【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第三十章自定義IP實驗

原創聲明：

本原創教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創作，版權歸本公司所有，如需轉載，需授權并注明出處。

適用于板卡型號：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

實驗Vivado工程目錄為“custom_pwm_ip /vivado”。

實驗vitis工程目錄為“custom_pwm_ip /vitis”。

Xilinx官方為大家提供了很多IP核，在Vivado的IP Catalog中可以查看這些IP核，用戶在構建自己的系統中，不可能只使用Xilinx官方的免費IP核，很多時候需要創建屬于自己的用戶IP核，創建自己的IP核有很多好處，例如系統設計定制化；設計復用，可以在在IP核中加入license, 有償提供給別人使用；簡化系統設計和縮短設計時間。用ZYNQ系統設計IP核，最常用的就是使用AXI總線將PS同PL部分的IP核連接起來。本實驗將為大家介紹如何在Vivado中構建AXI總線類型的IP核，此IP核用來產生一個PWM，用這個控制開發板上的LED，做一個呼吸燈的效果。

FPGA工程師工作內容

以下為FPGA工程師負責內容。

1. PWM介紹

我們經常使用PWM來控制LED，蜂鳴器等，通過調節脈沖的占空比來調節LED的亮度。

在其他開發板中我們使用過的一個pwm模塊如下：

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////Copyright(c)2017,ALINX(shanghai)TechnologyCo.,Ltd////Allrightsreserved////////Thissourcefilemaybeusedanddistributedwithoutrestrictionprovided////thatthiscopyrightstatementisnotremovedfromthefileandthatany////derivativeworkcontainstheoriginalcopyrightnoticeandtheassociated////disclaimer.//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////================================================================================//Description:pwmmodel//pwmoutperiod=frequency(pwm_out)*(2**N)/frequency(clk);////================================================================================//RevisionHistory://DateByRevisionChangeDescription//--------------------------------------------------------------------------------//2017/5/3meisq1.0Original//********************************************************************************/`timescale1ns/1psmoduleax_pwm#(
	parameterN=32//pwmbitwidth
)(inputclk,inputrst,input[N-1:0]period,input[N-1:0]duty,outputpwm_out);reg[N-1:0]period_r;reg[N-1:0]duty_r;reg[N-1:0]period_cnt;regpwm_r;assignpwm_out=pwm_r;always@(posedgeclkorposedgerst)beginif(rst==1)begin
period_r<={?N?{1'b0}};
????????duty_r?<={?N?{1'b0}};endelsebegin
????????period_r?<=?period;
????????duty_r???<=?duty;endendalways@(posedge?clk?orposedge?rst)beginif(rst==1)
????????period_cnt?<={?N?{1'b0}};else
????????period_cnt?<=?period_cnt?+?period_r;endalways@(posedge?clk?orposedge?rst)beginif(rst==1)begin
????????pwm_r?<=1'b0;endelsebeginif(period_cnt?>=duty_r)
pwm_r<=1'b1;else
????????????pwm_r?<=1'b0;endendendmodule

可以看到這個PWM模塊需要2個參數“period”、“duty”來控制頻率和占空比，”period”為步進值，也就是計數器每個周期要加的值。Duty為占空比的值。我們需要設計一些寄存器來控制這些參數，這里需要使用AXI總線，PS通過AXI總線來讀寫寄存器。

2. Vivado工程建立

用”ps_hello”工程另存為一個名為“custom_pwm_ip”工程

2.1 創建自定義IP

1）點擊菜單“Tools->Create and Package IP...”

2）選擇“Next”

3）選擇創建一個新的AXI4設備

4）名稱填寫“ax_pwm”,描述填寫“alinx pwm”，然后選擇一個合適的位置用來放IP

5）下面參數可以指定接口類型、寄存器數量等，這里不需要修改，使用AXI Lite Slave接口，4個寄存器。

6）點擊“Finish”完成IP的創建

7）在“IP Catalog”中可以看到剛才創建的IP

8）這個時候的IP只有簡單的寄存器讀寫功能，我們需要修改IP，選擇IP，右鍵“Edit in IP Packager”

9）這是彈出一個對話框，可以填寫工程名稱和路徑，這里默認，點擊“OK”

10）Vivado打開了一個新的工程

11）添加PWM功能的核心代碼

12）添加代碼時選擇復制代碼到IP目錄

13）修改“ax_pwm_v1_0.v”，添加一個pwm輸出端口

14）修改“ax_pwm_v1_0.v”，在例化“ax_pwm_V1_0_S00_AXI”,中添加pwm端口的例化

15）修改“ax_pwm_v1_0_s00_AXI.v”文件，添加pwm端口，這個文件是實現AXI4 Lite Slave的核心代碼

16）修改“ax_pwm_v1_0_s00_AXI.v”文件，例化pwm核心功能代碼，將寄存器slv_reg0和slv_reg1用于pwm模塊的參數控制。

17）雙擊“component.xml”文件

18）在“File Groups”選項中點擊“Merge changers from File Groups Wizard”

19）在“Customization Parameters”選項中點擊“Merge changes form Customization Parameters Wizard”

20）點擊“Re-Package IP”完成IP的修改

2.2 添加自定義IP到工程

1）搜索“pwm”，添加“ax_pwm_v1.0”

2）點擊“Run Connection Automation”

3）導出pwm端口

4）保存設計，并Generate Output Products

5）添加xdc文件分配管腳，把pwm_0輸出端口分配給LED1，做一個呼吸燈，編譯生成bit文件，導出硬件

軟件工程師工作內容

以下為軟件工程師負責內容。

3. Vitis軟件編寫調試

1）啟動Vitis，新建APP，模板選擇“Hello World”

2）在bsp里找到“xparameters.h”文件，這個非常重要的文件，里面找到了自定IP的寄存器基地址，可以找到自定義IP的基地址。

3）有個寄存器讀寫宏和自定義IP的基地址，我們開始編寫代碼，測試自定義IP，我們先通過寫寄存器AX_PWM_S00_AXI_SLV_REG0_OFFSET，控制PWM輸出頻率，然后通過寫寄存器AX_PWM_S00_AXI_SLV_REG1_OFFSET控制PWM輸出的占空比。

#include#include"platform.h"#include"xil_printf.h"#include"ax_pwm.h"#include"xil_io.h"#include"xparameters.h"#include"sleep.h"unsignedintduty;intmain(){
init_platform();

print("HelloWorld\n\r");

	//pwmoutperiod=frequency(pwm_out)*(2^N)/frequency(clk);	AX_PWM_mWriteReg(XPAR_AX_PWM_0_S00_AXI_BASEADDR,AX_PWM_S00_AXI_SLV_REG0_OFFSET,17179);//200hz	//duty=(2^N)*(1-(dutycycle))-1	while(1){
		for(duty=0x8fffffff;duty<0xffffffff;?duty?=?duty?+100000){
			AX_PWM_mWriteReg(XPAR_AX_PWM_0_S00_AXI_BASEADDR,?AX_PWM_S00_AXI_SLV_REG1_OFFSET,?duty);
			usleep(100);
		}
	}

????cleanup_platform();return0;}

4）通過運行代碼，我們可以看到PLLED1呈現出一個呼吸燈的效果。

5）通過debug，我們來查看一下寄存器

6）進入debug狀態，按“F6”可以單步運行。

7）通過菜單可以查看“Memory”窗口

8）添加一個監視地址“0x80000000”

9）單步運行，觀察變化

4. 實驗總結

通過本實驗我們掌握了更多的Vitis調試技巧，掌握了ARM + FPGA開發的核心內容，就是ARM和FPGA數據交互。