I/O 交互 | 立创开发板技术文档中心

1、ARM与FPGA介绍

1、运行方式

FPGA ：FPGA（现场可编程门阵列）允许用户根据需求定制硬件电路，优化特定应用的性能。与固定硬件不同，FPGA 可以根据需要重新配置，适合处理高并行性任务、实时处理和低延迟操作。
ARM 处理器：是一种通用的计算平台，提供强大的处理能力，适合执行操作系统、应用程序和控制逻辑。它支持丰富的开发工具和生态系统，可以实现复杂的算法和功能。

2、性能

FPGA 在执行并行计算时可以显著提高性能。例如，图像处理、信号处理、等任务在 FPGA 上可以通过并行化实现大幅度的加速。
FPGA 可以实现极低的延迟，适合对实时性有严格要求的应用。通过将关键任务在 FPGA 上实现，可以提高系统响应速度，减少 ARM 处理器的负担。

3、系统集成

ARM + FPGA 的架构可以非常适合于异构计算系统，通过硬件和软件的结合来优化系统的各个部分。ARM 可以处理复杂的控制任务、文件操作与GUI等，而 FPGA 则可以处理计算密集型或需要高速并行计算的任务。

4、应用广泛

嵌入式系统、自动驾驶、5G、人工智能等领域，ARM + FPGA 架构可以满足高性能、低延迟和高并行的需求，适应未来技术发展的趋势。

2、实战任务

ARM端通过I/O端口输出高低电平组合，形成不同的编码，FPGA则通过读取ARM端I/O引脚的状态来控制对应的RGB灯。具体来说，当ARM端的ABC端口输出000时，FPGA端的LED2红色亮起，同时LED1的红色灯也会亮；当ARM端的ABC端口输出001时，FPGA端的LED2绿色亮起，同时LED1的绿色灯也亮；直到ARM端的ABC端口输出110时，FPGA端的LED3蓝色亮起，LED1的蓝色灯也同步亮起。

3、系统框图

根据实际任务要求，我们需要将ARM处理器输出的电平信号进行编码转换，随后通过FPGA引脚读取这些编码状态，并根据不同的状态输出相应的结果。这里我们需要三个I/O与FPGA进行数据交互，同时ARM端需要三个I/O来控制LED1的RGB灯，FPGA端需要六个引脚来控制LED2和LED3的RGB灯。

4、时序图

根据功能分析，该模块的输入为 A B C 三个信号，输出为 X 是一个 6bit 信号代表输出的六种状态，对应RGB的不同位置和颜色如图下所示：

5、程序编写

FPGA端：

verilog

module arm_fpga (
    input A,              // 输入 A
    input B,              // 输入 B
    input C,              // 输入 C
    output reg [5:0] X    // 6位输出
);

always @(*) begin
    case ({A, B, C})  // 拼接输入信号
        3'b000: X = 6'b11_1110; // 输出 x0
        3'b001: X = 6'b11_1101; // 输出 x1
        3'b010: X = 6'b11_1011; // 输出 x2
        3'b011: X = 6'b11_0111; // 输出 x3
        3'b100: X = 6'b10_1111; // 输出 x4
        3'b101: X = 6'b01_1111; // 输出 x5
		default : X = 6'b11_1110;  // 默认情况，输出 x0
    endcase
end

endmodule

程序注释：

第 8 - 18 行：位拼接，是使用花括号 {} 来实现，将三个一位信号，拼接成一个 3bit 信号来使用。因为我们是共阳的RGB灯需要低电平才能点亮，根据ARM端的I/O变化来控制RGB灯进行不同颜色的切换。

6、仿真编写

verilog

`timescale 1ns / 1ns // 定义时间单位和精度为 1 纳秒

module arm_fpga_mod();

