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 [get_ ]
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?tocId=Hf6C7Oo5ABvv2hkWRoiihQ)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 packagewith System . Storage_Elements ; — A child package of Storage .with Interfaces ; — defines types with exact sizespackage zedboard_emio_gpio isuse 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 believeprocedure 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 (16288) ;– 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 isprocedure Initialise isbeginDIRM_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 enabledend Initialise ;procedure Set_LEDs ( Value : Interfaces . Unsigned_8 ) isbeginData_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 (16AA); delay until Next; Next := Next + D; zedboard_emio_gpio.Set_LEDs (1600); 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。
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。
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