在CPLD管理下實(shí)現(xiàn)高效多串口中斷源
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) RS232 多串口 CPLD 中斷
近幾年來(lái)，隨著后PC時(shí)代的來(lái)臨，具有簡(jiǎn)潔、高效等特點(diǎn)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(jì)算機(jī)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(jì)進(jìn)程，降低了開(kāi)發(fā)成本及其風(fēng)險(xiǎn)，使用簡(jiǎn)便，擴(kuò)展靈活，高效精簡(jiǎn)，可方便地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。
中斷請(qǐng)求采用邊沿觸發(fā)來(lái)進(jìn)行中斷檢測(cè)，通過(guò)將信號(hào)送到特定的引線來(lái)檢測(cè)中斷。每條引線對(duì)應(yīng)一個(gè)可能的硬件中斷，因?yàn)橄到y(tǒng)不能辨認(rèn)哪個(gè)設(shè)備使用中斷線，所以當(dāng)多個(gè)1個(gè)的設(shè)備被設(shè)置成使用同一個(gè)特定中斷時(shí)就產(chǎn)生了混亂。中斷產(chǎn)生時(shí)，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(shí)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(shí)間中又有中斷請(qǐng)求，將造成中斷的設(shè)備判斷混亂，從而會(huì)造成中斷沖突、丟失，甚至使得設(shè)置無(wú)法正常工作。因此，每個(gè)中斷通常被分配給單一的設(shè)備，使中斷無(wú)法共享。
傳統(tǒng)方法中，擴(kuò)展多個(gè)串行口是利用多個(gè)中斷源；但在嵌入式系統(tǒng)中，花費(fèi)大量的中斷源來(lái)擴(kuò)展串口無(wú)疑是大量的資源浪費(fèi)。針對(duì)這種情況，為了節(jié)省緊張的系統(tǒng)資源，本文提出一種實(shí)現(xiàn)高效多串口中斷方案，可以利用單一的中斷源來(lái)管理多個(gè)擴(kuò)展串口，并保證多個(gè)串口中斷的無(wú)漏檢測(cè)與服務(wù)。
1 總體設(shè)計(jì)方案
基本原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。RS232串口通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片MAX202轉(zhuǎn)換成TTL電平，通過(guò)串口異步通信器件16C554輸出中斷請(qǐng)求，通過(guò)或門獲得多個(gè)串口的中斷請(qǐng)求INTREQ，再通過(guò)CPLD與中斷控制器相連接。中斷線INTREQ通過(guò)CPLD主要是在CPLD中做了一個(gè)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(qǐng)求INTREQ和INTEN的狀態(tài)來(lái)最終生成DLY_IRQ，向CPU發(fā)出請(qǐng)求。CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)中斷請(qǐng)求DLY_IRQ。在中斷服務(wù)過(guò)程中，CPU按順序逐個(gè)檢查多個(gè)擴(kuò)展的串口中斷源，有中斷請(qǐng)求的就給予服務(wù)。當(dāng)剛剛檢查過(guò)的中斷又出現(xiàn)時(shí)，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(shí)，CPLD中的8位狀態(tài)機(jī)保證了一定時(shí)間的延遲。此延時(shí)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(gè)串口中斷密集發(fā)生的環(huán)境下，擴(kuò)展的多個(gè)串行口仍可獲得實(shí)時(shí)性和可靠性較高的中斷響應(yīng)。
2 硬件實(shí)現(xiàn)
（1）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(gè)驅(qū)動(dòng)器和2個(gè)接收器，具有2組接收和發(fā)送通道；全部接口電路簡(jiǎn)單，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS232電平的直接轉(zhuǎn)換。
（2）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(gè)改良16C550異步傳輸器件，使得串行I/O更加可靠。每個(gè)信道實(shí)現(xiàn)串行和并行2種連接方式的轉(zhuǎn)換；每個(gè)信道的狀態(tài)可以通過(guò)CPU的操作讀取，可以獲取操作情況或任何的錯(cuò)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(dòng)能力、優(yōu)先級(jí)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(jí)向量中斷，
