摘要

本文介绍了ZYNQ7000芯片中GPIO的基本概念，分组、功能、控制寄存器、中断设置以及如何在Vitis中配置GPIO。

本文参考：UG585 - Zynq-7000 SoC Technical Reference Manual (v1.12.2) 385~394页–Ch14: General Purpose I/O(GPIO)

关键词：ZYNQ；GPIO；MIO；EMIO；Vitis

一. GPIO的基本概念

GPIO，General Purpose I/O，通用输入/输出，是ZYNQ的外设之一。ZYNQ的架构图如下图所示。

与非SOC不同的是，ZYNQ的GPIO引脚由PS侧的MIO引脚和PL侧的EMIO引脚构成（见上图）。

关于MIO和EMIO的详细介绍参见我的另一篇博客：传送门：ZYNQ7000-MIO与EMIO详解

二. GPIO框图与分组

ZYNQ的GPIO框图如下图所示。ZYNQ的GPIO引脚分为4个Bank即4组，其中，

118个GPIO = 32个MIO（Bank0） + 22个MIO（Bank1）+ 32个EMIO（Bank2）+ 32个EMIO（Bank3）

可见基本都是32个IO引脚一组，这是因为GPIO的控制寄存器是32位的，每一位对应一个IO引脚的话，一组寄存器就对应32个引脚，所以，4组基本相同的寄存器分别控制4组Bank，Bank1对应的也是一组32位寄存器，只是因为MIO引脚总共就54个，54-32=22，所以这组寄存器只控制22个引脚。

三. GPIO的功能与控制寄存器

GPIO的功能有三种：输入，输出，中断。使用MIO和EMIO在功能上几乎相同，唯一的区别是EMIO因为是PL侧引脚，可以与PL部分进行通讯，而MIO对PL侧是透明的。

特别的，MIO7，MIO8只能做输出，这在ZYNQ7000-MIO与EMIO详解中有说明。

GPIO的功能在芯片内部通过一组寄存器来控制，如下图所示。注意，一组寄存器同时控制一个GPIO Bank的所有引脚。

了解GPIO的控制器寄存器能帮助我们更深入的理解软件中的相关库函数，对编程有些帮助，当然，不了解也行，只要熟悉库函数即可。

输入/输出控制寄存器：

寄存器名称说明
DATA_ROdata read only（RO大概是这两个单词的缩写吧），
GPIO引脚的值存储在此寄存器中，无论GPIO被配置为输入或输出，都可以通过读此寄存器得到GPIO引脚的值。
因为是只读寄存器（对软件来说），软件向此寄存器的写入操作将被忽略。
DATA输出数据寄存器，当GPIO被配置为输出才起作用，此寄存器中的值就是输出到引脚的值。
向此寄存器写入就是在设置GPIO的输出值，
读此寄存器将返回GPIO前一时刻的输出值，而不是现在的值。
MASK_DATA_LSWMask Data Least Significant Words，输出数据低16位掩码寄存器，此寄存器只有低16位有效，
对应位为1表示DATA寄存器低16位中对应位的值可以更改，
若不为1，则表示DATA寄存器低16位中对应位保持原值
MASK_DATA_MSWMask Data Most Significant Words，输出数据高16位掩码寄存器，
功能同MASK_DATA_LSW，只是它对应DATA寄存器高16位
DIRMDirection Memory，方向寄存器，默认为0表示输入，设为1表示输出
注意，即使DIRM为1，软件也可以像输入一样去读此引脚的电平。
OENOutput Enable，输出使能寄存器，
仅当DIRM为0时有效，为1表示输出使能，
为0表示输出不使能，此时对应引脚上的值为三态值

中断控制寄存器：

寄存器名称说明
INT_TYPEInterrupt Type 中断类型寄存器，
控制GPIO中断是电平触发还是边缘触发
INT_POLARITYInterrupt Polarity 中断极性寄存器
控制GPIO中断是低电平/下降沿有效，还是高电平/上升沿有效
INT_ANYInterrupt Any，双边沿寄存器，
仅当INT_TYPE为边沿触发时，此寄存器才有效，控制是否双沿均可触发中断
INT_STATInterrupt State，中断状态寄存器，
此寄存器的值会被与之相连的INT State D触发器读取
D触发器存储中断状态，软件通过读此D触发器输出来判断中断是否发生，
清除此D触发器来清除中断状态
INT_MASKInterrupt Mask，中断掩码寄存器，
显示当前哪些位被屏蔽，哪些位启用
INT_DISInterrupt Disable，中断失效寄存器，
向该寄存器的任何位写入 1 都会屏蔽该中断信号。
从该寄存器读取会返回不可预测的值
INT_ENInterrupt Enable，中断使能寄存器
向该寄存器的任何位写入 1，可以启用/解除中断信号的掩码。
从该寄存器读取将返回一个不不可预测的值

