基于CPLD的高效多串口中斷方案

近幾年來，隨著后PC時代的來臨，具有簡潔、高效等特點的嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展。嵌入式技術(shù)發(fā)展到今天已將各種計算機技術(shù)多層次、多方面的交叉融合在了一起。嵌入式系統(tǒng)加快了工業(yè)設(shè)計進(jìn)程，降低了開發(fā)成本及其風(fēng)險，使用簡便，擴展靈活，高效精簡，可方便地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。 中斷請求采用邊沿觸發(fā)來進(jìn)行中斷檢測，通過將信號送到特定的引線來檢測中斷。每條引線對應(yīng)一個可能的硬件中斷，因為系統(tǒng)不能辨認(rèn)哪個設(shè)備使用中斷線，所以當(dāng)多個1個的設(shè)備被設(shè)置成使用同一個特定中斷時就產(chǎn)生了混亂。中斷產(chǎn)生時，由專用的中斷程序接管系統(tǒng)，首先把所有的CPU寄存器內(nèi)容保存到堆棧里，并引導(dǎo)系統(tǒng)指向中斷向量表。在中斷程序執(zhí)行后的一段時間中，中斷控制軟件把堆棧內(nèi)容返回給寄存器，系統(tǒng)恢復(fù)中斷發(fā)生之前 的狀態(tài)。如此段時間中又有中斷請求，將造成中斷的設(shè)備判斷混亂，從而會造成中斷沖突、丟失，甚至使得設(shè)置無法正常工作。因此，每個中斷通常被分配給單一的設(shè)備，使中斷無法共享。 傳統(tǒng)方法中，擴展多個串行口是利用多個中斷源；但在嵌入式系統(tǒng)中，花費大量的中斷源來擴展串口無疑是大量的資源浪費。針對這種情況，為了節(jié)省緊張的系統(tǒng)資源，本文提出一種實現(xiàn)高效多串口中斷方案，可以利用單一的中斷源來管理多個擴展串口，并保證多個串口中斷的無漏檢測與服務(wù)。

　　1 總體設(shè)計方案

　　基本原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。RS232串口通過驅(qū)動芯片MAX202轉(zhuǎn)換成TTL電平，通過串口異步通信器件16C554輸出中斷請求，通過或門獲得多個串口的中斷請求INTREQ，再通過CPLD與中斷控制器相連接。中斷線INTREQ通過CPLD主要是在CPLD中做了一個1位的控制寄存器INTEN，用作中斷允許控制位，并且根據(jù)16C554的中斷請求INTREQ和INTEN的狀態(tài)來最終生成DLY_IRQ，向CPU發(fā)出請求。CPU實時響應(yīng)中斷請求DLY_IRQ。在中斷服務(wù)過程中，CPU按順序逐個檢查多個擴展的串口中斷源，有中斷請求的就給予服務(wù)。當(dāng)剛剛檢查過的中斷又出現(xiàn)時，一方面靠CPLD中的一位寄存器INTREQ鎖存；另一方面，當(dāng)上一中斷服務(wù)完畢時，CPLD中的8位狀態(tài)機保證了一定時間的延遲。此延時中，中斷控制把堆棧內(nèi)容返回給CPU寄存器，恢復(fù)能獲得響應(yīng)。這樣，即使在多個串口中斷密集發(fā)生的環(huán)境下，擴展的多個串行口仍可獲得實時性和可靠性較高的中斷響應(yīng)。


2 硬件實現(xiàn)

　?。?）MAX202 Maxim公司的MAX202芯片是標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平轉(zhuǎn)換器，是符合RS232通信標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片；功耗低，集成度高，只用單一5V電源，每片有2個驅(qū)動器和2個接收器，具有2組接收和發(fā)送通道；全部接口電路簡單，可靠性高，可實現(xiàn)TTL電平和RS232電平的直接轉(zhuǎn)換。

　?。?）16C554 16C554是集成異步通信元件。在FIFO模式，傳輸和接收前數(shù)據(jù)緩沖為16字節(jié)數(shù)據(jù)包，減了CPU的中斷數(shù)量。包含4個改良16C550異步傳輸器件，使得串行I/O更加可靠。每個信道實現(xiàn)串行和并行2種連接方式的轉(zhuǎn)換；每個信道的狀態(tài)可以通過CPU的操作讀取，可以獲取操作情況或任何的錯誤狀態(tài)。三態(tài)輸出為雙向數(shù)據(jù)總線和控制總線提供TTL驅(qū)動能力、優(yōu)先級中斷系統(tǒng)控制、可編程的串行接口特性。

