PIO核概述
1 概述
PIO是具有Avalon接口的并行输入/输出(parallel input/output - PIO)核，在Avalon存储器映射（Avalon Memory-Mapped Avalon-MM）从端口和通用抽风式笔记本散热器I/O端口之间提供了一个存储器映射接口。I/O端口既可以连接片上用户逻辑，也可以连接到FPGA与外设连接的I/O引脚。PIO核中断请求（IRQ）输出能够确定一个基于输入信号的中断。PIO是SOPC builder提供的，并且易集成于任何SOPC创建的系统中。 PIO核的Avalon-MM接口由一个单个的Avalon-MM从端口组成。从端口有Avalon-MM读写传输的基本功能，Avalon-MM从端口提供IRQ输出，使PIO核能够确定中断。 PIO核提供容易的隔音房制作I/O访问用户逻辑或外部设备， 在我们的系统中，它的作用主要有：
● 控制LED
● 获取开关数据
● 控制显示设备
● 片外设备的配置与通信（利用IIC总线协议，配置CMOS的寄存器）
图1-1系统中用到的PIO核
2 功能描述
每个PIO核可以提供最多32个I/O端口。像微处理器这样的智能主机通过读/写寄存器映射的Avalon-MM接口控制PIO端口。在主机控制下，PIO核捕获输入端口的数据，并驱动数据到输出端口。当PIO端口直接与I/O引脚相连时，主机通过写PIO核中的控制寄存器对I/O引脚 进行三态控制。例如图2-1是一个基于处理器系统使用多个PIO核的例子，其中，一个用于控制LED；一个用于捕获来自片上复位请求控制逻辑的边缘；另一个控制片外LCD显示。
在集成到SOPC Builder创建的系统时，PIO核有2种用户可见功能部件。
● 一个存储器映射的寄存器空间有4个寄存器：data、direction、interruptmask和edgecapture。
● 1~32个I/O端口。
I/O端口既可与FPGA内部逻辑相连接，也可驱动连接到片外设备的I/O引脚。寄存器通过Avalon-MM接口提供到I/O端口的接口。表4-2是这些寄存器的描述。在某些硬件配置中，某些不需要的寄存器不存在，读一个不存在的寄存器返回一个未定义值，而写一个不存在的寄存器无影响。
图2-1 使用多个PIO核的系统实例
2.1 数据输入/输出
PIO核的I/O端口既可以连接片上逻辑也可以连接片外逻辑，PIO核可以配置为输入、输出或双向。若用来控制双向I/O引脚，则PIO核提供具有三态控制的双向模式。
渎和写数据寄存器的硬件逻辑是独立的。读数据寄存器返回当前输入端口的值；写数据寄存器影响驱动输出端口的值。由于这些端口是独立的，因此读数据寄存器并不返回上次写入的数据。
2.2 边沿捕获
PIO核可配置为对输入端口进行边沿捕获（Edge Capture），它可以捕获低到高的跳变、高到低的跳变或者2种跳变均捕获。只要在输入端检测到边沿，该条件就会在edgecapture寄存器中指示。边沿的检测类型在系统创建时指明，且不能通过寄存器进行更改。
2.3 中断
PIO核可以配置为在不同的输入条件下产生IRQ。IRQ产生的条件可以是下面两种：
● Level-sensitive（电平检测） — PIO核硬件能检测一个高电平，可在核的外部插入一个“非”门来检测低电平。
● Edge-sensitive（边沿检测） — PIO核的边沿捕获配置决定何种边沿类型能触发IRQ。
每个输入端口的中断可以分别屏蔽，中断屏蔽决定哪一个输入端口能产生中断。
2.4 系统配置实例
图2-2显示了一个带输入和输出端口以及支持IRQ的PIO核配置方框图。
图2-2 带输入端口、输出端口和IRQ支持的PIO核
图2-3显示了一个双向模式、不支持IRQ的PIO核配置方框图。
图2-3 带双向端口的PIO核
3 在SOPC Builder中实例化PIO核
图3-1为系统中用到的PIO核，配置成8位的LED输出端口，与外部的LED灯相连，用来指示其他组件的工作状态。
图3-1 PIO-LED
3.1 Basic Settings（基本设置）
Basic Settings（基本设置）标签页允许设计者指定PIO端口的宽度和方向。
lWidth（宽度）设置可以是1~32之间的任何整数值。如果设定值为n，则I/O端口宽为n位。
lDirection（方向）设置有4个选项，如表3-1所示。
表3-1 方向设置
透明导电膜设 置 | 描 述 |
Bidir
双向（三态）端口 | 在这种模式下，每个PIO位共享一个设备引脚用于驱动或捕获数据。每个引脚的方向可以分别选择。如果设置FPGA I/O引脚的方向为输入，引脚的状态为高阻三态。 |
Input
质粒拯救输入端口 | 在这种模式下，PIO端口只能捕获输入。 |
Output
输出端口 | 在这种模式下，PIO端口只能捕获输出。 |
inout
输入/输出端口 | 在这种模式下，输入和输出端口总线是分开的，n位宽的单向总线。 |
| |
3.2 边沿捕获寄存器
Synchronously Capture（同步捕获）