四. GPIO中断设置与说明

GPIO中断号为52。此中断的优先级芯片内部已经固定好了，所以在软件中配置GPIO中断时，不需要指定GPIO中断的优先级。

GPIO所有引脚都是共享一个中断的，这意味着如果两个引脚的中断都使能了，如果不去读取具体引脚的电平，软件无法判断中断具体来自哪个引脚。

中断触发类型设置：

五. 在Vitis中配置GPIO

我自建了GPIO相关库函数，将相关GPIO功能写在一起。Xxk_PsGpio.c 与 Xxk_PsGpio.h。这里并没有使用处理整个Bank的函数，因为实际应用时很少需要处理整个Bank，都是单独处理某个Pin。

Xxk_PsGpio.h如下：

#ifndef XXK_PSGPIO_H
#define XXK_PSGPIO_H

// 包含xilinx库中头文件
#include "xil_printf.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_exception.h"

// 宏定义
#define __weak __attribute__((weak))

// 与PS GPIO相关的宏定义
// 引脚宏定义
#define MIO12 12U

#define EMIO0 54U
#define EMIO1 55U
#define EMIO2 56U
#define EMIO3 57U
#define EMIO4 58U

// GPIO指的就是PS侧的GPIO硬核，对于ZYNQ7，只有一个GPIO硬核
#define PSGPIO_INPUT 0U
#define PSGPIO_OUTPUT 1U
#define PSGPIO_OUTPUT_ENABLE 1U
#define PSGPIO_OUTPUT_DISABLE 0U

/* 中断类型，已在xgpiops.h中定义，放在这里方便找到
#define XGPIOPS_IRQ_TYPE_EDGE_RISING	0x00U
#define XGPIOPS_IRQ_TYPE_EDGE_FALLING	0x01U
#define XGPIOPS_IRQ_TYPE_EDGE_BOTH	    0x02U
#define XGPIOPS_IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH	    0x03U
#define XGPIOPS_IRQ_TYPE_LEVEL_LOW	    0x04U
*/

// PS GPIO相关函数
// 初始化psGpio
int psGpioInti(XGpioPs *psGpioPtr, u16 psGpio_deviceId);
//psGpioInti(&psGpio, XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID);

// 设置psGpio某引脚为输出并使能
void psGpio_SetPinOutputAndEnbale(const XGpioPs *psGpioPtr, u32 Pin);
//psGpio_SetPinOutputAndEnbale(&psGpio, EMIO0);

// 设置psGpio某引脚为输入，输入无需使能
void psGpio_SetPinInput(const XGpioPs *psGpioPtr, u32 Pin);
//psGpio_SetPinInput(&psGpio, EMIO0);

// 向psGpio某引脚写入0或1
extern void XGpioPs_WritePin(const XGpioPs *psGpioPtr, u32 Pin, u32 Data);
//XGpioPs_WritePin(&psGpio, EMIO0, 1);

// 读取psGpio某引脚的电平，得到0或1
extern u32 XGpioPs_ReadPin(const XGpioPs *psGpioPtr, u32 Pin);
// EMIO0_pinData = XGpioPs_ReadPin(&psGpio, EMIO0);

// 中断相关函数
int scuGic_Inti(XScuGic *scuGicPtr, u16 scuGicID); //初始化中断控制器
//scuGic_Inti(&scuGic, XPAR_XSCUTIMER_0_DEVICE_ID);

void psGpio_PinIntr_SetAndEnable(XScuGic *scuGicPtr, XGpioPs *psGpioPtr, u32 psGpio_intrId,
							  Xil_ExceptionHandler psGpio_Handler, u32 Pin, u8 IrqType);
//psGpio_PinIntr_SetAndEnable(&scuGic, &psGpio, XPAR_XGPIOPS_0_INTR,
//                            psGpio_Handler, EMIO0, XGPIOPS_IRQ_TYPE_EDGE_RISING);

void psGpio_Handler(void *CallBackRef); // 需在main中重写此弱函数

#endif

Xxk_PsGpio.c 如下：

#include "Xxk_PsGpio.h"

