【LED点滅編(2)】Vitisで”LED点滅”プログラムを実行してみた –プログラムの作成と実行 –

本記事の概要

これまでFPGAを用いたシステム開発には、ハードウェア設計にVivado、ソフトウェアアプリケーションの開発にXilinx SDKを用いられてきました。
しかし、2019年以降、ソフトウェアアプリケーションの開発は、Xilinx SDKから統合ソフトウェア開発環境「Vitis」へと移行しています。
「Vitis」での開発環境に慣れ親しんでおくためにも、前回の記事で作成した”Hello World”アプリケーションを応用し”LED点滅”アプリケーションを、Vitis 2020.2で作成しました。

今回の記事では、統合ソフトウェア開発環境VitisとXilinx FPGA向け設計ツール Vivadoを用いて、開発ボードZybo (搭載SoCチップ Zynq)に実装する”LED点滅”アプリケーションを作成する方法についてまとめます。

前回の記事「Vitis 2020.2で”LED点滅”プログラムを実行してみた – (1)ハードウェア構成 –」では、既にVivadoを用いて、Zynq SoCのハードウェア設計を完了しました。

今回の記事では引き続き”LED点滅”アプリケーションのプログラムを作成していきます。

目標と工程

開発目標

本記事の目標は次の通りです：

開発工程

システムの構成

開発環境

開発ボード Zybo Zynq-7010評価ボード

Vitisプロジェクトの作成

Vitis 2020.2のワークスペースの作成

“Hello World”アプリケーションを作成したときと同様に、Vitisのワークスペースを作成していきます。

ワークスペースの構成については、次の記事を参照ください。

ワークスペースの作成手順をまとめると、次の通りです。

前回の記事と重複する内容になりますので、改めて確認したい方は[+]マークから詳細をご確認ください。

Vitis IDEのウィンドウの立ち上げまで完了したら、このワークスペース上で、”LED点滅”プログラムを作成していきましょう。

LED点滅プログラムのソースコードの作成

はじめに、プログラムのソースコードをワークスペースに追加します。

Vitis workspace上のExplorer欄に、新規にソースコードを追加します。
Explorer内の[src]を右クリックし、[New]>[File]と選択します。

追加した[led.c]は何も書かれていない空白のファイルです。ここにソースコードを書いていきます。

まずは、全ソースコードを掲載しておきます。

#include "xparameters.h"
#define LED      *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x00))
#define LED_ctrl *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x04))

int main()
{
   LED_ctrl = 0x0;
   LED = 0x1;

   return 0;
}

ソースコードの解説

前項で掲載したソースコードの意味を順に解説していきます。

①　GPIOのレジスタアドレスの定義

#include "xparameters.h"
#define LED      *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x00))
#define LED_ctrl *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x04))

まずは、ソースコード冒頭に記載している#include文と#define文について、順に見ていきましょう。

#include 文で読み出している”xparameters.h”とは？

#include文では、”xparameters.h”というヘッダーファイルを読み込んでいます。
この”xparameters.h”は「どこに」格納されていて、「何を」記載しているのでしょうか？

まず、「どこに？」ですが、プラットフォームプロジェクト(led_blink_system_wrapper)の中に格納されています。
ワークスペースを作成するときに、XSAファイルと呼ばれるハードウェアのデザインを読み込みました。そのときに、自動でこのヘッダーファイルが生成されているようです。

では、次に、”xparameters.h”は「何を？」記載しているかについて確認しましょう。ヘッダファイルを開くと、例えば、

/* Canonical definitions for peripheral AXI_GPIO_0 */
#define XPAR_GPIO_0_BASEADDR 0x41200000
#define XPAR_GPIO_0_HIGHADDR 0x4120FFFF
#define XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID
#define XPAR_GPIO_0_INTERRUPT_PRESENT 0
#define XPAR_GPIO_0_IS_DUAL 0

と記載されています。

例えば、[XPAR_GPIO_0_BASEADDR]という変数を定義し、その変数に[0x41200000]という数値を割り当てています。

“AXI GPIO”のレジスタアドレスとは？

まずは、LEDと接続されている”AXI GPIO”のレジスタ構成について確認していきましょう。

レジスタ構成については、Xilinx社のAXI GPIOに関するデータシートAXI GPIO v2.0 LogiCORE IP Product GuideのP10″Register Space”に詳細に記載されています。

データシートに基づき、AXI_GPIOのレジスタ空間の構成を整理しました。

あるベースアドレスに対して、オフセットを加えて、データレジスタやコントロールレジスタのアドレスとしているようです。
例えば、[AXI GPIO]というIPは４個のLEDに4bitのデータを出力していました。この4bitのデータを格納するデータレジスタを示すアドレスは「ベースアドレス+オフセット0x0000」ということになります。

