チュートリアル

GPIOの使い方

ZybqBerryのGPIOピン

ZynqBerryには、Rasberry Piと同様、図にあるように40ピンのGPIOが搭載されており、FPGA(PL部)とARMコア(PS部)の両方からアクセスできるようになっています。

また40本あるGPIOのピン配置は次のようになっています。Zynqberryの初期デザインでは、GPIO14とGPIO15ピンは使えない設定になっています。

Xilinxによると、PSからGPIOなどの外部ピンへはMIO(Multiplexed I/O)とEMIO(Extend MIO)を経由してアクセスすることができます。EMIOではMIOの外部ピンに加えて、PLを経由しPLのI/Oピンにアクセスすることができます。今回はEMIOを経由しPLにつながったGPIOをPS部分から制御しする方法を紹介します。

GPIOをつかってLチカ

GPIOのピンにLEDをつなぎ、Lチカをしてみましょう。GPIO 2ピンにLEDの＋端子をGNDへ-端子を接続します。

GPIOをPSから制御するための仮想ファイルが/sys/class/gpioに用意されています。基本的にはRasberry PiでGPIOを制御する方法と同様に行うことができます。しかし　Zynqで使えるGPIOは全部で118ピン分あり、それぞれ/sys/class/gpio/gpio906～/sys/class/gpio/gpio1023までに割り振られています。その中でも906~959まではMIOを経由したGPIO、960~1023はEMIOを経由したGPIOに割り振られているようです。今回はEMIO経由でGPIOの２番ピンへアクセスします。

GPIOのピン番号と制御用仮想ファイルの番号の対応は、

ピン番号が 2~13の場合："ピン番号+958"番の仮想ファイル
ピン番号が16~26の場合："ピン番号+956"番の仮想ファイル

となります(繰り返しになりますが、GPIO 14と15のピンへのアクセスはZynqberryの初期デザインではできません)。

端末からの制御

/sys/class/gpioディレクトリの中身を確認してみます。

root@zynqberry ~$ ls /sys/class/gpio

export gpiochip906 unexport

このexportへ使いたいGPIOの番号を書き出すと、そのGPIOを使うための仮想ファイルが用意されます。今回はGPIO2へのアクセスなので960番を書き出します。

root@zynqberry ~$ echo 960 > /sys/class/gpio/export

root@zynqberry ~$ ls /sys/class/gpio/

export gpio960 gpiochip906 unexport

新しくできた/sys/class/gpio/gpio960の中身は

root@zynqberry ~$ ls /sys/class/gpio/gpio960

active_low device direction edge power subsystem uevent value

となっています。directionはGPIOの入出力の制御、valueはGPIOの値(1ならHigh、0ならLow)の制御に使います。まずGPIO 2を出力用にするため

root@zynqberry ~$ echo "out" > /sys/class/gpio/gpio960/direction

root@zynqberry ~$ cat /sys/class/gpio/gpio906/direction

out

となればOKです。この状態でvalueに1や0を書き出すと、GPIOに接続したLEDを点滅させることができます。

root@zynqberry ~$ echo 1 > /sys/class/gpio/gpio960/value

root@zynqberry ~$ echo 0 > /sys/class/gpio/gpio906/value

プログラムからの制御

C言語からGPIOを制御する方法を紹介します。この方法は２種類あり、１つは/sys/class/gpioの仮想ファイルをC言語からアクセスする方法、もう1つは/dev/memからGPIOの物理アドレスへアクセスする方法です。

/sys/class/gpioを使う方法

Linuxのシステムコールを使い、/sys/class/gpioにある仮想ファイルを操作します。以下にC言語のソースコードを示します。

#include

int main(){

int fd;

fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);

if(fd < 0){

printf("export\n");

perror("open");

return -1;

}

write(fd, "962",3);

close(fd);

fd = open("/sys/class/gpio/gpio962/direction", O_RDWR);

if(fd < 0){

printf("dir\n");

perror("open");

return -1;

}

write(fd, "out", 3);

close(fd);

fd = open("/sys/class/gpio/gpio962/value", O_RDWR);

if(fd < 0){

printf("value\n");

perror("open");

return -1;