// 初始化PS侧GPIO,包括MIO和EMIO
int psGpioInti(XGpioPs *psGpioPtr, u16 psGpio_deviceId)
{
	XGpioPs_Config *psGpio_configPtr;
	psGpio_configPtr = XGpioPs_LookupConfig(psGpio_deviceId); // 根据器件ID查找配置

     // 配置初始化配置
	int status;
	status = XGpioPs_CfgInitialize(psGpioPtr, psGpio_configPtr, psGpio_configPtr->BaseAddr);
	if (status != XST_SUCCESS)
	{
		xil_printf("PsGpio %d Initialization Failed\r\n", psGpio_deviceId);
		return status;
	}

	status = XGpioPs_SelfTest(psGpioPtr);
	if (status != XST_SUCCESS)
	{
		xil_printf("PsGpio %d SelfTest Failed\r\n", psGpio_deviceId);
		return status;
	}

	xil_printf("PsGpio %d Initialization Succeed\r\n", psGpio_deviceId);
	return status;
}

// 设置psGpio某引脚为输入，输入无需使能
void psGpio_SetPinInput(const XGpioPs *psGpioPtr, u32 Pin)
{
	XGpioPs_SetDirectionPin(psGpioPtr, Pin, PSGPIO_INPUT);
}

// 设置psGpio某引脚为输出并使能
void psGpio_SetPinOutputAndEnbale(const XGpioPs *psGpioPtr, u32 Pin)
{
	XGpioPs_SetDirectionPin(psGpioPtr, Pin, PSGPIO_OUTPUT);
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(psGpioPtr, Pin, PSGPIO_OUTPUT_ENABLE);
}

// 设置psGpio某引脚输出不使能
void psGpio_SetPinOutputDisbale(const XGpioPs *psGpioPtr, u32 Pin)
{
	XGpioPs_SetOutputEnablePin(psGpioPtr, Pin, PSGPIO_OUTPUT_DISABLE);
}

// PS GPIO PIN中断使能
void psGpio_PinIntr_SetAndEnable(XScuGic *scuGicPtr, XGpioPs *psGpioPtr, u32 psGpio_intrId,
							  Xil_ExceptionHandler psGpio_Handler, u32 Pin, u8 IrqType)
{
	// 连接中断ID与固定服务函数
	XScuGic_Connect(scuGicPtr, psGpio_intrId,
                    (Xil_ExceptionHandler)psGpio_Handler,
                    (void *)psGpioPtr);
	// 启用对应中断ID的中断源
	XScuGic_Enable(scuGicPtr, psGpio_intrId);

	// 注意psGPIO中断不需要设置中断优先级

	// 设置psGPIO中断类型
	XGpioPs_SetIntrTypePin(psGpioPtr, Pin, IrqType);
	// 在使能前先清除一次中断，否则之前的中断状态可能残留，导致烧写后马上进一次中断
	XGpioPs_IntrClearPin(psGpioPtr, Pin);
	// 使能psGPIO中断
	XGpioPs_IntrEnablePin(psGpioPtr, Pin);
}

// psGpio中断处理弱函数
__weak void psGpio_Handler(void *CallBackRef)
{
	XGpioPs *psGpioPtr = (XGpioPs *)CallBackRef;
	//	psGpio_intrFlag = 1;
	if (XGpioPs_IntrGetStatusPin(psGpioPtr, MIO12) == TRUE)
	{
		XGpioPs_IntrDisablePin(psGpioPtr, MIO12);
		XGpioPs_IntrClearPin(psGpioPtr, MIO12);
		xil_printf("This is psGpio_Handler - MIO12\r\n");
	}
	else if (XGpioPs_IntrGetStatusPin(psGpioPtr, EMIO4) == TRUE)
	{
		XGpioPs_IntrDisablePin(psGpioPtr, EMIO4);
		XGpioPs_IntrClearPin(psGpioPtr, EMIO4);
		xil_printf("This is psGpio_Handler - EMIO4\r\n");
	}
}

// 初始化中断控制器ScuGic
int scuGic_Inti(XScuGic *scuGicPtr, u16 scuGicID)
{
	// 打开系统的中断处理功能
	Xil_ExceptionInit(); // 初始化异常句柄，只在很早版本的bsp中需要，此处为了兼容性保留
	Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,
                                 (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,
							  scuGicPtr); // 为IRQ注册中断处理程序
	Xil_ExceptionEnable();									 // 使能系统中断功能

