ZYNQ之嵌入式开发05——串口中断、定时器中断、QSPI和SD卡读写测试实验

文章目录

  • UART串口中断实验
  • 定时器中断实验
  • PS-XADC实验
  • QSPI Flash读写测试
  • SD卡读写文本文档

UART串口中断实验

UART控制器是一个全双工异步收发器，支持可编程的波特率和IO信号格式，具有独立的TX和RX数据路径，每个路径有一个64字节的FIFO，FIFO的中断状态支持轮询或者中断模式.
UART的四种工作模式如下，一般使用的都是正常模式。
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黑金开发板原理图中的UART如下图所示。
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其在Bank501上的连接位置如下图所示。
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本次实验的任务是使用UART控制器，完成串口中断数据环回功能。硬件配置和ZYNQ之嵌入式开发01——HelloWorld实验一致，然后导出到硬件，打开SDK进行编程。
导入一个UART中断示例，然后参考该示例代码进行编写。
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本实验中的C代码如下。

#include "stdio.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xparameters.h"
#include "xuartps.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_exception.h"#define UART_DEVICE_ID	  XPAR_XUARTPS_0_DEVICE_ID
#define INTC_DEVICE_ID	  XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
#define UART_INT_IRQ_ID	  XPAR_XUARTPS_1_INTR
XUartPs Uart;
XScuGic Intc;void uart_init(XUartPs *UartInstPtr)
{XUartPs_Config *Config;//根据器件ID查找配置信息Config = XUartPs_LookupConfig(UART_DEVICE_ID);//根据配置信息对UART进行初始化XUartPs_CfgInitialize(UartInstPtr, Config, Config->BaseAddress);//设置波特率XUartPs_SetBaudRate(UartInstPtr, 115200);//设置RxFIFO触发阈值XUartPs_SetFifoThreshold(UartInstPtr, 1);//设置操作模式XUartPs_SetOperMode(UartInstPtr, XUARTPS_OPER_MODE_NORMAL);
}void uart_InterruptHandler(void *call_back_ref)
{XUartPs *uart_instance_ptr = (XUartPs *)call_back_ref;u32 rec_data = 0;u32 interrupt_status;//读取中断寄存器interrupt_status = XUartPs_ReadReg(uart_instance_ptr->Config.BaseAddress,XUARTPS_IMR_OFFSET);interrupt_status &= XUartPs_ReadReg(uart_instance_ptr->Config.BaseAddress,XUARTPS_ISR_OFFSET);if(interrupt_status & (u32)XUARTPS_IXR_RXOVR){rec_data = XUartPs_RecvByte(XPAR_XUARTPS_0_BASEADDR);  //接收数据XUartPs_WriteReg(uart_instance_ptr->Config.BaseAddress,XUARTPS_ISR_OFFSET,XUARTPS_IXR_RXOVR);}XUartPs_SendByte(XPAR_XUARTPS_0_BASEADDR, rec_data);  //发送数据
}void uart_interrupt_init(XScuGic *IntcInstPtr, XUartPs *UartInstPtr)
{XScuGic_Config *IntcConfig;IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);XScuGic_CfgInitialize(IntcInstPtr, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress);Xil_ExceptionInit();Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT, (Xil_ExceptionHandler) XScuGic_InterruptHandler, IntcInstPtr);XScuGic_Connect(IntcInstPtr, UART_INT_IRQ_ID, (Xil_ExceptionHandler) uart_InterruptHandler, (void *) UartInstPtr);//设置触发类型XUartPs_SetInterruptMask(UartInstPtr, XUARTPS_IXR_RXOVR);XScuGic_Enable(IntcInstPtr, UART_INT_IRQ_ID);Xil_ExceptionEnable();
}int main()
{//UART控制器的初始化uart_init(&Uart);//中断初始化uart_interrupt_init(&Intc, &Uart);//printf("Uart interrupt test!\n");   //stdio.hxil_printf("Uart interrupt test!\n");  //xil_printf.hwhile(1);return 0;
}

