xc7010领航者底板上 PL 端按键控制核心板上 PS 端 LED 的功能。

系统框图

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实现代码

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#include "stdio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xscugic.h"
#include "xgpiops.h"
#include "sleep.h"
#include "xgpio.h"
#define GPIO_DEVICE_ID		XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID//the id information of gpio
#define AXI_GPIO_ID		XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID//the id information of axi gpio
#define INTC_DEVICE_ID		XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID//the id information of Gic
#define AXI_GPIO_INTERRUPT_ID	XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR//AXI GPIO 的中断号是61

//the led on ps
#define MIO0_LED		0
//the key on pl
#define MIO12_KEY		12
//AXI GPIO channel1
#define GPIO_CHANNEL1		1

XGpioPs_Config * ConfigPtr;
XScuGic_Config *IntcConfig; /* Instance of the interrupt controller */

XGpioPs Gpio;
XScuGic Intc;
XGpio 	AXI_Gpio; /* The Instance of the GPIO Driver */
void SetupInterruptSystem(XScuGic *GicInstancePtr, XGpio *AXI_Gpio, u16 AXI_GpioIntrId);
void IntrHandler();
u32 key_press = 0;
int main(){
	u32 led_value = 0;
	printf("GPIO AXI yyds!\n\r");

	//初始化GPIO
	//根据器件的ID、查找器件的配置信息(配置PS端的GPIO)，初始化GPIO驱动
	ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);
	XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);
	//对AXI GPIO进行初始化
	XGpio_Initialize(&AXI_Gpio, AXI_GPIO_ID);

	//把PS GPIO的方向设置成输出，并设置打开输出使能
	XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, MIO0_LED, 1);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, MIO0_LED, 1);

	//对AXI GPIO的方向设置
	XGpio_SetDataDirection(&AXI_Gpio, GPIO_CHANNEL1, 0x00000001);//把最低位设置为输入

	//设置中断系统
	SetupInterruptSystem(&Intc, &AXI_Gpio, AXI_GPIO_INTERRUPT_ID);
	//写数据到GPIO的输出引脚(调用函数)

	while(1){
		if(key_press)
		{
			led_value = ~led_value;
			key_press = 0;

			//清楚中断缓存
			XGpio_InterruptClear(&AXI_Gpio, 0x00000001);
			//将产生中断的值写入GPIO端口
			XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO0_LED, led_value);
			//按键消抖，在下一次初始化来之前延时一段时间
			usleep(200000);
			//重新打开通道一中断使能
			XGpio_InterruptEnable(&AXI_Gpio, 0x00000001);
		}
}
	return 0;
}

void SetupInterruptSystem(XScuGic *GicInstancePtr, XGpio *AXI_Gpio,
				u16 AXI_GpioIntrId)
{
	//查找GIC器件配置信息，并进行初始化
	IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);
	XScuGic_CfgInitialize(GicInstancePtr, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress);


	// 初始化ARM处理器异常语柄
	Xil_ExceptionInit();
	//来给IRQ异常注册处理程序
	Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT, (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, GicInstancePtr);
	//使能处理器的中断
	Xil_ExceptionEnableMask(XIL_EXCEPTION_IRQ);


	//关联中断处理函数
	 XScuGic_Connect(GicInstancePtr, AXI_GpioIntrId,(Xil_ExceptionHandler)IntrHandler, (void *)AXI_Gpio);
	/* Enable the interrupt for the AXI_GPIO device. */
	XScuGic_Enable(GicInstancePtr, AXI_GpioIntrId);
	//0xA0:中断优先级，0x1是：中断类型是高电平有效
	XScuGic_SetPriorityTriggerType(IntcInstancePtr, IntrId, 0xA0, 0x3);
	//打开AXI_GPIO IP的中断使能
	XGpio_InterruptGlobalEnable(AXI_Gpio);//打开全局中断
	XGpio_InterruptEnable(AXI_Gpio, 0x00000001);//打开通道信号对应的使能,把外设里面的中断打开
}

void IntrHandler(){
	printf("interrupt is coming\n\r");
	key_press = 1;
	//关闭通道1使能信号
	XGpio_InterruptDisable(&AXI_Gpio, 0x00000001);
}