当Synchronously capture（同步捕获）打开时，PIO核包含边沿捕获寄存器edgecapture。用户必须进一步指定边沿探测的类型：
lRising Edge（上升沿）
lFalling Edge（下降沿）
lEither Edge（上升下降沿）
在输入端口，当一个指定类型的边沿出现时，边沿捕获寄存器允许核探测并且（可选）产生一个中断。
当Synchronously capture（同步捕获）关闭时，edgecapture寄存器不存在。
Enable Bit Clearing for Edge Capture Register（边沿捕获寄存器的使能位清除）
打开Enable bit-clearing for edge capture register（边沿捕获寄存器的使能位清除），允许你单独清除一个或多个边沿捕获寄存器中的位。为了清除给定的位，写1到边沿捕获寄存器的位。例如，为了清除边沿捕获寄存器的位6，可以写01000000到寄存器。
3.3 中断(Interrupt)
当Generate IRQ（产生IRQ）被打开，且一个指定的事件在输入端口发生时，PIO核可以断言一个IRQ输出，用户必须进一步指定IRQ事件的原因：充气包装袋
l Level（电平）— 当一个指定的输入为高，并且在 interruptmask（中断掩码）寄存器中该输入的中断是使能的，核产生一个IRQ。
lEdge（边沿）— 当在边沿捕获寄存器中一个指定的位为高，并且在interruptmask（中断掩码）寄存器中该位的中断是使能的，核产生一个IRQ。
当Generate IRQ（产生IRQ）关闭时，interruptmask寄存器不存在。
3.4 仿真（Test bench wiring )
此页在仿真期间指定输入端口的值。开启Hardwire PIO inputs in test bench以在测试工作台中设置PIO输入端口为一个特定的值，并且在Drive inputs to域中指定值。
4 软件编程模型
对于Nios II处理器用户，Altera提供了定义PIO核寄存器的HAL系统库头文件。PIO核不匹配由HAL支持的一般设备模型类型，所以不能通过HAL API或者ANSI C标准库访问。
Nios II嵌入式设计套件（Embedded Design Suite EDS）提供了几个例子设计，它们示范了PIO核的用法。特别是count_binary.c例子，使用PIO核驱动LED，并且用PIO边沿检测中断探测按钮按下。
4.1 软件文件
与PIO核相关的软件文件是altera_avalon_pio_regs.h，该文件定义了PIO核的寄存器映射，提供符号常量来访问底层硬件。
PIO核配套的软件文件如下。该文件提供了对硬件的底层访问。应用程序开发者不要修改这些文件。
altera_avalon_pio_regs.h — 该文件定义了PIO核的寄存器映射，提供访问底层硬件的符号常数。该文件中的符号由设备驱动函数使用。
在默认安装Nios开发工具时，altera_avalon_pio_regs.h 文件在路径C:\altera\90\ip\altera\sopc_builder_ip\altera_avalon_pio\inc下。
altera_avalon_pio_regs.h 文件清单：
#ifndef __ALTERA_AVALON_PIO_REGS_H__
#define __ALTERA_AVALON_PIO_REGS_H__
#include <io.h>
#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 0)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base) IORD(base, 0)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base, data) IOWR(base, 0, data)
#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 1)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(base) IORD(base, 1)
#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(base, data) IOWR(base, 1, data)
热轧镀锌#define IOADDR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(base) __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE(base, 2)
#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(base) IORD(base, 2)
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