以下文章來源于OpenFPGA，作者碎碎思

當(dāng)你還在用C語言寫GPIO、用Verilog連LED的時(shí)候，有人已經(jīng)開始用一門“冷門但強(qiáng)大”的語言——Ada，在Zynq上點(diǎn)燈了。

1.1 設(shè)置 EMIO 允許PS控制 LED

在 Zedboard 上，LED 只能通過可編程邏輯 (PL)（FPGA）端進(jìn)行控制，因?yàn)槲锢硪_僅連接到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)。因此，CPU 無法直接控制 LED。CPU 指令必須通過 PL 進(jìn)行路由，這可以通過擴(kuò)展多路復(fù)用輸入/輸出 (EMIO) 來實(shí)現(xiàn)。

啟用 EMIO：

打開電路板圖。

雙擊處理系統(tǒng)。

選擇 MIO 配置、I/O 外設(shè)，然后在最后打開 GPIO。勾選 EMIO GPIO，并在框中選擇 8。

處理系統(tǒng) (PS) 現(xiàn)在應(yīng)該有一個(gè)名為 GPIO_0 的新端口，它有 3 組端口，每組 8 位 (7:0)。

右鍵單擊 GPIO_0[7:0]，然后單擊“Make External”。將創(chuàng)建一個(gè)名為 GPIO_O_0[7:0] 的端口。

可以通過右鍵單擊端口并選擇“External Port Properties”來重命名端口。在“External Port Properties”對(duì)話框中，輸入新名稱即可。

電路板圖中的名稱將會(huì)更新。

在源代碼中，如果尚未操作，請(qǐng)右鍵單擊 ps.bd 文件并選擇“generate HDL wrapper”。讓 Vivado 處理更新。

圖 1.1：來自 PS 的 EMIO GPIO 輸出現(xiàn)在通過 o_leds 路由到 FPGA。

1.2 寫入約束文件

現(xiàn)在需要將 LED 引腳連接到剛剛創(chuàng)建的 o_leds 端口。該端口是 FPGA 的輸入，因此也是 PS 的輸出。我們將通過編寫一個(gè)約束文件來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該文件將 Zedboard 上的引腳連接到加載到 FPGA 上的 RTL 設(shè)計(jì)中的信號(hào)。

1.2.1 約束文件語法

Vivado約束文件（.xdc）使用Tcl語法為端口等設(shè)計(jì)對(duì)象分配物理和電氣屬性。其通用格式如下：

set_property   [get_ ]

對(duì)于頂層 I/O，對(duì)象類型為 get_ports，其中端口名稱必須與 RTL 設(shè)計(jì)完全匹配。例如：

set_property PACKAGE_PIN T22 [get_ports { leds_o[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { leds_o[0]}]

使用 -dict 可以在單個(gè)命令中分配多個(gè)屬性：

set_property -dict { PACKAGE_PIN T22 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { leds_o[0]}]

花括號(hào) {} 用于對(duì)名稱進(jìn)行分組（例如總線索引 leds_o[0]），以防止 Tcl 解析問題。

要點(diǎn)

get_ports 中的端口名稱必須與頂層設(shè)計(jì)完全匹配（區(qū)分大小寫）。

PACKAGE_PIN 和 IOSTANDARD 是由 FPGA 和電路板定義的設(shè)備特定屬性。

文件中約束的順序通常并不重要。

注釋用#表示。

編寫我們的 tcl 代碼：

set_property -dict { PACKAGE_PIN T22 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { o_leds[0]}];
set_property -dict { PACKAGE_PIN T21 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { o_leds[1]}];
set_property -dict { PACKAGE_PIN U22 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { o_leds[2]}];
set_property -dict { PACKAGE_PIN U21 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { o_leds[3]}];
set_property -dict { PACKAGE_PIN V22 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { o_leds[4]}];
set_property -dict { PACKAGE_PIN W22 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { o_leds[5]}];
set_property -dict { PACKAGE_PIN U19 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { o_leds[6]}];
set_property -dict { PACKAGE_PIN U14 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { o_leds[7]}];