	XScuGic_Config *scuGicConfig;
	scuGicConfig = XScuGic_LookupConfig(scuGicID); // 根据器件ID查找配置

	int status;
	status = XScuGic_CfgInitialize(scuGicPtr, scuGicConfig, scuGicConfig->CpuBaseAddress);
	if (status != XST_SUCCESS)
	{
		xil_printf("ScuGic Initialization Failed\r\n");
		return XST_FAILURE;
	}

	xil_printf("ScuGic Initialization Succeed\r\n");
	return status;
}

使用自建库，GPIO输入，输出及中断均有使用的main.c如下：

/*
  功能：控制EMIO0~2为输出，EMIO4为输入，EMIO3为中断
*/

#include "Xxk_PsGpio.h"
#include "sleep.h"

// 全局变量
XGpioPs psGpio;
XScuGic scuGic;

int psGpio_EMIO_intrFlag = 0;
int psGpio_MIO_intrFlag = 0;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    xil_printf("begin\r\n");
    // 初始化psGpio
    psGpioInti(&psGpio, XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID);

    // 设置psGpio引脚方向
    psGpio_SetPinOutputAndEnbale(&psGpio, EMIO0);
    psGpio_SetPinOutputAndEnbale(&psGpio, EMIO1);
    psGpio_SetPinOutputAndEnbale(&psGpio, EMIO2);

    psGpio_SetPinInput(&psGpio, EMIO3);

    // 初始化中断控制器
    scuGic_Inti(&scuGic, XPAR_XSCUTIMER_0_DEVICE_ID);

    // 设置并使能psGpio某引脚中断
    psGpio_PinIntr_SetAndEnable(&scuGic, &psGpio, XPAR_XGPIOPS_0_INTR,
                                psGpio_Handler, EMIO4, XGPIOPS_IRQ_TYPE_EDGE_FALLING);
    psGpio_PinIntr_SetAndEnable(&scuGic, &psGpio, XPAR_XGPIOPS_0_INTR,
                                psGpio_Handler, MIO12, XGPIOPS_IRQ_TYPE_EDGE_FALLING);

    while (1)
    {
        sleep(1);
        xil_printf("EMIO3 value: %d\r\n", XGpioPs_ReadPin(&psGpio, EMIO3));

        XGpioPs_WritePin(&psGpio, EMIO0, 1);
        XGpioPs_WritePin(&psGpio, EMIO1, 1);
        XGpioPs_WritePin(&psGpio, EMIO2, 0);

        if (psGpio_EMIO_intrFlag)
        {
            xil_printf("This is psGpio_Handler - EMIO4\r\n");

            psGpio_EMIO_intrFlag = 0;
            XGpioPs_IntrEnablePin(&psGpio, EMIO4);
        }

        if (psGpio_MIO_intrFlag)
        {
            xil_printf("This is psGpio_Handler - MIO12\r\n");
            psGpio_MIO_intrFlag = 0;
            XGpioPs_IntrEnablePin(&psGpio, MIO12);
        }

        sleep(1);

        XGpioPs_WritePin(&psGpio, EMIO0, 0);
        XGpioPs_WritePin(&psGpio, EMIO2, 1);
    }

    return 0;
}

void psGpio_Handler(void *CallBackRef) // 重写弱函数
{
    XGpioPs *psGpioPtr = (XGpioPs *)CallBackRef;

    if (XGpioPs_IntrGetStatusPin(psGpioPtr, MIO12) == TRUE)
    {
        psGpio_MIO_intrFlag = 1;
        XGpioPs_IntrDisablePin(psGpioPtr, MIO12);
        XGpioPs_IntrClearPin(psGpioPtr, MIO12);
    }
    if (XGpioPs_IntrGetStatusPin(psGpioPtr, EMIO4) == TRUE)
    {
        psGpio_EMIO_intrFlag = 1;
        XGpioPs_IntrDisablePin(psGpioPtr, EMIO4);
        XGpioPs_IntrClearPin(psGpioPtr, EMIO4);
    }
}

六. GPIO的另一种实现方式 - AXI GPIO

本文介绍了如何使用MIO和EMIO实现GPIO，而对于ZYNQ来说，在PL中使用AXI GPIO IP核也可以实现GPIO功能，具体介绍参见我的另一篇博文。

传送门：ZYNQ7000-AXI GPIO详解

七. 总结

本文介绍了ZYNQ7000中GPIO的基本概念，GPIO是ZYNQ PS侧最简单的一种外设，它可以由MIO或EMIO实现。以32为界，118个GPIO被分为了4个Bank，每个Bank对应一组控制寄存器，然后简单介绍了每个寄存器的名称含义和功能，最后附上了通过自建GPIO函数库，便捷操作GPIO的软件代码。

对GPIO理解还不深，如有疏漏，欢迎评论指出！

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