用 Python 写 FPGA IP！—— MyHDL 自定义中断生成器实践

使用 Python/MyHDL 创建自定义 FPGA IP，与 Vivado 集成，并通过 PYNQ 进行控制——实现软件上的简单硬件设计。

介绍

硬件开源编程利器MyHDL简介

传统上，FPGA 开发意味着编写 Verilog 或 VHDL 代码——这些语言功能强大但冗长，与现代软件工作流程格格不入。如果能用 Python 来描述硬件呢？Python 也是你用于软件开发、测试和数据分析的语言。

本项目演示了如何使用MyHDL （一种基于 Python 的硬件描述语言）创建自定义 FPGA IP 核，并将其集成到 Xilinx Vivado 中。通过 Python 的强大表达能力和 MyHDL 的硬件转换功能，我们可以使用熟悉的工具和语法来设计、仿真和部署 FPGA 逻辑。

最终成果：一个支持周期性（基于定时器）和软件触发中断的中断生成器 IP，通过 AXI4-Lite 与 Zynq UltraScale+ PS 完全集成，可以通过 PYNQ 的 Python 接口进行控制。

为什么选择 MyHDL？

MyHDL弥合了软件开发和硬件开发之间的差距：

• Python 语法：用熟悉的 Python 代码编写硬件描述
• 仿真支持：在综合之前，使用 Python 测试硬件逻辑。
• 代码生成：自动将 Verilog 代码转换为 Vivado 集成所需的格式
• 模块化设计：可重用的接口定义和组件
• 类型安全：硬件感知类型检查可防止常见错误

项目概述

中断生成器 IP 提供：

• 两个独立的中断输出：独立的中断 1 和中断 2 通道
• 周期性中断模式：可配置的基于定时器的中断，带有 32 位周期计数器
• 软件触发模式：通过寄存器写入按需生成中断
• 基于寄存器的控制：用于配置和状态监控的 AXI4-Lite 接口
• 中断管理：用于灵活中断控制的状态寄存器和使能寄存器

先决条件

硬件：

Xilinx KR260 机器人入门套件 网络连接（用于 PYNQ 访问）

软件：

• Ubuntu 24.04 LTS（构建主机）
• Python 3.12
• Vivado 2025.2（或兼容版本）
• 定制的 Yocto Linux 镜像，包含 PYNQ

参考：

https://www.hackster.io/wstanislaus/custom-yocto-linux-network-boot-for-xilinx-kr260-e22ac3

• Jupyter Notebook 服务器（包含在 PYNQ 镜像中）

构建依赖项：

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y python3.12 python3.12-venv make

项目结构:

构建 MyHDL IP

构建过程将基于 Python 的 MyHDL 代码转换为 Verilog，以便与 Vivado 集成。

步骤 1：构建 IP

cd myhdl
make all

这条命令：

• 创建一个 Python 3.12 虚拟环境
• 安装 MyHDL 软件包
• 将 MyHDL 代码转换为 Verilog
• 输出：build/interrupt_generator_ip.v

手动构建过程：

# Create virtual environment
python3.12 -m venv venv
source venv/bin/activate

# Install MyHDL
pip install --upgrade pip
pip install myhdl

# Convert to Verilog
PYTHONPATH=. python PL/MyHDL/src/interrupt_generator_ip/interrupt_generator_ip.py

生成的 Verilog 文件（interrupt_generator_ip.v）包含完整的 IP 核，带有 AXI4-Lite 接口，可直接用于 Vivado 集成。

MyHDL IP架构

核心组件：

• 中断生成器核心（interrupt_gen.py）实现周期性和软件触发的中断逻辑，管理周期计数器和中断状态，提供两个独立的中断输出。
• IP Wrapper ( interrupt_generator_ip.py)将 AXI4-Lite 接口转换为内部 AxiLocal 格式，实例化中断生成器内核，并为 Vivado 生成 Verilog 输出。
• AXI 接口（axi_lite.py，axi_local.py）标准 AXI4-Lite 从接口，用于内部路由的简化本地 AXI 总线

寄存器：

步骤 1：创建新项目

• 打开 Vivado 并选择“创建项目”
• 选择RTL 项目，然后单击“下一步”。
• 设置项目名称：interrupt_demo
• 选择项目路径
• 选择“Do not specify sources at this time”。
• 点击“Boards”，然后选择“Kria KR260 Robotics Starter Kit SOM”。

步骤 2：添加 MyHDL 生成的 Verilog

• 在 Vivado 中，右键单击Design Sources → Add Sources。
• 选择“Add or create design sources”
• 点击“Add Files”并导航至build/interrupt_generator_ip.v
• 点击“完成”

步骤 3：创建模块设计

• 在“ Sources ”窗口中右键单击→创建块设计
• 给它起个名字interrupt_demo
• 单击“确定”

步骤 4：添加IP核

将以下 IP 核添加到模块设计中：

• Zynq UltraScale+ PS ( zynq_ultra_ps_e)双击配置启用PL-PS 时钟(100MHz)启用M_AXI_HPM0_LPD接口启用IRQ_F2P中断输入
• 中断生成器 IP （自定义 IP）在模块设计中右键单击 →添加模块从列表中选择这是 MyHDL 生成的 IPinterrupt_generator_ip_0

• AXI Smart Memory Controller （axi_smc）通过 AXI4-Lite 将 PS 连接到自定义 IP
• AXI 中断控制器（axi_intc）合并 PL 中断基地址：0xB0010000

• Interrupt Concatenator（xlconcat）组合中断生成器输出，连接到 AXI 中断控制器
• Processor System Reset （proc_sys_reset）PL逻辑复位控制器