1.3 用于配置 GPIO 的 Ada 代碼

現(xiàn)在我們需要將 PS GPIO EMIO 引腳配置為輸出，方法是寫入 GPIO 控制器的方向寄存器和輸出使能寄存器，然后寫入數(shù)據(jù)寄存器來驅(qū)動(dòng)這些位為高或低。

Zynq 7000 SoC 技術(shù)參考手冊(cè) (UG585)(https://docs.amd.com/r/en-US/ug585-zynq-7000-SoC-TRM/Introduction?tocId=Hf6C7Oo5ABvv2hkWRoiihQ)中關(guān)于通用 I/O 部分的引言如下：

最后一句尤為重要，因?yàn)樗嬖V我們必須使用的 GPIO 控制寄存器和狀態(tài)寄存器的基地址。此外，EMIO GPIO 連接到 bank 2 和 bank 3。

GPIO 控制寄存器和狀態(tài)寄存器映射到基地址的內(nèi)存中：

0xE000_A000

從我們的電路板圖可知，我們正在使用 EMIO GPIO_O(7:0) 輸出端口，即 EMIO 的第 7 位到第 0 位，我們通過 o_leds 端口將其連接到 PL。

因此，要向 LED 發(fā)送數(shù)據(jù)，我們必須在寄存器映射（位于UG585 的寄存器摘要部分）中找到正確的控制寄存器來控制 GPIO_O。

由于 EMIO[0:31] 是 bank 2，我們發(fā)現(xiàn)正確的寄存器是:

因此，在軟件開發(fā)中我們必須：

設(shè)置方向輸出 => 設(shè)置 DIRM_2 中的第 0 位

啟用輸出 => 設(shè)置 OEN_2 的第 0 位

寫入值 => 設(shè)置/清除 DATA_2 中的第 0 位

注：應(yīng)該使用MASK_DATA_LSW寄存器，因?yàn)樗试S選擇要寫入的特定位。數(shù)據(jù)寄存器的所有32位都是一次性寫入的。

1.3.1 Ada 代碼 - zedboard_emio_gpio.ads

規(guī)范文件用于設(shè)置 EMIO GPIO 的基地址和偏移量。

由于這是內(nèi)存映射，我們不使用訪問類型，訪問類型在某些方面是 Ada 版本的指針，據(jù)我所知，通常應(yīng)該避免使用。

相反，我們使用所謂的表示子句，據(jù)我理解，它允許將變量（或枚舉類型）與固定地址的特定內(nèi)存位置或硬件寄存器關(guān)聯(lián)起來，從而使程序能夠直接將變量映射到物理內(nèi)存（例如內(nèi)存映射 I/O 寄存器），而無需使用傳統(tǒng)的指針。

.ads 代碼為：

-- Package to control the EMIO GPIO Bank 2 of the Zedboard .
-- We are only able to control 8 LEDs .
-- As this is memory mapping , we use address binding via representation
-- clauses
-- (as opposed to Access types ).
-- Access Types , essentially pointers , are typically only utilised when the
-- address is dynamic (not known at compile time ).

-- I extensively use comments as I am learning as I go!
-- I intentionally qualify everything to understandwhichfunctionis apart
-- ofwhichpackage .

with System ; -- A top - level Ada package
with System . Storage_Elements ; -- A child package of Storage .
with Interfaces ; -- defines types with exact sizes

package zedboard_emio_gpio is
use System . Storage_Elements ; -- without get a compile error :
-- possible missing with /use of System .
-- Storage_Elements .
-- It is due to use of the + ,whichneeds the
-- use clause I believe

procedure Initialise ;
procedure Set_LEDs ( Value : Interfaces . Unsigned_8 ) ;

private
-- The following is all private to hide the Hardware details .