// 输入和输出信号定义
reg A;     // 输入 A
reg B;     // 输入 B
reg C;     // 输入 C

wire X;    // 输出 X

initial begin // 初始块开始

    A   = 1'b0; // 设置输入 A 为 0
    B   = 1'b0; // 设置输入 B 为 0
    C   = 1'b0; // 设置输入 C 为 0
    #200;       // 延迟 200 纳秒

    A   = 1'b0; // 设置输入 A 为 0
    B   = 1'b0; // 设置输入 B 为 0
    C   = 1'b1; // 设置输入 C 为 1
    #200;       // 延迟 200 纳秒

    A   = 1'b0; // 设置输入 A 为 0
    B   = 1'b1; // 设置输入 B 为 1
    C   = 1'b0; // 设置输入 C 为 0
    #200;       // 延迟 200 纳秒

    A   = 1'b0; // 设置输入 A 为 0
    B   = 1'b1; // 设置输入 B 为 1
    C   = 1'b1; // 设置输入 C 为 1
    #200;       // 延迟 200 纳秒

    A   = 1'b1; // 设置输入 A 为 1
    B   = 1'b0; // 设置输入 B 为 0
    C   = 1'b0; // 设置输入 C 为 0
    #200;       // 延迟 200 纳秒

    A   = 1'b1; // 设置输入 A 为 1
    B   = 1'b0; // 设置输入 B 为 0
    C   = 1'b1; // 设置输入 C 为 1
    #200;       // 延迟 200 纳秒

    $stop; // 停止仿真
end

// 例化
arm_fpga u_arm_fpga (
    .A(A),     // 将输入 A 连接到FPGA的J12引脚
    .B(B),     // 将输入 B 连接到FPGA的J11引脚
    .C(C),     // 将输入 C 连接到FPGA的k11引脚
    .X(X)      // 将输出 X 连接到RGB输出
);

endmodule // 模块结束

程序注释：

第 12 - 45 行：根据我们设计的时序图来，输出是不是按照我们设计的逻辑。

7、ARM程序编写

7.1、RGB与FPGA通讯接口驱动

#include "gpio.h"

/*
- Function    : Init_GPIO()
- Description : 初始化GPIO引脚
- Input       : 无
- Output      : 无
- Return      : 无
- Other       : 无
*/

void Init_GPIO(void)
{
	//ARM端RGB
	rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
	gpio_init(GPIOB, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_8);
	gpio_bit_write(GPIOB, GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_8,SET);

	//FPGA与ARMI/O通信引脚
	rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
	gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2);
	gpio_bit_write(GPIOA, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2,RESET);

}

7.2、应用程序

#include "app.h"

//函数声明
void ARM_FPGA(bit_status A,bit_status B,bit_status C);
void ARM_FPGA(bit_status A,bit_status B,bit_status C);

/*
- Function    : APP_Run
- Description : 执行与FPGA的I/O口进行单向数据交换的功能。
                该函数允许FPGA读取RAM的I/O状态，并据此输出数据。
- Input       : 无
- Output      : 无
- Return      : 无
- Other       : 无
*/
void APP_Run(void)
{

		APP_ARM_FPGA(RESET,RESET,RESET);
		APP_ARM_RGB(RESET,SET,SET);
		delay_1ms(1000);

		APP_ARM_FPGA(RESET,RESET,SET);
		APP_ARM_RGB(SET,RESET,SET);
		delay_1ms(1000);

	    APP_ARM_FPGA(RESET,SET,RESET);
	    APP_ARM_RGB(SET,SET,RESET);
		delay_1ms(1000);

		APP_ARM_FPGA(RESET,SET,SET);
		APP_ARM_RGB(RESET,SET,SET);
		delay_1ms(1000);

		APP_ARM_FPGA(SET,RESET,RESET);
		APP_ARM_RGB(SET,RESET,SET);
		delay_1ms(1000);   // 红色   绿色

