不用C、不用Verilog！用Ada点亮LED，这才是Zynq的“另一种打开方式”

当你还在用C语言写GPIO、用Verilog连LED的时候有人已经开始用一门“冷门但强大”的语言——Ada在Zynq上点灯了。1.1 设置 EMIO 允许PS控制 LED在 Zedboard 上LED 只能通过可编程逻辑 (PL)FPGA端进行控制因为物理引脚仅连接到现场可编程门阵列 (FPGA)。因此CPU 无法直接控制 LED。CPU 指令必须通过 PL 进行路由这可以通过扩展多路复用输入/输出 (EMIO) 来实现。启用 EMIO打开电路板图。双击处理系统。选择 MIO 配置、I/O 外设然后在最后打开 GPIO。勾选 EMIO GPIO并在框中选择 8。处理系统 (PS) 现在应该有一个名为 GPIO_0 的新端口它有 3 组端口每组 8 位 (7:0)。右键单击 GPIO_0[7:0]然后单击“Make External”。将创建一个名为 GPIO_O_0[7:0] 的端口。可以通过右键单击端口并选择“External Port Properties”来重命名端口。在“External Port Properties”对话框中输入新名称即可。电路板图中的名称将会更新。在源代码中如果尚未操作请右键单击 ps.bd 文件并选择“generate HDL wrapper”。让 Vivado 处理更新。图 1.1来自 PS 的 EMIO GPIO 输出现在通过 o_leds 路由到 FPGA。1.2 写入约束文件现在需要将 LED 引脚连接到刚刚创建的 o_leds 端口。该端口是 FPGA 的输入因此也是 PS 的输出。我们将通过编写一个约束文件来实现这一点该文件将 Zedboard 上的引脚连接到加载到 FPGA 上的 RTL 设计中的信号。1.2.1 约束文件语法Vivado约束文件.xdc使用Tcl语法为端口等设计对象分配物理和电气属性。其通用格式如下set_property PROPERTY VALUE [get_object_type object_name]对于顶层 I/O对象类型为 get_ports其中端口名称必须与 RTL 设计完全匹配。例如set_property PACKAGE_PIN T22 [get_ports { leds_o[0]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { leds_o[0]}]使用 -dict 可以在单个命令中分配多个属性set_property -dict { PACKAGE_PIN T22 IOSTANDARD LVCMOS33 } [ get_ports { leds_o[0]}]花括号 {} 用于对名称进行分组例如总线索引 leds_o[0]以防止 Tcl 解析问题。要点get_ports 中的端口名称必须与顶层设计完全匹配区分大小写。PACKAGE_PIN 和 IOSTANDARD 是由 FPGA 和电路板定义的设备特定属性。文件中约束的顺序通常并不重要。注释用#表示。编写我们的 tcl 代码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 代码现在我们需要将 PS GPIO EMIO 引脚配置为输出方法是写入 GPIO 控制器的方向寄存器和输出使能寄存器然后写入数据寄存器来驱动这些位为高或低。Zynq 7000 SoC 技术参考手册 (UG585)(https://docs.amd.com/r/en-US/ug585-zynq-7000-SoC-TRM/Introduction?tocIdHf6C7Oo5ABvv2hkWRoiihQ)中关于通用 I/O 部分的引言如下最后一句尤为重要因为它告诉我们必须使用的 GPIO 控制寄存器和状态寄存器的基地址。此外EMIO GPIO 连接到 bank 2 和 bank 3。GPIO 控制寄存器和状态寄存器映射到基地址的内存中0xE000_A000从我们的电路板图可知我们正在使用 EMIO GPIO_O(7:0) 输出端口即 EMIO 的第 7 位到第 0 位我们通过 o_leds 端口将其连接到 PL。因此要向 LED 发送数据我们必须在寄存器映射位于UG585 的寄存器摘要部分中找到正确的控制寄存器来控制 GPIO_O。由于 EMIO[0:31] 是 bank 2我们发现正确的寄存器是:因此在软件开发中我们必须设置方向输出 设置 DIRM_2 中的第 0 位启用输出 设置 OEN_2 的第 0 位写入值 设置/清除 DATA_2 中的第 0 位注应该使用MASK_DATA_LSW寄存器因为它允许选择要写入的特定位。数据寄存器的所有32位都是一次性写入的。1.3.1 Ada 代码 - zedboard_emio_gpio.ads规范文件用于设置 EMIO GPIO 的基地址和偏移量。由于这是内存映射我们不使用访问类型访问类型在某些方面是 Ada 版本的指针据我所知通常应该避免使用。相反我们使用所谓的表示子句据我理解它允许将变量或枚举类型与固定地址的特定内存位置或硬件寄存器关联起来从而使程序能够直接将变量映射到物理内存例如内存映射 I/O 寄存器而无需使用传统的指针。.ads 代码为-- 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 understand which function is apart -- of which package . 