第6章＞＞实验7：PS(ARM)端Linux RT与PL端FPGA之间（通过Memory存储器进行通信和交互）《LabVIEW ZYNQ FPGA宝典》

1、实验内容

        上一节实验里面介绍的Reg寄存器通道比较适合在PS端和PL端之间传递标量数据，也就是单个元素，如果要传递多个元素的数组或者连续数据流的话，Reg寄存器通道就不是很合适了。

        本节实验我们向大家讲解如何借助Memory存储器通道在PS（ARM）端Linux RT和PL端FPGA之间传递一定长度的数组或者向量或者图像数据。比如最常见的应用之一就是定长传输，我们可以将PS端Linux RT里面的控制参数、命令、数据等合在一起，形成一个数组，然后通过Memory存储器通道映射到PL端FPGA里面，这样就能批量更新控制FPGA端程序了，当然也可以读取PL端FPGA里面的Memory存储器数据。

        为了方便用户使用，我们提前将8位、16位、32位的无符号和有符号类型的PS2PL下行和PL2PS上行Memory存储器通道封装到ZYNQ PS端和PL端，大家只需要有一点LabVIEW基础，简单拖拽和连线就能实现ZYNQ芯片内部ARM端跟FPGA端的存储器映射交互了。

        提醒：对于FXP定点数传输也很简单，那就是先把FXP定点数先通过“数值至布尔数组”函数去除符号特性，然后再利用“布尔数组至数值”函数转换成U8、U16、U32或者字节数组再发送出去。

2、实验目标

        本节实验需要利用LabVIEW同时开发ZYNQ PS端Linux RT程序和PL端FPGA程序。     先编写一个PL端FPGA VI，将FPGA函数选板里面所有数据类型的Memory存储器通道VI函数拖拽到FPGA VI里面，再在前面板上创建一维输入和显示数组控件，借助LabVIEW FPGA在线前面板交互式运行功能，动态修改这些数组内容以及观察PS端的数组元素是否一致。

        然后编写一个PS端Linux RT程序，调用Memory函数选板里面的读写VI，读取PL端FPGA发送过来的各种类型的数组元素并显示在前面板上，同时将Linux RT程序里面的数组实时发送给PL端FPGA VI，从而实现双向通信和交互。

        最后把写好的PL端FPGA程序框图编译成bit文件，再将Linux RT程序编译部署下载到ZYNQ芯片的PS端ARM里面去运行，利用LabVIEW Linux RT动态加载前面编译好的PL端FPGA bit文件，然后接上Xilinx JTAG下载器和千兆网线或者WiFi模块，就可以同时在线观察到PL端FPGA VI前面板和Linux RT前面板上的控件运行效果了。对于初学者着重复习并熟练掌握ZYNQ芯片PS（ARM）端LabVIEW Linux RT程序开发和PL端FPGA程序开发的过程和原理。

        为了方便讲解，我们设计了3个Memory存储器通道读写交互实验程序，分别是：

1. PS端Linux RT发送一维数组给PL端FPGA（PS2PL下行）
2. PL端FPGA发送一维数组给PS端Linux RT（PL2PS上行）
3. PS端发送一维数组给PL端同时读取回来（PS2PL回环）

3、硬件介绍

        本节实验没有用到其他外设，只需要正点原子领航者ZYNQ开发板，Xilinx JTAG下载器和一根千兆网线即可。       

        其中，Xilinx JTAG下载器可以用来在线观察ZYNQ芯片PL端的FPGA VI前面板实际运行效果也可以动态修改前面板上的数组元素，减少了频繁编译浪费的时间。

        网线是用来将上位机编写好的ZYNQ PS（ARM）端Linux RT程序通过网络方式部署下载到ZYNQ PS端ARM里面去运行。提醒：这里的Xilinx JTAG下载器不需要下载PL端FPGA bit文件，因为PS端可以动态加载编译好的FPGA bit文件，所以如果大家不准备观察FPGA VI前面板上的控件状态，实际上这个Xilinx JTAG下载器也可以不用接。

        图7-1显示的是正点原子领航者ZYNQ开发板实物图。

图7-1：正点原子领航者ZYNQ开发板上实物图

4、原理图介绍

        由于本节实验没有用到ZYNQ开发板上的任何外设，只需要在ZYNQ芯片内部的PS端ARM和PL端FPGA之间进行内部通信和交互，所以，理论上只要ZYNQ芯片没坏，Linux RT系统能正常启动运行就可以了，故此，本节实验不需要原理图。

