zynq的软硬协同测试

效果预览

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现在可以拨动按键实现对led的控制。

这个工程的目的在于学习zynq的PS端对PL端的操作，与之前《安路HDMI软硬测试》那篇文章类似，是为了充分理解soc原理，以及实现嵌入式编程。

zynq比安路开发板的编译环境更加完善，但同时也意味着操作更加复杂，需要仔细学习其中的每一个环节，才能最终保证嵌入式系统的稳定正常运行。

硬件操作

和安路开发板的使用一样，我们的工程同样分为硬件部分和软件部分，硬件部分实现底层逻辑，本次实验很简单，就是key对led的控制。软件部分则在vitis中编写，用C语言实现功能的开启和禁用。

在我目前的学习经历中，PS对PL的交互可以使用GPIO接口和AXI总线，GPIO的MIO接口连接着PS端的外设，EMIO接口可以用来拓展连接PL端的外设，这种连接比较简单，只能用来进行简单的操作逻辑；AXI总线是zynq内部重要通信管道，从AXI4-Lite到AXI_HP，AXI协议可以担负起zynq内部绝大部分高通量的信息传递需求。但使用AXI更加复杂，需要理解总线传输协议，并且对soc底层运转逻辑要有一个清晰的认知。本实验基于AXI总线进行交互。

为了要让zynq实现嵌入式编程，我们需要在vivado套件中引用processing_system处理器IP核，对IP核的操作可以在block design中进行，为此，我们要编写基于AXI总线的底层硬件逻辑，也需要自己封装一个带有AXI接口的IP核。

创建硬件IP核

创建IP核的过程基本上就参考正点原子的文件就好，我这里只记录怎么在官方提供的模版上修改verilog代码。

进入IP核的编辑界面，右半块的东西我们先不管，先看中间source部分的内容👉

我们把自己的IP核命名好名字后，系统会自动生成两级的.v文件结构，我们之前有编写AHBLite总线的经验，这个顶层.v文件就包含了AXI各种信号的声明，其中例化了二级.v文件，我们主要可以在这个二级.v文件（这里就是key2led_v1_0_S0_AXI.v）中实现我们想要的功能。

放在vivado中我们不方便看，可以打开vscode来编辑，我截图了一部分代码，大体就是这个样子。那我们能改哪里呢？先来想象我们的目的，就是想让key来控制led，这个在verilog中实现起来再简单不过了，但首先我们得声明两个信号，一个是led一个key，必须得有这两个引脚，才能实现操作。

在第一级.v文件中，我加入了这两句话：


input wire key,
output wire led

同时，在下面紧接着有一个例化声明，我们把key和led也例化进去，像这样：

这一级文件就可以了，下面进入第二级.v文件

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回过头来看，key2led_v1_0_S0_AXI.v程序中的大部分地方都不需要改，像AXI协议的控制部分我们甚至完全都不需要动，这也就是vivado的方便之处。我们只要把寄存器的功能写好，将自己的代码插入到add user logic here部分中就可以了。

还是常规操作，先声明两个端口，就可以了。

下面来编写硬件逻辑。

我的想法是这样的：我在软件中执行开关指令，当需要开时，我就把key和led连起来，实现key对led的直接操作；当需要关时，key就和led断开，他们之间便没有了连接。怎么实现呢？或者换句话说，怎么能够把这个软件指令发送到这个硬件中去呢？这时我们就要使用一个很重要的东西——寄存器！仔细浏览key2led_v1_0_S0_AXI.v 这个文件可以发现，程序中定义了四个寄存器，他们分别是：


slv_reg0
slv_reg1
slv_reg2
slv_reg3

他们的位宽可以自定义，本次定义是parameter integer C_S_AXI_DATA_WIDTH = 32 。这个寄存器就是我们本次操作的中间媒介。在soc中，这四个寄存器用来存储从ps发来的数据。在soc中系统会为这些寄存器分配地址，我们只要知道基地址的基础上定位到寄存器的地址，就可以向其发送数据。四个寄存器我们不需要全都用，我们这里只用slv_reg0的第一位，即slv_reg0[0]。硬件逻辑这么写：


	// Add user logic here
	reg key_reg;
	reg led_reg;
	
	// 输入同步
	always @(posedge S_AXI_ACLK) begin
	    key_reg <= key;  // 使用非阻塞赋值进行同步
	end
	