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 , which needs 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 a type conversion as -- Address is a particular type and 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 ; for Data_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 ; for OEN_2 Address use OEN_2_Addr ; pragma Volatile ( OEN_2 ) ; end zedboard_emio_gpio ;1.3.2 Ada 代码 - zedboard_emio_gpio.adb主体文件 body.adb 的内容如下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 . -- We do this to not set or 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 a type conversion -- Converts 8 -bit Value to 32 bits -- unsigned . end zedboard_emio_gpio ;1.3.3 Ada 代码 - main.adb在 main.adb 文件中我们导入了 Ada.Real_time 包这允许我们使用 Seconds 函数和 Clock 函数来设置 LED 灯亮起和熄灭之间的延迟。十六进制 AA (0xAA) 表示 LED LD1、LD3、LD5 和 LD7 将交替亮灭而其他 LED 则始终处于关闭状态。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 a function. -- Nanoseconds also exists for example 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 代码 - blink_led.gpr最后提供了 .gpr 文件。项目最初没有使用 Alire。为了将其转换为 alr 项目我在终端中切换到项目目录并运行了以下命令alr init --bin blink_led --in-place这将创建一个.gpr文件。然后不得不稍微更新一下.gpr文件因为它使用了错误的main文件名把它改成了“main.adb”。其次源目录没有指向main.adb 文件所在的位置根目录。这个问题通过在 Source_Dirs 中设置“.”来解决。.gpr 代码如下project Blink_Led is for Runtime (Ada) use embedded-zynq7000; for Target use arm-eabi; for Source_Dirs use (.,mng_pl_ps/,config/); for Object_Dir use obj/; for Exec_Dir use bin; for Main use (main.adb); end Blink_Led;手动添加的for Runtime (Ada) use embedded-zynq7000; for Target use arm-eabi;这是必需的。“for Runtime”命令告诉Gnat编译器要编译的CPU/架构在本例中是zynq700。还有其他选项例如light-zynq7000但这不包含Real_Time库因此Alire会报错。“for Target”命令告诉编译器要为哪个指令集/工具链生成代码在本例中是使用EABI嵌入式应用二进制接口的ARM指令集/工具链。这确保编译后的输出与Zynq上的ARM Cortex-A9处理器兼容。以上内容来自此链接(https://docs.adacore.com/gnat_ugx-docs/html/gnat_ugx/gnat_ugx/arm-elf_topics_and_tutorial.html)。完成所有这些步骤后运行“alr build”命令。这应该会在名为 bin 的文件夹中生成一个 .elf 文件。它可能就叫 main把它重命名是为了明确文件扩展名即 main.elf。1.4 Vitis软件方面的设置打开Vitis在 C 盘或其他路径下创建一个名为 workspace 的文件夹。打开 Vitis。选择“打开工作区”。选择文件→新建组件→平台。给它起个名字。选择硬件设计然后浏览并找到 .tcl 文件。使用独立操作系统。选择“生成启动工件”。完成并搭建平台。应该用Vitis搭建一个平台。完成上述步骤后即可通过选择 Vitis-Program Device 将比特流下载到 Zedboard。现在需要下载 main.elf 文件以便在处理系统上运行。使用 Xilinx 软件命令行工具 (XSCT) 完成了此操作。在终端中执行以下操作打开终端并启动 XSCTxsct通过 JTAG 连接到目标板connect列出可用目标targets应该看到类似如下的输出1 APU 2 ARM Cortex−A9 MPCore #0 ( Vec tor Catch ) 3 ARM Cortex−A9 MPCore #1 ( Running ) 4 xc7z020选择第一个 ARM 内核CPU 0targets 2重置处理器以确保其处于清洁状态rst -processor将编译后的 Ada 可执行文件.elf下载到内存中例如dow C:/ path /to/ your / project /bin/ main.elf 开始执行con程序运行后ARM Cortex-A9 开始执行 Ada 应用程序ARM Cortex-A9 开始执行 Ada 应用程序主过程通过 GNAT 运行时调用。通过 EMIO 连接的 LEDLD1、LD3、LD5、LD7应根据已实现的逻辑开始闪烁。项目完成。链接https://github.com/duggan9265/Ada-Programming-Language-and-the-Zedboard/tree/main/bare_metal_programming/Blink_Ledhttps://www.hackster.io/dug/using-ada-to-flash-leds-on-the-zedboard-39c6c4总结这不是“用Ada点灯”而是“用另一种语言重新理解Zynq”