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Cortex-A9内蔵FPGA“Zynq”入門 GPIO回路の設置とARM CPUとの接続


チップの周辺回路を制御するために

ZynqのGPIO制御の基礎

図1　AXI4-Liteバスを使用することで，PS側のソフトウェアからレジスタ制御を行い，GPIOの状態を変更できる．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］中村 晋一郎
詳細：［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門

Zynqは，FPGAの柔軟性とARM Cortex-A9プロセッサの処理能力を兼ね備えたSoC（System on Chip）です．

PLとPSの接続

Zynqの設計では，PLとPSが統合されており，AXI（Advanced eXtensible Interface）バスを介してデータのやり取りを行います．LED点滅システムを構築する場合，以下の手順でPLとPSを接続します．

  1. ZYNQ7 Processing Systemのブロックを追加する．
  2. ブロック・オートメーションを実行し，基本的な周辺回路の接続を自動構成する．
  3. ボード・プリセットを適用し，ボードのピン配置情報を反映させる．

この作業により，システム・リセット回路，AXIインターコネクト回路が追加され，PSからPLを制御するための基盤が整います．

GPIOの追加と設定

GPIO（General-Purpose Input/Output）は，ZynqのPLと外部デバイスを接続するために使用されます．LEDを制御するためにGPIOを追加し，AXI経由でPSと接続します．

  1. GPIOのIPコアを追加する．
  2. IP設定で3ビットの出力を設定する．
  3. Run Connection Automationを実行し，AXIインターコネクトに接続する．
  4. GPIOの出力を選択し，右クリックで「Make External」を実行し，外部ポートを構成する．
  5. ポート名称を変更し，制約ファイルに合わせる．

これにより，GPIOを介してLEDを制御する準備が整います．AXI経由でGPIOを制御することで，PS側のソフトウェアからLEDの点灯/消灯を制御できるようになります．

AXIバスの役割

Zynqでは，PSとPLの通信にAXIバスが使用されます．AXIバスにはいくつかの種類があり，それぞれ異なる役割をもちます．

AXIバスの種類と特徴

  1. AXI4：高性能なメモリ・アクセスを提供する．主に大容量データ転送に使用される．
  2. AXI4-Lite：低レイテンシのシンプルなレジスタ・アクセスを提供する．GPIOなどの制御に適している．
  3. AXI4-Stream：データ・フロー指向の通信を行う．オーディオやビデオ・データの処理に向いている．

GPIOを制御する際には，AXI4-Liteが用いられます．AXI4-Liteは，シンプルなメモリ・マップトI/Oとして動作し，PS側のCPUがレジスタに書き込むことで，GPIOの状態を変更できます．

AXIバスを活用したGPIO制御

GPIOはAXIバスを通じてPSと接続されており，PS側のソフトウェアからレジスタ・アクセスを行うことで，制御が可能です．PSからGPIOの制御を行う手順は以下のようになります．

  1. PS側のソフトウェアでGPIOのベース・アドレスを取得する．
  2. GPIOの出力設定を行うため，対応するレジスタに値を書き込む．
  3. LEDのON/OFFを切り替えるために，GPIOの出力レジスタに1または0を書き込む．

このように，AXIバスを利用することで，PSからPLの周辺回路を効率的に制御できます．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 2002年より業務用映像音声機器メーカに勤務．システムアーキテクチャ設計やファームウェア開発業務に携わる．2020年にリベラルロジック株式会社を設立．

著書

  1. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. アプリはスクリプトで柔軟に！マイコン用MicroPythonプログラミング，Interface 2016年10月号，CQ出版社．
  3. シンプル・便利・基本的！フリー・ソフトで高品質プログラミング，Interface 2015年11月号，CQ出版社．
  4. 音遊び!Blackfin DSP基板でディジタル信号処理初体験，Interface 2015年2月号，CQ出版社．
  5. ROM 10Kバイト/RAM 1Kバイトでヒストリ機能付き! コマンド入力ライブラリNT-Shell，Interface 2013年1月号，CQ出版社．
  6. SDメモリーカード対応のポータブルFPGA書き込み器，トランジスタ技術2011年9月号，CQ出版社．
  7. 世界温度計 コラム イーサネット通信用のライブラリが充実，トランジスタ技術2011年5月号，CQ出版社．

参考文献

  1. FPGA/Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. Zynq FPGA入門 コンピュータ・チップの自作，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. Zynq FPGA入門 自作回路とCPUの通信，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. Zynq FPGA入門 独自のコンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. Zynq FPGA入門 2つのチップ内CPU構成法，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. Zynq FPGA入門 各社FPGAと利用できるCPU，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. HDL超入門！スイッチ読み取り回路とLED駆動回路のHDLソースコード，ZEPエンジニアリング株式会社．
  9. 超入門！スイッチ読み取り回路とLED駆動回路のHDLソースコード，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. FPGAキット DE10入門 PWM信号生成回路IP，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. FPGAキット DE10入門 論理合成前の動作確認，ZEPエンジニアリング株式会社．
  12. FPGAキット DE10入門 正しく動かない乗算器，ZEPエンジニアリング株式会社．
  13. Artix-7 FPGA入門 A-D変換回路の実験，ZEPエンジニアリング株式会社．
  14. FPGA×HDL超入門 2種類のリセット回路，ZEPエンジニアリング株式会社．
  15. FPGA×HDL超入門 2種類のリセット回路，ZEPエンジニアリング株式会社．
  16. FPGA×HDL入門 レジスタの同期運転，ZEPエンジニアリング株式会社．
  17. FPGA×HDL超入門 4桁の7segLED制御，ZEPエンジニアリング株式会社．
  18. Xilinx FPGA入門 回路バイナリの合成，ZEPエンジニアリング株式会社．
  19. Xilinx FPGA入門3　重要な2つのファイル，ZEPエンジニアリング株式会社．
  20. Xilinx FPGA入門2　回路データ・バイナリを転送，ZEPエンジニアリング株式会社．
  21. Xilinx FPGA入門1　スイッチONでLED点灯，ZEPエンジニアリング株式会社．
  22. FPGA入門 演算回路の動作テスト
  23. 自作CPU入門：コンピュータの頭脳を理解する，ZEPエンジニアリング株式会社．
  24. 自作CPU入門2：部品どうしをつなぐ「バス」，ZEPエンジニアリング株式会社．