开发板连接JTAG和UART线后上电，测试的结果如下图所示。
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定时器中断实验

通过定时器的中断，每200ms控制一次PS LED灯的亮灭。
本实验和前面LED实验采用的硬件部分一致，需要勾选GPIO MIO，如下图所示。
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ZYNQ IP核中的CPU时钟频率为666.666666MHz，定时器的频率是CPU时钟频率的一半。
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导出硬件文件，不需要包含比特流，因为本实验不使用到PL部分，然后启动SDK，可以参考中断的模板编写代码。
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LED实验中，采用的是sleep()函数来延时的，这个函数使用简单，但是会占用CPU资源，本实验中将使用定时器中断来替代sleep()进行延时，该实验的代码如下。

#include "stdio.h"
#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xscutimer.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_exception.h"#define GPIO_DEVICE_ID  	XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
#define INTC_DEVICE_ID		XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
#define TIMER_DEVICE_ID		XPAR_XSCUTIMER_0_DEVICE_ID
#define TIMER_IRPT_INTR		XPAR_SCUTIMER_INTR
#define TIMER_LOAD_VALUE	0x3F94067   //定时200ms  CPU——>333.333MHz——>周期约是3ns
XGpioPs_Config *ConfigPtr;  //结构体类型，成员有设备ID和寄存器地址
XGpioPs Gpio;     //结构体类型，GPIO操作实例
static u32 PS_LED1 = 0;  //PS端LED1连接的输出引脚是0号
static u32 PS_LED2 = 13;  //PS端LED2连接的输出引脚是13号
XScuTimer TimerInstance;	//私有定时器的实例
XScuGic IntcInstance;		//中断控制器实例void gpio_init()
{//查找器件的配置信息ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);//初始化GPIO的驱动XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);//设置GPIO的方向为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PS_LED1, 1);  //0-input,1-outputXGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, PS_LED2, 1);//设置输出使能XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, PS_LED1, 1);  //0-disable,1-enableXGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, PS_LED2, 1);
}void TimerIntrHandler(void *CallBackRef)
{static int led_status = 0;XScuTimer *TimerInstancePtr = (XScuTimer *) CallBackRef;if (XScuTimer_IsExpired(TimerInstancePtr)){//清除中断XScuTimer_ClearInterruptStatus(TimerInstancePtr);XGpioPs_WritePin(&Gpio, PS_LED1, led_status);led_status = ~led_status;XGpioPs_WritePin(&Gpio, PS_LED2, led_status);  //让PS LED2和PS LED1的状态相反}
}void timer_interrupt_init(XScuGic *IntcInstancePtr, XScuTimer *TimerInstancePtr, u16 TimerIntrId)
{XScuGic_Config *IntcConfig;IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(INTC_DEVICE_ID);XScuGic_CfgInitialize(IntcInstancePtr, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress);//中断异常处理Xil_ExceptionInit();Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_IRQ_INT, (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, IntcInstancePtr);Xil_ExceptionEnable();//设置定时器的中断处理函数XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, TimerIntrId, (Xil_ExceptionHandler)TimerIntrHandler, (void *)TimerInstancePtr);XScuGic_Enable(IntcInstancePtr, TimerIntrId);XScuTimer_EnableInterrupt(TimerInstancePtr);
}void timer_init(XScuGic *IntcInstancePtr, XScuTimer * TimerInstancePtr, u16 TimerDeviceId, u16 TimerIntrId)
{//初始化私有定时器XScuTimer_Config *ConfigPtr;ConfigPtr = XScuTimer_LookupConfig(TimerDeviceId);XScuTimer_CfgInitialize(TimerInstancePtr, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);timer_interrupt_init(IntcInstancePtr, TimerInstancePtr, TimerIntrId);//使能自动加载模式XScuTimer_EnableAutoReload(TimerInstancePtr);//配置计数器的初始值XScuTimer_LoadTimer(TimerInstancePtr, TIMER_LOAD_VALUE);XScuTimer_Start(TimerInstancePtr);
}int main()
{printf("Timer interrupt test!\n");gpio_init();timer_init(&IntcInstance,&TimerInstance,TIMER_DEVICE_ID,TIMER_IRPT_INTR);while(1);return 0;
}