では、[AXI GPIO]のベースアドレスの値は何なのか？
ベースアドレスの確認方法は２通りあります。

まず、１つ目の方法についてです。
先程の[xparameters.h]の中身を見たときに答えが書かれています。
変数[XPAR_GPIO_0_BASEADDR]に値[0x41200000]を割り当てていましたが、まさにこれが[AXI GPIO]のベースアドレスとなります。

#define XPAR_GPIO_0_BASEADDR 0x41200000

別の方法は、Vivadoで作成したデザインから確認が可能です。
Vivadoのデザイン上で[Address Editor]とよばれるタグがあるので、それをクリックします。すると、[/axi_gpio_0/S_AXI]という名前のバスがあるので、その”Master Base Address”を確認しましょう。[0x4120_0000]という値が格納されているはずです。

では、[led.c]の冒頭のソースコードに戻ります。

#include "xparameters.h"
#define LED      *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x00))
#define LED_ctrl *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x04))

ヘッダーファイル”xparameters.h”には、システム上の各レジスタのベースアドレスなどが格納されていました。#include文はこのヘッダーファイルを読み出しています。

次の#define文では、[LED]と[LED_ctrl]という名称の変数を定義しています。
各変数には、ベースアドレス[XPAR_GPIO_0_BASEADDR(=0x4120_0000)]にオフセット[0x00]や[0x04]を足したアドレスが指し示すレジスタを、ポインタを使って割り当てています。

この冒頭の定義文によって、新しく定義した[LED]と[LED_ctrl]という変数を用いて、GPIOのデータレジスタとコントロールレジスタに値を格納することが可能になりました。

②　レジスタへの値の代入

では、続くソースコードを確認しましょう。

int main()
{
   LED_ctrl = 0x0;
   LED = 0x1;

   return 0;
}

ソースコード本文になります。

まず、コントロールレジスタ[LED_ctrl]に値[0x0]を格納しています。

Xilinx社のAXI GPIOに関するデータシートAXI GPIO v2.0 LogiCORE IP Product GuideのP12″AXI GPIO 3-State Control Register (GPIOx_TRI)”に、各値の説明が掲載されています。

今回は、AXI GPIOを介してLEDにデータを送ることが目標です。そこで、ソースコード上ではコントロールレジスタ[LED_ctrl]には[0x0]を格納しています。

次に、データレジスタ[LED]に値[0x1](=2進数表記で”0001″)を格納しています。
接続している4つのLEDのうち、右から一つ目のLEDを点灯させることを指示しています。

ここまででプログラムの作成は完了です。
では、このプログラムのもと、実際に回路基板上でLEDを点灯させてみましょう。

実装と動作確認

LEDの点灯

実装までの手順は、前回の”Hello World”のプログラムと変更ありません。
改めて確認したい方は[+]マークから詳細をご確認ください。

今回は、UARTの信号を受信しないので、ホストPCとのCOMポートの設定は必要ありません。
そのまま、[Resume]アイコンをクリックしてプログラムを実行しましょう

見事に右から１つ目のLEDのみが点灯しました。

少しプログラムを変更してみましょう。
GPIOのデータレジスタ(変数名[LED])に“0x3″(2進数表示で0011)を代入してみます。

#include "xparameters.h"
#define LED      *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x00))
#define LED_ctrl *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x04))

int main()
{
   LED_ctrl = 0x0;
   LED = 0x3;

   return 0;
}

右から1番目と2番目のLEDが点灯すれば成功です！

LEDの点滅

LEDを点滅させるということを行いたいと思います。

これまでは定常的にLEDを点灯させるのみでしたが、点滅となると時間変化を伴う動的な制御が必要になります。

そこで、プログラム上ではwhileループと時間遅延を設ける構文を追加します。

#include "xparameters.h"
#define LED      *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x00))
#define LED_ctrl *((volatile unsigned int*) (XPAR_GPIO_0_BASEADDR + 0x04))

int main()
{
	int i, j;

	LED_ctrl = 0x0; //write to control register

   while(1) {
           for ( i=0; i<2; i++ ) {
           	//switching on and off
           	if(i==0){
           		LED = 0x1; //on
           	}else{
           		LED = 0x0; //off
           	}

               for ( j=0; j<100000000; j++); //Latency
           }
       }
   return 0;
}

“while(1){  }”により常にループを回し続け、iに関するforループでLEDのONとOFFを切り替えています。
jに関するforループは、jを100メガ回足し続けることによって、whileループの1ループの時間が長くなるようにしています。

このプログラムを実装し、LEDを動かした動画がこちらです。

およそ1秒間隔で右から1番目のLEDが点滅しているのがわかります。

次回の記事へのリンク