前言
课程名称：模拟电路与数字系统（三）实验
实验项目名称：并行IO接口设计
实验任务
1.基于嵌入式MicroBlaze微处理器设计一个同时支持多种并行IO设备工作的嵌入式MIMO系统，采用FPGA开发板Nexys4。该系统的基本输入输出设备有：16个独立LED灯，16个独立开关、5个独立按键，8个七段数码管，外设接口电路如图1所示：
· 要求所有外设都通过GPIO连接到MicroBlaze微处理器构成的计算机系统的同一总线上。分别通过程序控制方式和并行IO接口中断方式实现不同的功能：
2.程序控制方式实现：
嵌入式计算机系统将独立按键以及独立开关作为输入设备，LED
灯作为输出设备，实现以下功能：
(1） 按下BTNC 按键时，计算机读入一组16
位独立开关状态作为第一个输入的二进制数据，并即时显示输入的二进制数到16 位LED
灯上。（没有按下BTNC按键时，开关拨动不读入数据）
(2） 按下BTNR 按键时，计算机读入另一组16
位独立开关状态作为第二个输入的二进制数据，并即时显示输入的二进制数到16 位LED
灯上。（没有按下BTNR按键时，开关拨动不读入数据）
(3） 按下BTNU 按键时，将保存的2
组二进制数据做无符号加法运算，并将运算结果输出到LED 灯对应位。
(4） 按下BTND 按键时，将保存的2
组二进制数据做无符号乘法运算，并将运算结果输出到LED 灯对应位。
（程序控制方式提示：循环读取按键键值，根据按键的值读取开关状态，并做相应处理。）
3.并行IO接口中断方式实现：
嵌入式计算机系统将独立按键以及独立开关作为输入设备，七段数码管作为输出设备。实现以下功能：
(1) 按下BTNC 按键时，计算机读入一组16
位独立开关状态作为一个二进制数据，并将该二进制数的低8 位对应的二进制数值0
或1 显示到8 个七段数码管上。
(2) 按下BTNU 按键时，计算机读入一组16
位独立开关状态作为一个二进制数据，并将该16 进制数据各位数字对应的字符0~F
显示到低4 位七段数码管上（高4 位七段数码管不显示）。
(3) 按下BTND 按键时，计算机读入一组16
位独立开关状态作为一个二进制数据，并将该数据表示的无符号十进制数各位数字对应的字符0~9
显示到低5 位七段数码管上（高3 位七段数码管不显示）。
设计各种控制方式下的控制程序（要求设计程序框架结构、各个函数之间的关联关系、各个函数的执行流程图并说明原因、写出程序源代码）。
实验目的
1.掌握GPIOIP核的工作原理;
2.掌握IO接口程序控制方法;
3.掌握中断控制方式的10接口设计原理;
4.掌握中断程序设计方法。
实验环境
1.Windows 10操作系统 ；
2.嵌入式软件开发平台：Vivado 2018.1
3.硬件平台开发板：Xilinx Nexys4。
设计方案
（1） 程序控制方式实现任务1：
任务1中共有两种输入设备，一种输出设备：分别是独立按键以及独立开关作为输入设备，LED
灯作为输出设备。
采用程序控制方式实现时，只需要一个主程序来实现，在主程序中设置GPIO各个通道的工作模式，并开始循环读取按键状态，如果按键状态改变，则根据按键的不同值，进入不同的if语句，来实现相应的功能：
1.当按键值为0x10，即BTNC被按下时，读取此时对应开关状态，存为csw1，并将其显示在LED灯上；
2.当按键值为0x10，即BTNR被按下时，读取此时对应开关状态，存为csw2，并将其显示在LED灯上；
3.当按键值为0x10，即BTNU被按下时，结果取r1 = csw1 +
csw2，并将结果r1显示在LED灯上；
4.当按键值为0x10，即BTND被按下时，结果取r2 = csw1
*csw2，并将结果r2显示在LED灯上.
流程图如图2所示：
图2 程序控制方式主程序流程图
（2） 并行IO接口中断控制方式实现任务2：
分析题目可知，主要需要实现2个任务：
① 七段数码管动态显示：
七段数码管动态显示电路也需要硬件定时中断，动态显示利用视觉暂留效应，定时间隔不能被人察觉，使用Timer_0，中断程序为：Timer_0中断时，中断事务处理为点亮当前位置的七段数码管，即输出当前位置的七段数码管段码和位码，并且将七段数码管点亮位置修改为下一位。其中，Timer_0的定时间隔需满足视觉暂留效应要求即可。
② 开关与按键状态输入：
开关状态输入以及按键状态输入都在按键的GPIO中断事务处理实现。按键的GPIO中断事务处理除了读入开关状态的功能外，还需根据开关状态更新七段数码管显示缓冲区。
所以，控制程序可以分为四个函数，他们的层级结构如图3所示：
其中，各个函数的功能与流程如下所示：
①中断初始化程序：
功能与流程图如图4所示：
②总中断服务程序：
功能与流程图如图5所示：
③Timer_0的中断事务处理函数：
功能与流程图如图6所示：
④按键的中断事务处理函数：
功能与流程图如图7所示：
图7 按键的中断事务处理函数流程图