开发板上验证的动图如下所示，代码中设计的是每200ms翻转一次LED的状态，并且PS端LED1和LED2的状态相反。
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SDK中的调试方式是在工程上右键，选择Debug As——>Launch on Hardware，在弹出的界面中就可以设置断点，然后按相应的按钮进行代码调试了。
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PS-XADC实验

XADC内部是两个1Mbps的ADC，可以采集模拟信号转为数字信号。
PS端XADC接口框图如下图所示。
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本实验将同规格PS-XADC接口，读取XADC测量的芯片温度、供电电压等信息，然后通过串口进行打印。
不用写程序，通过JTAG连接开发板就可以读取到芯片的温度、电压等信息，给开发板连接JTAG线，然后在Vivado中点击Open Target，双击XADC后就可以添加自己想要观测的指标。
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本实验使用Helloworld实验的框图即可，里面的XADC是灰色的，说明其不需要进行配置就可以使用。
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在SDK中导入PS XADC的模板代码，仿照模板写代码。
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本实验按照样例编写的代码如下。

#include "xparameters.h"
#include "xadcps.h"
#include "xstatus.h"
#include "stdio.h"
#include "sleep.h"#define XADC_DEVICE_ID 	XPAR_XADCPS_0_DEVICE_ID
static XAdcPs XAdcInst;int XAdcFractionToInt(float FloatNum)
{float Temp;Temp = FloatNum;if (FloatNum < 0)Temp = -(FloatNum);return( ((int)((Temp -(float)((int)Temp)) * (1000.0f))));
}int main()
{XAdcPs_Config *ConfigPtr;u32 TempRawData;u32 VccPintRawData;float TempData;float VccPintData;printf("PS XADC Test!\n");//Initialize the XAdc driver.ConfigPtr = XAdcPs_LookupConfig(XADC_DEVICE_ID);XAdcPs_CfgInitialize(&XAdcInst, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddress);//Disable the Channel Sequencer before configuring the Sequence registers.XAdcPs_SetSequencerMode(&XAdcInst, XADCPS_SEQ_MODE_SAFE);while(1){TempRawData = XAdcPs_GetAdcData(&XAdcInst, XADCPS_CH_TEMP);TempData = XAdcPs_RawToTemperature(TempRawData);VccPintRawData = XAdcPs_GetAdcData(&XAdcInst, XADCPS_CH_VCCPINT);VccPintData = XAdcPs_RawToVoltage(VccPintRawData);printf("Raw temperature : %lu,   Real temperature : %fC\n",TempRawData,TempData);printf("Raw VccPint : %lu,   Real VccPint : %fV\n",VccPintRawData,VccPintData);sleep(3);printf("\n");}return 0;
}

终端中打印的信息如下图所示。
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QSPI Flash读写测试

Flash存储器又称闪存，是一种非易失性存储器，具有操作方便、读写速度快等优点，一般用于存储操作系统和程序代码。
Flash的存储单元组织为块阵列，块是擦除操作的最小单位，擦除操作将块内的所有位置为1，页是读和写操作的基本单位。在对页进行写操作之前，需要判断该页内所有的位是否为1，如果全部为1，可以进行写操作，否则需要对整个块进行擦除操作，Flash的特性是只能从1翻转到0，从0翻转到1的操作就是擦除 。
Flash从内部结构分为Nor Flash和NAND Flash。Nor Flash写入和擦除的速度较低，结构复杂成本高，存储容量小，一般用于存储Bootloader以及操作系统或者程序代码，可以在芯片内部直接运行代码。NAND Flash写入和擦除速度快，结构简单成本低，存储容量较大，一般用于存储资料。
Flash从外部接口上分为CFI Flash和SPI Flash。CFI Flash读写速度快，需要的硬件引脚多，且不同容量上的硬件不兼容。SPI Flash读写速度慢，需要硬件引脚少，且不同容量上硬件兼容。
SPI(Serial Peripheral Interface)是串行外设接口的缩写，是摩托罗拉公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，其优点是支持全双工通信、通信简单、传输速率快，缺点是没有应答机制确认是否接收到数据，跟IIC总线协议比较在数据可靠性上有一定的缺陷。
SPI的简单示意图如下。
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QSPI Flash的简单示意图如下。
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QSPI有四根双向的数据线，因此在读写速度上要比SPI快。
本实验使用QSPI Flash控制器，先后对开发板上的Flash进行写和读操作，通过对比读出的数据是否等于写入的数据，从而验证读写操作是否正确。
在Helloworld实验工程的基础上，勾选SPI Flash选项。
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在SDK中导入代码示例。
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直接使用示例提供的代码，在开发板上运行后的结果如下图所示。
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SD卡读写文本文档