具有8條中斷請(qǐng)求輸入線IRQ0～I(xiàn)RQ7，1條外中斷請(qǐng)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(jí)、特定屏蔽和程序查詢方式；同時(shí)，還有4種從屬工作方式，即結(jié)束中斷、讀狀態(tài)、中斷請(qǐng)求觸發(fā)和數(shù)據(jù)緩沖方式。這些工作方式可以通過(guò)初始化命令字寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用全嵌套方式時(shí)，芯片初始化后不必設(shè)置操作命令字。中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)是固定的：0級(jí)最高；7級(jí)最低。接受的8個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)為邊沿觸發(fā)。設(shè)定0級(jí)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)中斷號(hào)為8，直至7級(jí)請(qǐng)求中斷號(hào)為0FH。單片工作時(shí)，實(shí)際使用020H和021H兩個(gè)端口。經(jīng)過(guò)中斷優(yōu)先級(jí)分析器選中的當(dāng)前請(qǐng)求的中斷優(yōu)先級(jí)。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(jí)或較低級(jí)的中斷響應(yīng)，開(kāi)放較高級(jí)的中斷請(qǐng)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(kuò)展或開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品以及1個(gè)硬件平臺(tái)上多個(gè)品種的實(shí)現(xiàn)。使用可編程邏輯器件CPLD，有利于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改、調(diào)試、升級(jí)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(jì)。
①在CPLD中設(shè)計(jì)1位寄存器INTEN原理圖如圖2所示。地址總線A對(duì)應(yīng)INTEN的口地址，數(shù)據(jù)線D[0]對(duì)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(jì)一個(gè)8位狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)由XCLK驅(qū)動(dòng)，XCLK通過(guò)分頻生成100kHz時(shí)鐘，即Δt=10μs。
3 設(shè)計(jì)構(gòu)想
在CPLD中做1個(gè)1位寄存器Reg，稱為INTEN中斷允許，由1個(gè)8位狀態(tài)機(jī)根據(jù)16C554的中斷請(qǐng)求線產(chǎn)生的INTREQ及INTEN狀態(tài)來(lái)最終生成DLY_IRQ。
①INTREQ為n個(gè)中斷的或；
②CPU對(duì)INTEN只寫，操作過(guò)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
③中斷響應(yīng)的時(shí)序如圖3所示。
在ISR置位期間，有中斷請(qǐng)求INTREQ產(chǎn)生時(shí)，此時(shí)如果觸發(fā)了中斷，則會(huì)使上次中斷服務(wù)無(wú)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(qǐng)求觸發(fā)中斷，并用INTREQ鎖存未被響應(yīng)的中斷請(qǐng)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(qǐng)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(jī)的轉(zhuǎn)換）如圖4所示。
在退出中斷時(shí)，將INTEN設(shè)置為1，從狀態(tài)S3轉(zhuǎn)換到狀態(tài)S0。時(shí)間上延遲了5Δt=50μs,確保當(dāng)前中斷完全退出。INTREQ鎖存中斷請(qǐng)求，以確保下一中斷能獲得響應(yīng)。
4 軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序時(shí)，要注意中斷服務(wù)程序必須具備自我保護(hù)能力，并能訪問(wèn)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(kāi)中斷；以允許較高級(jí)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(shí)，將INTEN設(shè)置為1，在中斷服務(wù)中輪流檢查多個(gè)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(shí)候，將INTEN設(shè)置為1。
上面基于嵌入式系統(tǒng)的精簡(jiǎn)特性，提出了一種高效多串口中斷源的實(shí)現(xiàn)方案；大大節(jié)省了資源，確保中斷請(qǐng)求的無(wú)漏檢測(cè)和服務(wù)，并有效地解決了多個(gè)串口共享同一中斷源時(shí)所造成的沖突和丟失等問(wèn)題。
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