}

int i;

for(i=0;i<10;i++){

write(fd, "1", 1);

usleep(5000*100);

write(fd,"0",1);

usleep(5000*100);

}

close(fd);

fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_RDWR);

write(fd,"962",3);

close(fd);

return 0;

}

/dev/memを使う方法

/dev/memを使い、GPIOの物理アドレスに直接データを書き込む方法を紹介します。GPIOマップされているアドレスは

root@zynqberry ~$ cat /proc/iomem | grep gpio

e000a000-e000afff : /amba/gpio@e000a000

で確認できます。XilinxのドキュメントによるとGPIOは0XE000A000にマップされていますが、上で得た結果と同じです。このアドレスをベースとしてGPIO制御に必要なレジスタがいくつか用意されています。詳しくは参考文献2をご覧ください。このうち今回必要なものは以下の通りです。

レジスタ名	機能	オフセット値
DIRM_2	GPIO入出力。0が入力、1が出力	0x00000284
OEN_2	出力イネーブル。	0x00000288
DATA_2	GPIOピンへの出力値。	0x00000048

これらのレジスタは32ビットとなっており、各ビットごとにGPIOピンが割り当てられています。今回のようにGPIO 2ピンを操作する場合、上記レジスタの(下から)1ビット目を操作します。この他にもDIRM_0やOEN_3といったレジスタが用意されています。*_0と*_1のレジスタはGPIOをMIOから操作する際に、*_2と*_3のレジスタはEMIOからGPIOを操作する際に使います。次のソースコードはGPIO 2に接続したLEDを10回点滅させるプログラムです。注意点として、/dev/memからGPIOを制御する際は、/sys/class/gpioで制御したいGPIOをexportしておかなければなりません。つまり、下のコードを使ってLEDを点滅させるには、/sys/class/gpio/exportに960を書き込んでからプログラムの実行が必要になります。

#include

#define GPIO_BASE 0xE000A000 // GPIOのベースアドレス

#define BLOCK_SIZE 4096

/**************************************************************

ベースアドレスに対するオフセット値の1/4にアクセスする必要があるので注意。

ex) DIRM_2は0x00000284がオフセット値だが、プログラム上では

0x00000284/4 = 0x000000A1

にアクセスする。

**************************************************************

/**************************************************************

GPIOの出力方向を設定するためのアドレス

0: input

1: output

**************************************************************/

#define DIRM_0 0x00000081
#define DIRM_1 0x00000091
#define DIRM_2 0x000000A1
#define DIRM_3 0x000000B1

/**************************************************************

GPIO出力イネーブルのアドレス

0: Disable

1: Enable

**************************************************************/

#define OEN_0 0x00000082

#define OEN_1 0x00000092

#define OEN_2 0x000000A2

#define OEN_3 0x000000B2

/**************************************************************

GPIOへ出力するデータ

**************************************************************/

#define DATA_0 0x00000010

#define DATA_1 0x00000011

#define DATA_2 0x00000012

#define DATA_3 0x00000013

#define REG(address) *(volatile unsigned *)(address)

volatile unsigned *gpio;

int main(){

int fd;

char *gpio_map;

fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);

if(fd < 0){

perror("open");

return -1;

}

gpio_map = mmap(NULL, BLOCK_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, GPIO_BASE);

close(fd);

if(gpio_map == MAP_FAILED){

perror("mmap");

return -1;

}

gpio = (volatile unsigned *) gpio_map;

// EMIO からGPIO 2を操作する。

// 出力方向へ設定

REG(gpio + DIRM_2) = 0x1;

// 出力をEnableに

REG(gpio + OEN_2) = 0x1;

// 0.2msごとにLEDを10回点滅させる

int i = 0;

for(i=0;i<10;i++){

REG(gpio + DATA_2) = 0x1; // 点灯

usleep(200*1000);

REG(gpio + DATA_2) = 0x0; // 消灯

usleep(2000*100);

}

munmap(gpio_map, BLOCK_SIZE);

return 0;

}

参考文献

https://japan.xilinx.com/video/soc/mio-emio-configuration-zynq-7000.html

https://www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug585-Zynq-7000-TRM.pdf