-- Declare the GPIO Control register base address .
-- To_Address is atypeconversion as
--" Address "is a particulartypeand we have
-- a hex literal that has to be converted .
-- We use constant as the values are fixed by Hardware .
GPIO_Control_Reg_Base : constant System . Address :=
System . Storage_Elements . To_Address (16# E000_A000 #) ;

Data_2_Addr : constant System . Address :=
GPIO_Control_Reg_Base + System . Storage_Elements . Storage_Offset (16#48#) ;

DIRM_2_Addr : constant System . Address :=
GPIO_Control_Reg_Base + System . Storage_Elements . Storage_Offset (16#284#) ;

OEN_2_Addr : constant System . Address :=
GPIO_Control_Reg_Base + System . Storage_Elements . Storage_Offset (16#288#) ;

-- Now the representation clauses :

Data_2 : Interfaces . Unsigned_32 ;
forData_2' Address use Data_2_Addr ;
pragma Volatile ( Data_2 ) ; -- Need this according to chat gpt
-- suppress any optimizations that would interfere
-- with the correct reading of the volatile variables .

DIRM_2 : Interfaces . Unsigned_32 ;
for DIRM_2 'Address use DIRM_2_Addr ;
pragma Volatile ( DIRM_2 ) ;

OEN_2 : Interfaces . Unsigned_32 ;
forOEN_2' Address use OEN_2_Addr ;
pragma Volatile ( OEN_2 ) ;

end zedboard_emio_gpio ;

1.3.2 Ada 代碼 - zedboard_emio_gpio.adb

主體文件 body.adb 的內(nèi)容如下：

with Interfaces ; use Interfaces ; -- need the use clause to use or , + , and
-- operations etc.
-- compiler gives error otherwise .

package body zedboard_emio_gpio is

procedure Initialise is
begin
DIRM_2 := DIRM_2 or 16# FF #; -- Set bottom 8 bits to 1 via bitwise or
-- operation .
-- 1 indicates output .
-- Wedothis to notsetor change any other
-- bits .
-- We could have used the MASK_DATA_LSW also
.

OEN_2 := OEN_2 or 16# FF #; -- 1 indicates output is enabled
end Initialise ;

procedure Set_LEDs ( Value : Interfaces . Unsigned_8 ) is
begin
Data_2 := ( Data_2 and not 16# FF #) or Interfaces . Unsigned_32 ( Value ) ;
end Set_LEDs ; -- Interfaces . Unsigned_32 ( Value )
-- is atypeconversion
-- Converts 8 -bit Value to 32 bits
-- unsigned .

end zedboard_emio_gpio ;

1.3.3 Ada 代碼 - main.adb

在 main.adb 文件中，我們導(dǎo)入了 Ada.Real_time 包，這允許我們使用 Seconds 函數(shù)和 Clock 函數(shù)來設(shè)置 LED 燈亮起和熄滅之間的延遲。

十六進(jìn)制 AA (0xAA) 表示 LED LD1、LD3、LD5 和 LD7 將交替亮滅，而其他 LED 則始終處于關(guān)閉狀態(tài)。

with zedboard_emio_gpio;
with Interfaces;
with Ada.Real_Time; use Ada.Real_Time;

procedure Main is

 D  : Time_Span := Seconds (5); -- D is of Type Time_Span, Seconds is afunction.
                  -- Nanoseconds also existsforexample
 Next : Time := Clock + D;    -- What is dif between clock and clock time?

begin
 zedboard_emio_gpio.Initialise;

 delay until Next;
 Next := Next + D;

 loop
   zedboard_emio_gpio.Set_LEDs (16#AA#);
   delay until Next;
   Next := Next + D;

   zedboard_emio_gpio.Set_LEDs (16#00#);
   delay until Next;
   Next := Next + D;
 end loop;

end Main;