（3）8259A 8259A是可編程的中斷控制芯片。每塊芯片可管理8級向量中斷， 具有8條中斷請求輸入線IRQ0～I(xiàn)RQ7，1條外中斷請求輸出線；具有4種主要工作方式，即全嵌套、循環(huán)優(yōu)先級、特定屏蔽和程序查詢方式；同時，還有4種從屬工作方式，即結(jié)束中斷、讀狀態(tài)、中斷請求觸發(fā)和數(shù)據(jù)緩沖方式。這些工作方式可以通過初始化命令字寄存器來實現(xiàn)。采用全嵌套方式時，芯片初始化后不必設(shè)置操作命令字。中斷請求優(yōu)先級是固定的：0級最高；7級最低。接受的8個中斷請求信號為邊沿觸發(fā)。設(shè)定0級請求對應(yīng)中斷號為8，直至7級請求中斷號為0FH。單片工作時，實際使用020H和021H兩個端口。經(jīng)過中斷優(yōu)先級分析器選中的當(dāng)前請求的中斷優(yōu)先級。其相應(yīng)的中斷服務(wù)寄存器ISR位被置1，一直保持到中斷服務(wù)程序在返回前發(fā)中斷結(jié)束命令為止。在ISR置位期間，禁止同級或較低級的中斷響應(yīng)，開放較高級的中斷請求。

（4）CPLD的編程 嵌入式系統(tǒng)都有靈活性的要求。因此，本系統(tǒng)選用了Lattice ispLSI系列產(chǎn)品，以適應(yīng)不斷擴展或開發(fā)新的產(chǎn)品以及1個硬件平臺上多個品種的實現(xiàn)。使用可編程邏輯器件CPLD，有利于在系統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)場運行后對系統(tǒng)進(jìn)行修改、調(diào)試、升級等。Lattice是帶有在系統(tǒng)可編程（ISP）功能的可編程邏輯器件，即不需要重新修改PCB即可修改原有設(shè)計。

①在CPLD中設(shè)計1位寄存器INTEN原理圖如圖2所示。地址總線A對應(yīng)INTEN的口地址，數(shù)據(jù)線D[0]對應(yīng)INTEN的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在L的上升沿鎖定。

②在CPLD中設(shè)計一個8位狀態(tài)機。狀態(tài)機由XCLK驅(qū)動，XCLK通過分頻生成100kHz時鐘，即Δt=10μs。

　　3 設(shè)計構(gòu)想

　　在CPLD中做1個1位寄存器Reg，稱為INTEN中斷允許，由1個8位狀態(tài)機根據(jù)16C554的中斷請求線產(chǎn)生的INTREQ及INTEN狀態(tài)來最終生成DLY_IRQ。

　?、買NTREQ為n個中斷的或；

　?、贑PU對INTEN只寫，操作過程分3步。

第1步，中斷安裝后設(shè)置INTEN=1。

　　第2步，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后CPU設(shè)置INTEN=0。

　　第3步，退出中斷服務(wù)程序的最后指令。

　　outportb(0x20,0x20);

outportb(INTEN_PORT,0x01);//INTEN_PORT為INTEN的口地址

　?、壑袛囗憫?yīng)的時序如圖3所示。 在ISR置位期間，有中斷請求INTREQ產(chǎn)生時，此時如果觸發(fā)了中斷，則會使上次中斷服務(wù)無法完成，因而造成中斷丟失。因此，在ISR配置期間，將中斷允許INTEN設(shè)置為0，防止其它中斷請求觸發(fā)中斷，并用INTREQ鎖存未被響應(yīng)的中斷請求。退出中斷服務(wù)后，得中斷允許INTEN設(shè)置為1，保證其它中斷請求能夠被響應(yīng)，并延遲50μs，以確保此次中斷服務(wù)完全退出。

④中斷控制寄存器的狀態(tài)圖（描述8位狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換）如圖4所示。 在退出中斷時，將INTEN設(shè)置為1，從狀態(tài)S3轉(zhuǎn)換到狀態(tài)S0。時間上延遲了5Δt=50μs,確保當(dāng)前中斷完全退出。INTREQ鎖存中斷請求，以確保下一中斷能獲得響應(yīng)。


4 軟件設(shè)計

在設(shè)計中斷服務(wù)程序時，要注意中斷服務(wù)程序必須具備自我保護能力，并能訪問到所有當(dāng)前段地址和堆棧指針；接管中斷向量前要關(guān)中斷；在中斷程序入口處要立即開中斷；以允許較高級的中斷產(chǎn)生；中斷程序執(zhí)行IRET指令前，應(yīng)向中斷控制器發(fā)出結(jié)束中斷命令EOI。在安裝中斷時，將INTEN設(shè)置為1，在中斷服務(wù)中輪流檢查多個串口，如果有中斷服務(wù)產(chǎn)生，則將INTEN設(shè)置為0；退出中斷服務(wù)的時候，將INTEN設(shè)置為1。

　　上面基于嵌入式系統(tǒng)的精簡特性，提出了一種高效多串口中斷源的實現(xiàn)方案；大大節(jié)省了資源，確保中斷請求的無漏檢測和服務(wù)，并有效地解決了多個串口共享同一中斷源時所造成的沖突和丟失等問題。