CPLD管理高效多串口中斷源

CPLD管理高效多串口中斷源

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(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)計進(jìn)程，降低了開發(fā)成本及其風(fēng)險，使用簡便，擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(jī)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(kuò)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。

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。

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LatticeispLSI系列產(chǎn)品，以適應(yīng)不斷擴(kuò)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(jī)。狀態(tài)機(jī)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(jī)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。

①INTREQ為n個中斷的或；

②CPU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;

outportb;//INTEN_PORT為INTEN的口地址

③中斷響應(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(hù)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