SD（Secure Digital Card）卡称安全数字卡，也叫安全数码卡，特点是体积小、容量大、传输速度快、支持热插拔。SD卡是在MMC（MultiMedia Card）的基础上发展而来，增加了更高的安全性和更快的读写速度。
SD卡在7020开发板中的原理图如下。
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其连接在BANK501上面，对应的接口是40-45，SD_CD连接在47口。
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文件系统是负责管理和存储文件信息的软件机构，是在磁盘上组织文件的方法。常用的有FAT、FATFS、NTFS、CDFS、exFAT。FATFS是一个完全免费开源的FAT模块，专门为小型的嵌入式系统而设计，用C语言编写，具有良好的硬件平台独立性，可支持多个存储媒介，是可裁剪的文件系统。关于FATFS及其函数的介绍可以在其官网中查看：点此跳转。
本实验通过Xilinx SDK自带的FATFS库，完成对TF卡中TXT文本读写功能，并将读写测试结果通过串口打印。
IP核配置这里按照原理图勾选相应的SD。
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在MIO配置中，CD的引脚也按照原理图进行配置。
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打开SDK新建工程，在_bsp上右击打开板级支持包设置，勾选xilffs，如下图。
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在xilffs的配置界面中将下面的默认选项改为true。
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在目录树下查看，该库文件就添加到相应的板级支持包文件夹中了。
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本实验中使用的代码如下，可以参考FATFS网站进行编写。

#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include "xparameters.h"
#include "ff.h"#define FILE_NAME "sd_message.txt"
char wr_data[20] = "abcdefghi&123456789";
FATFS fs;void sd_mount()
{FRESULT ret;ret = f_mount(&fs, "", 1);  //注册FATFS文件系统对象，挂载if(ret != FR_OK){printf("Volume is not FAT format!\n");f_mkfs("", 0, 0);  //格式化SD卡f_mount(&fs, "", 1);}
}void write_data_to_sd(char *str,u32 len)
{FIL fil;UINT bw;//打开或创建文件f_open(&fil, FILE_NAME, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE | FA_READ);f_lseek(&fil, 0);f_write(&fil, str, len, &bw);f_close(&fil);
}void read_data_from_sd(char *str,u32 len)
{FIL fil;UINT br;f_open(&fil, FILE_NAME, FA_READ);f_lseek(&fil, 0);f_read(&fil, str, len, &br);f_close(&fil);
}int main()
{char rd_data[20] = "";sd_mount();write_data_to_sd(wr_data,strlen(wr_data));read_data_from_sd(rd_data,strlen(wr_data));printf("read data from sd : %s\n",rd_data);if(strcmp(wr_data,rd_data) == 0){printf("Write data is equal to read data!\n");}else{printf("Write data is not equal to read data!\n");}return 0;
}

在开发板上测试的结果如下图所示。
在这里插入图片描述
将SD卡从开发板上取下，插在读卡器中进行验证，可以看到，确实创建了该文件且里面的内容也是通过代码写入的，只是创建时间不对。
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参考视频：
正点原子手把手教你学ZYNQ之嵌入式开发

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