		APP_ARM_FPGA(SET,RESET,SET);
		APP_ARM_RGB(SET,SET,RESET);
		delay_1ms(1000);  //绿色
}

/*
- Function    : APP_ARM_FPGA
- Description : 设置与FPGA通信的GPIO口状态。
- Input       : A   GPIOA_PIN_0的状态
			    B   GPIOA_PIN_1的状态
			    C   GPIOA_PIN_2的状态
	\arg  	  : RESET: 清除端口引脚（低电平）
			    SET: 设置端口引脚（高电平）
- Output      : 无
- Return      : 无
- Other       : 无
*/
void APP_ARM_FPGA(bit_status A,bit_status B,bit_status C)
{

    gpio_bit_write(GPIOA, GPIO_PIN_0, A);// 设置GPIOA_PIN_0的状态
    gpio_bit_write(GPIOA, GPIO_PIN_1, B);// 设置GPIOA_PIN_1的状态
    gpio_bit_write(GPIOA, GPIO_PIN_2, C);// 设置GPIOA_PIN_2的状态

}

/*
- Function    : APP_ARM_RGB
- Description : 控制RGB LED的状态，通过设置GPIO引脚状态来控制RGB颜色的显示。
                该函数根据输入的状态分别设置红、绿、蓝三个颜色通道的引脚状态。
- Input       : R   GPIOB_PIN_6的状态（控制红色通道）
                G   GPIOB_PIN_7的状态（控制绿色通道）
                B   GPIOB_PIN_8的状态（控制蓝色通道）
  \arg        : RESET: 点亮对应颜色
                SET: 熄灭对应颜色
- Output      : 无
- Return      : 无
- Other       : 无
*/
void APP_ARM_RGB(bit_status R,bit_status G,bit_status B)
{
	gpio_bit_write(GPIOB, GPIO_PIN_7, R);  // 设置GPIOB_PIN_6的状态（红色通道）
    gpio_bit_write(GPIOB, GPIO_PIN_6, G);  // 设置GPIOB_PIN_7的状态（绿色通道）
    gpio_bit_write(GPIOB, GPIO_PIN_8, B);  // 设置GPIOB_PIN_8的状态（蓝色通道）

}

7.3、主函数

#include "app.h"
#include "Init.h"

/*
- Function    : main
- Description : 主函数
- Other       : 无
*/
int main(void)
{
	Init_Driver();//外设初始化函数

	delay_1ms(1850);//等待FPGA启动

	while(1)
	  {
		  APP_Run();		//应用运行函数
	  }
}

接下来打开 Modelsim 软件对代码进行仿真，需要添加文件如下图所示：

运行仿真一段时间后,仿真的波形如下图所示：

通过观察发现，仿真出来的波形与我们时序的波形一致。

8、I/O 引脚绑定

进行 I/O 约束，这里只需要对ARM交互的引脚进行约束，管脚分配如下表所示：

信号	方向	引脚	端口作用	电平标准
PA0	input	J12	A	LVCMOS33
PA1	input	J11	B	LVCMOS33
PA2	input	K11	C	LVCMOS33
X[0]	output	R9	LED2R	LVCMOS33
X[1]	output	C10	LED2G	LVCMOS33
X[2]	output	R7	LED2B	LVCMOS33
X[3]	output	N6	LED3R	LVCMOS33
X[4]	output	T10	LED3G	LVCMOS33
X[5]	output	P7	LED3B	LVCMOS33

Gowin 软件中 I/O Constraints 界面如下图所示：

10、程序下载

连接开发板的下载器，将码流文件下载到开发板后，及可看到RGB灯循环闪烁

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1、ARM与FPGA介绍 ​

2、实战任务 ​

3、系统框图 ​

4、时序图 ​

5、程序编写 ​

6、仿真编写 ​

7、ARM程序编写 ​

7.1、RGB与FPGA通讯接口驱动 ​

7.2、应用程序 ​

7.3、主函数 ​

8、I/O 引脚绑定 ​

10、程序下载 ​