步骤 5：连接IP核

连接以下部件：

• PS → AXI SMC → Interrupt Generator：AXI4-Lite 接口
• Interrupt Generator → Interrupt Concatenator：两个中断输出
• Interrupt Concatenator → AXI Interrupt Controller：组合中断总线
• AXI Interrupt Controller → PS ：IRQ_F2P 中断输入
• PS → 所有 IP ：时钟和复位信号

步骤 6：创建 HDL 包装器

• 右键单击块设计 →创建 HDL 包装器
• 选择“让 Vivado 管理包装器并自动更新”
• 单击“确定”

步骤 7：完成积木设计

最终的模块设计应该如下所示：

步骤 8：生成比特流

步骤 9：导出硬件

• File → Export → Export Hardware
• Include bitstream
• Export to interrupt_demo.xsa

PYNQ 集成

硬件平台导出后，现在可以使用 PYNQ 的 Python 接口与自定义 IP 进行交互。

步骤 1：将文件复制到 KR260

将以下内容复制到 KR260 开发板：

• interrupt_demo.bit→/nfsroot/lib/firmware/
• interrupt_demo.hwh→/nfsroot/lib/firmware/
• APU/pynq_interrupt.ipynb→/nfsroot/home/xilinx/Notebook/

步骤 2：打开 Jupyter 服务器

在 Ubuntu 构建/开发机器上：

 firefox http://172.20.1.2:9090/

找到pynq_interrupt.ipynb并打开它。

步骤 3：加载Overlay

from pynq import Overlay, Interrupt
import asyncio

# Load the FPGA overlay
overlay = Overlay('interrupt_demo.bit')
overlay.download()

# Get the interrupt generator IP
intr = overlay.interrupt_generator_ip_0

# Configure PL clock (100MHz)
overlay.clock_dict['fclk_clk0'] = 100000000

步骤 4：配置中断

# Register offsets
period1 = 0x00
period2 = 0x04
isr = 0x08
ier = 0x0C
trigger = 0x10

# Configure interrupt1 for software triggering
intr.write(period1, 0)  # Disable periodic mode
intr.write(ier, 1)       # Enable interrupt1

# Configure interrupt2 for periodic interrupts (1 second at 100MHz)
intr.write(period2, 100000000)
intr.write(ier, 2)       # Enable interrupt2

步骤 5：处理中断

# Create interrupt instances
intr_inst1 = Interrupt('axi_intc', intr_id=0)  # interrupt1
intr_inst2 = Interrupt('axi_intc', intr_id=1)  # interrupt2

# Async interrupt handler
async def interrupt_handler(interrupt_object, interrupt_bit):
    print("Handler task started. Waiting for interrupt...")
    
    # Wait for interrupt
    await interrupt_object.wait()
    
    print("Interrupt received!")
    
    # Clear the interrupt (write 1 to the bit to clear it)
    intr.write(isr, interrupt_bit)

# Trigger software interrupt
intr.write(trigger, 1)  # Trigger interrupt1

# Wait for interrupt
await interrupt_handler(intr_inst1, 1)

# Periodic interrupt will fire automatically
await interrupt_handler(intr_inst2, 2)

中断操作模式

周期性中断：

• 将周期寄存器设置为所需的时钟周期计数
• 在 IER 寄存器中启用中断
• 当计数器到期时，中断会自动触发。
• 中断发生时，ISR 位被置位。
• 软件清除 ISR 位以确认

软件触发中断：

• 将周期寄存器设置为 0（禁用周期模式）
• 在 IER 寄存器中启用中断
• 向 TRIGGER 寄存器位写入 1
• Interrupt fires immediately
• ISR 位已设置
• 软件清除 ISR 位以确认

设计优势

MyHDL 的优势：

• 快速原型开发：用 Python 编写硬件，用 Python 进行测试，然后转换为 Verilog 格式
• 代码复用：采用可复用接口定义的模块化设计
• 仿真：综合之前测试硬件逻辑。
• 可维护性：Python 的可读性使得硬件代码更容易理解。

整合优势：

• 标准接口：AXI4-Lite 提供与 PS 的标准连接。
• PYNQ 兼容性：通过 Python 无缝控制自定义 IP
• 灵活配置：基于寄存器的控制支持运行时重新配置
• 中断支持：正确的 PL 到 PS 中断处理

资源

• MyHDL 文档：

http://www.myhdl.org/

• PYNQ 文档：

https://pynq.readthedocs.io/

• Xilinx Vivado 文档：

https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2025_2/ug910-vivado-getting-started.pdf

• KR260 开发板文档：

https://www.xilinx.com/products/boards-and-kits/kria.html

• 定制 Yocto Linux 项目：

https://www.hackster.io/wstanislaus/custom-yocto-linux-network-boot-for-xilinx-kr260-e22ac3

本项目源文件

https://github.com/wstanislaus/Xilinx_KR260_Projects/tree/main/myhdl

结论

该项目表明，FPGA 开发并不意味着要放弃现代软件工具。通过使用 MyHDL，我们可以：

• 用 Python 编写硬件代码
• 利用 Python 的生态系统进行测试和仿真
• 生成用于 Vivado 集成的标准 Verilog
• 通过 PYNQ 的 Python 接口控制硬件

最终形成的开发工作流程既能让软件工程师感到自然流畅，又能保持 FPGA 设计的强大功能和灵活性。无论是在构建新的 IP 核原型、尝试软硬件协同设计，还是构建生产系统，MyHDL 都能在软件和硬件世界之间架起一座桥梁。

END