Vivado开发套件设计笔记（3）——加法器设计——指针（下）_vivado加法器ip核

接上一篇博文 《Vivado开发套件设计笔记（3）——加法器设计——指针（上）》。

上一篇博文为读者介绍了 HLS 中基于 数组 和 float型 的 四则运算IP核 的制作，然后在 Vivado 中把 IP核 加入到工程中与 ZYNQ Processing System 相连，然后导出硬件信息供给 SDK 用，至于 SDK 怎么用这个自定义的 四则运算IP核 ？笔者在这一篇博文继续给读者讲解。

4 SDK设计

从 Vivado 软件中运行 SDK 后会出现下面的界面（读者会发现这款 SDK 是用 Eclipse 开发的）。上面两个框是我们的硬件信息，下面的框框内的 add_0 就是 加法器IP核 导出的硬件信息了。

（1）创建工程

在菜单栏点击 File —— New —— Application Project ，弹出创建工程界面，输入项目名为 add （英文的无空格就可以），如下图所示，然后点击 Next。

然后选择工程模板，选择 Hello World 工程模板，如下图。

工程创建成功后如下图所示。

（2）程序设计

点开导航栏左侧的 Project Explorer 会发现里面有很多的文件，其中最最重要的就三个：第一个是 arith/src/Helloworld.c ，这个 c文件 里面有ZYNQ的CPU程序入口 main函数 ；第二个是 arith_bsp/ps7_cortexa9_0/include/xparameters.h ，这个头文件里面有我们所用到的 四则运算IP核 映射到FPGA的DDR中的内存地址和相关驱动参数（这些是 自动生成 的）；第三个是add_bsp/ps7_cortexa9_0/include/xarith.h ，其命名方式是与读者设计的 IP核命名 相关，在其前面加上一个 ‘x’ 而已，比如我们的加法器是 arith ，因此它的命名方式就是 xarith.h ，这里面存放着我们调用自定义 四则运算IP核 的库函数（或者叫做 驱动）。

有了以上三个文件，就可以开始 搞事情 了。

第一步，点开 helloworld.c ，输入以下代码。

#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xarith.h"

int main()
{
	int status;
	int length;
	init_platform();

	float data[4];
	float res[4];
	float ref[4];
	XArith My_IP;

	status = XArith_Initialize(&My_IP, XPAR_ARITH_0_DEVICE_ID);
	if(status == XST_SUCCESS)
		print("IP Initialize Successfully!\n\r");

	data[0] = 10.5;
	data[1] = 5.5;
	data[2] = 8.0;
	data[3] = 0.5;

	ref[0] = data[0] + data[1];
	ref[1] = data[0] - data[1];
	ref[2] = data[2] * data[3];
	ref[3] = data[2] / data[3];

	length = XArith_Write_data_Words(&My_IP, 0, data, 4);
	if(length == 4)
		printf("Write OK!\n\r");
	XArith_Start(&My_IP);

	while(!XArith_IsDone(&My_IP));

	length = XArith_Read_res_Words(&My_IP, 0, res, 4);
	if (length == 4)
		print("Hello World\n\r");


	printf("PS(ARM) : ref[0] = %f, ref[1] = %f, ref[2] = %f, ref[3] = %f \n\r", ref[0], ref[1], ref[2], ref[3]);
	printf("PL(FPGA) : res[0] = %f, res[1] = %f, res[2] = %f, res[3] = %f \n\r", res[0], res[1], res[2], res[3]);

	cleanup_platform();
	return 0;
}

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首先需要先定义 XArith 类型的结构体 My_IP ，再调用 XArith_Initialize() 初始化 IP核 ，如果返回值为 XST_SUCCESS 即表示初始化成功。然后定义输入到 IP核 的数组 data 和存储返回结果的数组 res ，之后利用库函数 XArith_Write_data_Words() 把变量送到PL端，接着调用 XArith_Start() 启动PL端的 IP核 开始计算，然后利用 while(!XArith_IsDone(&My_IP)); 阻塞方式等待 IP核 运算完毕，最后用 XArith_Read_res_Words() 取得 IP核 的返回结果。最终用ARM和FPGA做计算，对比结果，验证是否有误。

上述的 XArith 结构体类型，以及对 IP核 的调用的库函数（驱动）全部来自于头文件 xarith.h 中。其中 XArith_Initialize() 的第二个参数是 IP核 的 ID ，这个 ID 号到 xparameters.h 头文件中找。所有用到的东西都在下面的截图中。

这里需要补充三点知识：

• 第一点是数组维度，我们在 HLS 中设置的存储输入数据和输出数据的是2*2的二维数组，而到了 SDK 中，从输入数据到IP核的函数 XArith_Write_data_Words(XArith *InstancePtr, int offset, int *data, int length) 来看，输入时候用到的指针其实是一维的，然后根据输入的第四个形参 length ，把length长的数组一行一行地填充慢 HLS 中的二维数组，也就是说 SDK 中长度为4的 data 数组的第0个到第3个（总共4个）分别放到了 HLS（实际上是IP核） 上对应的第0行第0列、第0行第1列、第1行第0列、第1行第1列这四个位置。

• 第二点是数据类型，从 XArith_Write_data_Words(XArith *InstancePtr, int offset, int *data, int length) 这一个函数定义来看，我们需要输入的数据其实是 float 型的，但是这里生成的驱动函数的 data 指针是 int 型，经过笔者实验发现，不论在 HLS 上定义的是 int 型还是 float 型，最终生成的驱动函数的数据指针都是 int 型，这个函数送到IP核应该是按照二进制送进去的，float 型变量所占的内存空间是4个字节， int 型也是4个字节，这样直接强制转换完送进去，输出时候用的 XArith_Read_res_Words(XArith InstancePtr, int offset, intdata, int length) 函数再次强制转换之后，结果会跟我们预期的一样。