5、驱动VI函数讲解

5.1：PL端FPGA Memory存储器通道

        对于ZYNQ PL端FPGA来说，要想把一定长度的数组元素发给PS端ARM或者从PS端读取传递过来的数组数据，那么可以借助Memory存储器通道。为了方便客户调用存储器通道，我们将PL侧的Memory存储器通道直接以Socket CLIP的方式封装到FPGA终端下面，如图7-2所示。按照传输方向分为PS2PL和PL2PS，其中，PS2PL指的是PS端Linux RT发送数据给PL端FPGA，那么FPGA VI直接读取这个通道即可，相当于下行；PL2PS则是PL端FPGA将数据通过Memory发送到PS端ARM里面，相当于上行。

图7-2：ZYNQ FPGA终端下的Memory存储器端口信号（最原始的）

        上面这些Memory存储器CLIP端口是最原始的，操作起来不直观，为了方便用户调用，我们将8位、16位和32位的Memory存储器读写操作直接封装成VI，放在了“PL-Mem”函数选板里面了，如图7-3所示。其中，无符号和有符号单独分开，并且不同的数据类型利用多态VI的方式组合在一起，这样用户只需要记住读写两个VI函数就可以了，省时省力。

图7-3：ZYNQ PL端FPGA终端里面的Memory存储器通道读写VI函数

5.2：PS（ARM）端Linux RT驱动函数选板

        正式开始采用LabVIEW编写ZYNQ PS端Linux RT 访问和更新PL端FPGA里面的Memory存储器通道数据之前，我们先来了解一下本节实验要用到的PS端Linux RT下的Memory存储器驱动VI函数功能。

        为了方便用户调用，我们提前将底层负责PS端与PL端沟通的存储器通道函数封装到LabVIEW Linux RT环境下的“PowerGod-RIO-RT”选板里面，变成一个个小图标，一目了然。

        要完成本节实验，我们需要用到4个函数选板，分别是“PS_Load_FPGA_bit”、“PS_Load_KO”、“PS_Reg_Address”和“PS_Memory”，如图7-4所示。

图7-4：本节实验要用到的神电测控“PowerGod-RIO-RT”里面的4个函数选板

        下面，我们分别介绍一下这4个选板里面的VI功能和应用场合。

        1）由于本节实验展示ZYNQ PL端FPGA跟PS端相互通信，所以需要编写FPGA VI编译生成bit文件，然后由PS端Linux RT程序动态加载到ZYNQ芯片里面运行，所以Linux RT程序运行时的第一个VI就是“PS_Load_FPGA_bit.vi”这个函数。凡是需要调用ZYNQ芯片里面PL端FPGA参与的程序，都需要调用这个FPGA bit文件动态加载函数，切记！

        2）为了提高ZYNQ芯片PS端的内存使用率，我们将很多外设KO驱动做成了动态加载和卸载。比如本节实验，我们需要读取PL端FPGA里面的存储器或者将PS端发送过来的数组写入PL端存储器，这个存储器本质上也属于通用IO，也就是GPIO类，所以在Linux RT程序初始化之前，我们需要利用下面图7-5里面的GPIO动态加载“Load_GPIO_KO”函数（PSLoadGPIOKO(SubVI).vi）加载GPIO驱动，等到Linux RT程序停止退出之前，再调用“Unload_GPIO_KO”卸载函数（PSUnloadGPIOKO(SubVI).vi）卸载GPIO驱动以便释放GPIO类占用的内存和资源。

图7-5：GPIO类外设驱动动态加载和卸载函数

        3）本节实验的重点就是要学会使用PS端和PL端之间的存储器通道，因此，PS端少不了要对Memory存储器通道初始化打开，等到Linux RT程序退出的时候，再关闭Memory存储器，这两个VI函数就位于下图7-6所示的“PS_Reg_Address”寄存器函数选板里面。至于下图中间的两个PS端寄存器读写VI，本节实验用不到，因为PS端与PL端进行沟通的Memory存储器读写函数我们单独进行了封装，参考下面的第4）部分内容。

图7-6：ZYNQ芯片PS端ARM寄存器操作函数

        注意：只要是对PS端外设进行操作的场合，都需要调用上面“PS_Reg_Address”函数选板里面的第1个和第4个VI，也就是“PS_reg_Open”和“PS_Reg_Close”，相当于对寄存器函数的初始化和程序退出前的寄存器关闭，至于中间的Reg寄存器读写两个VI，可以根据实际情况选择，后续为了简化编程，我们对很多外设寄存器进行了二次封装，只需要调用相应的函数即可。