	// LED 控制逻辑
	always @(posedge S_AXI_ACLK) begin
	    if (S_AXI_ARESETN == 1'b0) begin
	        led_reg <= 1'b0;  // 复位时 LED 关闭
	    end else begin
	        if (slv_reg0[0] == 1'b1) begin
	            led_reg <= key_reg;  // 当使能时，LED 跟随按键状态
	        end
	        // 注意：这里没有else语句，意味着当 slv_reg0[0] 为 0 时，led_reg 保持原值
	    end
	end
	
	// 输出赋值
	assign led = led_reg;
	// User logic ends

硬件逻辑太简单了，一看就明白，if (slv_reg0[0] == 1'b1) begin led_reg <= key_reg; // 当使能时，LED 跟随按键状态 end这里实现了寄存器对硬件的控制。

写到这，硬件部分最难的地方就差不多完成了，之后就是什么封装IP核，并在vivado中将自己定义的IP核和processing_system连接起来，Generate Output Products以及Create HDL Wrapper的操作，并且约束好led与key的引脚，导出比特流，这些实现细节就去看正点原子的文档吧，这里不再过多赘述。

软件操作

软件部分在vitis中进行，这里就没有什么特别多的操作需要我们注意了，重心来到如何编程上面。先看一下完整的程序：


#include <stdio.h>
#include "xparameters.h"
#include "xil_io.h"

// 控制开关：1 为开启LED控制，0 为关闭LED控制
#define ENABLE_LED_CONTROL 1  // 修改这里的值来开启(1)或关闭(0)LED控制

// 使用xparameters.h中定义的基地址
#define KEY2LED_BASEADDR XPAR_KEY2LED_0_S0_AXI_BASEADDR

// 控制寄存器偏移量（假设为0，需要根据您的设计进行调整）
#define CONTROL_REG_OFFSET 0

void setLEDControl(int enable) {
    u32 regValue;

    // 读取当前寄存器值
    regValue = Xil_In32(KEY2LED_BASEADDR + CONTROL_REG_OFFSET);

    if (enable) {
        // 设置最低位为1，启用LED控制
        regValue |= 0x00000001;
    } else {
        // 清除最低位，禁用LED控制
        regValue &= ~0x00000001;
    }

    // 写回寄存器
    Xil_Out32(KEY2LED_BASEADDR + CONTROL_REG_OFFSET, regValue);
}

int main() {
    printf("Key2LED Control Program\n");

    // 根据ENABLE_LED_CONTROL的值来设置LED控制
    setLEDControl(ENABLE_LED_CONTROL);

    if (ENABLE_LED_CONTROL) {
        printf("LED control enabled. LED should now follow the key state.\n");
    } else {
        printf("LED control disabled. LED should now be off.\n");
    }

    return 0;
}

有时候感觉C语言写起来比verilog都要繁琐🤣。

注意，#define KEY2LED_BASEADDR XPAR_KEY2LED_0_S0_AXI_BASEADDR这一句很关键，它需要我们定义好soc的基地址，这一长串去哪找呢？没错，点开xparameters.h文件，我们去那里面看。

在这里，系统为我们的IP核分配了地址，我们可以直接使用它。

前面我们说过，我们希望通过slv_reg0[0]来控制key与led的连接，现在机会来了：


void setLEDControl(int enable) {
    u32 regValue;
    // 读取当前寄存器值
    regValue = Xil_In32(KEY2LED_BASEADDR + CONTROL_REG_OFFSET);
    if (enable) {
        // 设置最低位为1，启用LED控制
        regValue |= 0x00000001;
    } else {
        // 清除最低位，禁用LED控制
        regValue &= ~0x00000001;
    }
    // 写回寄存器
    Xil_Out32(KEY2LED_BASEADDR + CONTROL_REG_OFFSET, regValue);
}

我们通过对这个寄存器进行赋值，改变它的最低位，就可以来影响硬件的连接关系了。

下载执行

硬件部分与软件部分都写完后，下面就来到了激动人心的时刻。我们把C语言编译好，下载到开发板里！铛铛！程序跑通了，功能实现了！

总结

历经一个下午的折腾，这个想法终于照进了现实，现在应该能大概明白软件是怎么操控硬件的了。未来可以进一步拓宽应用范围，争取实现更多功能的集成。