1.3.4 Ada 代碼 - blink_led.gpr

最后提供了 .gpr 文件。項(xiàng)目最初沒有使用 Alire。為了將其轉(zhuǎn)換為 alr 項(xiàng)目，我在終端中切換到項(xiàng)目目錄并運(yùn)行了以下命令：

alr init --bin blink_led --in-place

這將創(chuàng)建一個(gè).gpr文件。

然后不得不稍微更新一下.gpr文件，因?yàn)樗褂昧隋e(cuò)誤的main文件名（把它改成了“main.adb”）。

其次，源目錄沒有指向main.adb 文件所在的位置（根目錄）。這個(gè)問題通過在 Source_Dirs 中設(shè)置“.”來解決。

.gpr 代碼如下：

project Blink_Led is

 forRuntime ("Ada") use"embedded-zynq7000";
 forTarget use"arm-eabi";

 forSource_Dirs use (".","mng_pl_ps/","config/");
 forObject_Dir use"obj/";
 forExec_Dir use"bin";
 forMain use ("main.adb");

end Blink_Led;

手動(dòng)添加的

forRuntime ("Ada") use"embedded-zynq7000";
 forTarget use"arm-eabi";

這是必需的?！癴or Runtime”命令告訴Gnat編譯器要編譯的CPU/架構(gòu)，在本例中是zynq700。還有其他選項(xiàng)，例如light-zynq7000，但這不包含Real_Time庫，因此Alire會(huì)報(bào)錯(cuò)。

“for Target”命令告訴編譯器要為哪個(gè)指令集/工具鏈生成代碼，在本例中是使用EABI（嵌入式應(yīng)用二進(jìn)制接口）的ARM指令集/工具鏈。這確保編譯后的輸出與Zynq上的ARM Cortex-A9處理器兼容。

以上內(nèi)容來自此鏈接(https://docs.adacore.com/gnat_ugx-docs/html/gnat_ugx/gnat_ugx/arm-elf_topics_and_tutorial.html)。

完成所有這些步驟后，運(yùn)行“alr build”命令。

這應(yīng)該會(huì)在名為 bin 的文件夾中生成一個(gè) .elf 文件。它可能就叫 main，把它重命名是為了明確文件擴(kuò)展名，即 main.elf。

1.4 Vitis：軟件方面的設(shè)置

打開Vitis

在 C 盤或其他路徑下創(chuàng)建一個(gè)名為 workspace 的文件夾。

打開 Vitis。選擇“打開工作區(qū)”。

選擇文件→新建組件→平臺(tái)。

給它起個(gè)名字。

選擇硬件設(shè)計(jì)，然后瀏覽并找到 .tcl 文件。

使用獨(dú)立操作系統(tǒng)。

選擇“生成啟動(dòng)工件”。

完成并搭建平臺(tái)。

應(yīng)該用Vitis搭建一個(gè)平臺(tái)。

完成上述步驟后，即可通過選擇 Vitis->Program Device 將比特流下載到 Zedboard。

現(xiàn)在需要下載 main.elf 文件以便在處理系統(tǒng)上運(yùn)行。使用 Xilinx 軟件命令行工具 (XSCT) 完成了此操作。在終端中執(zhí)行以下操作：

打開終端并啟動(dòng) XSCT：

xsct

通過 JTAG 連接到目標(biāo)板：

connect

列出可用目標(biāo)：

targets

應(yīng)該看到類似如下的輸出：

1 APU
2 ARM Cortex?A9 MPCore#0( Vec tor Catch )
3 ARM Cortex?A9 MPCore#1( Running )
4 xc7z020

選擇第一個(gè) ARM 內(nèi)核（CPU 0）：

targets 2

重置處理器以確保其處于清潔狀態(tài)：

rst -processor

將編譯后的 Ada 可執(zhí)行文件（.elf）下載到內(nèi)存中，例如：

dow"C:/ path /to/ your / project /bin/ main.elf "

開始執(zhí)行：

con

程序運(yùn)行后：

ARM Cortex-A9 開始執(zhí)行 Ada 應(yīng)用程序

ARM Cortex-A9 開始執(zhí)行 Ada 應(yīng)用程序

主過程通過 GNAT 運(yùn)行時(shí)調(diào)用。

通過 EMIO 連接的 LED（LD1、LD3、LD5、LD7）應(yīng)根據(jù)已實(shí)現(xiàn)的邏輯開始閃爍。

項(xiàng)目完成。

總結(jié)

這不是“用Ada點(diǎn)燈”，而是“用另一種語言重新理解Zynq”