        4）为了让ZYNQ PS端ARM能够访问和操作PL端FPGA里面的存储器，我们特地在PS端Linux RT下封装了4个读写函数（多态VI），分别是无符号数据类型的“Mem_Unsigned_Read_Poly.vi”和“Mem_Unsigned_Write_Poly.vi”，以及有符号数据类型的“Mem_Signed_Read_Poly.vi”和“Mem_Signed_Write_Poly.vi”，位于“PS2PL_Memory”函数选板里面，如图7-7所示。其中，第1列的“Mem_xxx_Read_Poly.vi”函数顾名思义，就是PL2PS上行通道，也就是Linux RT可以利用这个函数读取到PL端FPGA里面的存储器数据；反之，第2列的“Mem_xxx_Write_Poly.vi”则是PS2PL下行通道，Linux RT程序可以通过这个VI将PS端的数组写入PL端FPGA的Memory里面去。

图7-7：负责PS端与PL端二者之间通信的Memory存储器通道读写VI函数

        提醒1：为了降低用户记忆困难，我们将相同功能的VI组合在一起，封装成多态VI，这样用户只需要点击下拉列表就可以切换不同功能的VI，比如不同位宽的数据，本质上都是数据，所以合并在一起，方便使用。

        提醒2：为了更好的区分ZYNQ芯片里面PS端和PL端的VI函数，我们特地在每个子VI图标里面加入了PS或者PL字样，如图7-8所示。如果这个子VI有PS字样，那么这个VI就可以被Linux RT主机端也就是PS端调用，反之如果是PL端字样，那就是被FPGA VI调用。比如，下图中左边就是PS端Linux RT程序可以调用的Memory存储器通道函数，右边则是PL端FPGA里面可以需要调用的Memory存储器操作函数。

图7-8：子VI图标上有PS和PL字样（用于区分该VI是运行在PS端Linux RT里面还是在PL端FPGA里面）

6、ZYNQ程序开发讲解（PL(FPGA)+PS(ARM)）

6.1：ZYNQ PL端FPGA程序开发过程

6.1.1：新建或者打开已有的LabVIEW ZYNQ PL FPGA终端

        1）前面第五章里面我们已经新建过了一个LabVIEW ZYNQ FPGA终端了，这里不再重复创建了，不记得的用户可以回顾一下前面第五章5.3.1节里面的相关内容。

        2）打开之前新建的项目浏览器“My_FPGA_Stater_Board_ZYNQ7020_PS+PL.lvproj”，如图7-9所示，可以看到该项目里面有两个终端分别是ZYNQ PL端FPGA部分和PS端Linux RT部分。

图7-9：打开前面新建好的LabVIEW项目浏览器（My_FPGA_Stater_Board_ZYNQ7020_PS+PL.lvproj）

6.1.2：LabVIEW ZYNQ PL端FPGA应用程序编写（FPGA VI）

        1-右击“FPGA Target(My_FPGA, ZYNQ_XC7Z020_2CLG400_Navigator_MyRIO_V3_All)”，选择“New/新建>>Virtual Folder/虚拟文件夹”，创建一个虚拟文件夹，如图7-10所示；然后重命名为“实验7-PS与PL通过Memory存储器交互(ZYNQ PL端)”，如图7-11所示。

图7-10：右击FPGA终端新建一个虚拟文件夹

图7-11：虚拟文件夹重命名为“实验7-PS与PL通过Memory存储器交互(ZYNQ PL端)”

6.1.2.1：新建FPGA Memory存储器

        为了对FPGA终端下的不同元素进行分类管理，我们将Memory存储器单独存放到1个子虚拟文件夹里面，具体步骤如下：

        1）右击虚拟文件夹“实验7-PS与PL通过Memory存储器交互(ZYNQ PL端)”，选择“New/新建>>Virtual Folder/虚拟文件夹”，如图7-12所示，重命名为“PL-Memory”，如图7-13所示，PL指的就是FPGA。

图7-12：右击ZYNQ PL端FPGA新建1个子虚拟文件夹

图7-13：将子虚拟文件夹重命名为“PL-Memory”

        2）右击“PL-Memory”虚拟文件夹，选择“New/新建>>Memory/存储器”，如图7-14所示；在弹出来的Memory存储器属性配置页面里面将“Name/名称”改成“PS2PL-Memory-U8”；“Requested number of elements/请求元素数量”改成10个元素，这里仅仅是演