• 第三点是赋值，我们定义的 data 变量是 float 型数组，在给这样的 float 型变量赋值的时候，建议是用带小数赋值，或者加强制类型转换，比如我要给一个 float 类型的变量 a 赋0的话，最好用 a = 0.0 或者 a = (float)0 ，笔者认为这样更安全，因为此前自己开发的时候遇到很多次这样的 BUG ，都是处在这个问题上，所以这里提醒笔者以防不小心出了这个 BUG 不好找。

另外，有详细看 xarith.h 文件的读者会发现，例如写数据的函数，会有两个，一个是 XArith_Write_data_Words(XArith *InstancePtr, int offset, int *data, int length)，另一个是 XArith_Write_data_Bytes(XArith *InstancePtr, int offset, char *data, int length) ，这里区别在于写数据时候用的是 Words（字节） 还是 char（字符） ，一个是4字节一个是单字节，因为我们用到的是 float 变量，所以用 字节 类型的函数即可，同理读取输出结果的函数也是一样。读者有兴趣可以自行尝试用 字符 类型的函数做实验。

部分截图如下。

（3）烧录程序

程序写好之后就可以烧录到板子上了。

第一步先把程序烧录到 ZYNQ 上，如下图所示操作。

用串口连接PC和开发板，（这里假设读者都已经安装好串口驱动之类的，如果不知道怎么做的，提供开发板的产商应该会给相应的资料，照做即可），打开串口调试助手，看运行结果，如下图所示。可以看到这里程序只运行到初始化这一步，没有之后我们所预想的有打印数据出来，这主要是因为硬件信息未烧录到FPGA中，因此在运行 while(!XAdd_IsDone(&MyAdd)); 会阻塞住不正常运行，到下一步。

第二步，把程序同时烧录到 ZYNQ 和 FPGA 上，操作如下图所示。


如果出现下面图示的警告，点 OK ，等待串口助手显示我们预想的结果就可以了。

如果读者都按照以上操作做完的话，会在串口助手上看到这样的结果，跟我们的预期一样，大功告成。

这里补充两点：

第一点是为什么要先烧录到ARM再烧录到FPGA，因为一个新的工程如果没有进行烧录到ARM的操作的话，之后烧录到FPGA的操作界面会缺少一个生成的System Debugger，有兴趣的读者可以试一下。

第二点是串口正常连接时的设备显示和串口调试助手的配置，如下图所示。

正常安装完USB驱动之后，用USB线把开发板上的UART口和JTAG口分别连到PC上，就可以正常使用了。

至此，所有的操作完成。

5 总结

这篇博文笔者详细的介绍了从HLS上 二维数组 和 float 型数据的 四则运算IP核 的制作，到Vivado上顶层电路的连接，最后到SDK上应用程序的开发与验证，完成了用ARM核控制FPGA完成 四则运算 的任务，并教会读者怎么在HLS中用 数组 和 float 型变量。

我们把流程重新理一遍。

• HLS制作IP核
  • C仿真（C Simulation）
  • C综合（C Synthesis）
  • C/RTL 联合仿真（C/RTL Cosimulation）
  • 导出RTL（Export RTL）
• Vivado构建完整电路
  • 把自定义IP核添加到IP Catalog（Add Repository）
  • 创建Block Design并添加自定义IP核以及ZYNQ处理系统，然后配置ZYNQ（Create Block Design）
  • 在Block Design中自动连接ZYNQ和自定义IP核并导出必要端口（Open Block Design）
  • 封装HDL并生成硬件输出（Create HDL Wrapper & Generate Output Products）
  • 运行项目（Run Implementation）
  • 生成bitstream并导出硬件（Generate Bitstream & Export Hardware）
• SDK开发应用程序
  • 包含自定义IP核对应的驱动头文件（例如 xadd.h）
  • 声明自定义IP核对应的结构体并初始化（例如 XAdd MyAdd）
  • 利用库函数把数据输入到IP核，然后等待IP核运算完毕，再取输出数据
  • 把程序烧录到ARM上
  • 把程序同时烧录到ARM和FPGA上
  • 利用串口调试助手检验设计

以上便是全部操作流程。

当我们需要用到含有大量数据的数组的时候，可以在 HLS 上把形参设置成数组，如果需要用到的数据含有小数的时候，可以 把数组定义为 float 型，之后再 SDK 上把一维的数组按照需要的顺序放到 IP核 ，float 型数据也是直接用驱动函数放进去，在调用 写函数 的时候会有强制类型转换，调用 读函数 的时候也会有强制类型转换，最终会得到我们所希望的结果，所以读者不必担心驱动函数上面 int 型的变量和 float 型变量不匹配的问题。另外，如果在 HLS 上面定义的数组是二维的，那么这个二维数组是按一行一行展开成一个行向量，去和 SDK 上的一维数组对应的，这个地方读者在自己设计的时候需要非常注意。

非常感谢读者读到了这里，这一博文会有很多地方与上一篇博文《Vivado开发套件设计笔记（2）——加法器设计》相似，笔者也是怕读者只读这一篇博文，而没有时间去读上一篇，所以才出此下策，希望读者可以理解。如果不幸让读者感到不悦，笔者将在下一篇博文中介绍 DDR3 的使用，以此谢罪。

6 参考文章

[1]: Xilinx Zynq-7000 嵌入式系统设计与实现(何宾著)
[2]: Vivado开发套件设计笔记（1）——入门简介
[3]: Vivado开发套件设计笔记（2）——加法器设计——变量（上）
[4]: Vivado开发套件设计笔记（2）——加法器设计——变量（下）
[5]: Vivado开发套件设计笔记（3）——加法器设计——指针（上）

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