在CPLD管理下實(shí)現高效多串口中斷源

1 總體設計方案

基本原理結構如圖1所示。RS232串口通過(guò)驅動(dòng)芯片MAX202轉換成TTL電平，通過(guò)串口異步通信器件16C554輸出中斷請求，通過(guò)或門(mén)獲得多個(gè)串口的中斷請求INTREQ，再通過(guò)CPLD與中斷控制器相連接。中斷線(xiàn)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16C554的中斷請求INTREQ和INTEN的狀態(tài)來(lái)最終生成DLY_IRQ，向CPU發(fā)出請求。CPU實(shí)時(shí)響應中斷請求DLY_IRQ。在中斷服務(wù)過(guò)程中，CPU按順序逐個(gè)檢查多個(gè)擴展的串口中斷源，有中斷請求的就給予服務(wù)。當剛剛檢查過(guò)的中斷又出現時(shí)，一方面靠CPLD中的一位寄存器INTREQ鎖存；另一方面，當上一中斷服務(wù)完畢時(shí)，CPLD中的8位狀態(tài)機保證了一定時(shí)間的延遲。此延時(shí)中，中斷控制把堆棧內容返回給CPU寄存器，恢復能獲得響應。這樣，即使在多個(gè)串口中斷密集發(fā)生的環(huán)境下，擴展的多個(gè)串行口仍可獲得實(shí)時(shí)性和可靠性較高的中斷響應。 
 

2 硬件實(shí)現

（1）MAX202 Maxim公司的MAX202芯片是標準的RS232電平轉換器，是符合RS232通信標準的接口芯片；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TTL電平和RS232電平的直接轉換。

（2）16C554 16C554是集成異步通信元件。在FIFO模式，傳輸和接收前數據緩沖為16字節數據包，減了CPU的中斷數量。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)現串行和并行2種連接方式的轉換；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誤狀態(tài)。三態(tài)輸出為雙向數據總線(xiàn)和控制總線(xiàn)提供TTL驅動(dòng)能力、優(yōu)先級中斷系統控制、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(xiàn)IRQ0～IRQ7，1條外中斷請求輸出線(xiàn)；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(xún)方式；同時(shí)，還有4種從屬工作方式，即結束中斷、讀狀態(tài)、中斷請求觸發(fā)和數據緩沖方式。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。采用全嵌套方式時(shí)，芯片初始化后不必設置操作命令字。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(gè)中斷請求信號為邊沿觸發(fā)。設定0級請求對應中斷號為8，直至7級請求中斷號為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)先級分析器選中的當前請求的中斷優(yōu)先級。其相應的中斷服務(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)中斷結束命令為止。在ISR置位期間，禁止同級或較低級的中斷響應，開(kāi)放較高級的中斷請求。

（4）CPLD的編程 嵌入式系統都有靈活性的要求。因此，本系統選用了Lattice ispLSI系列產(chǎn)品，以適應不斷擴展或開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品以及1個(gè)硬件平臺上多個(gè)品種的實(shí)現。使用可編程邏輯器件CPLD，有利于在系統設計和現場(chǎng)運行后對系統進(jìn)行修改、調試、升級等。Lattice是帶有在系統可編程（ISP）功能的可編程邏輯器件，即不需要重新修改PCB即可修改原有設計。

①在CPLD中設計1位寄存器INTEN原理圖如圖2所示。地址總線(xiàn)A對應INTEN的口地址，數據線(xiàn)D[0]對應INTEN的數據，數據在L的上升沿鎖定。

②在CPLD中設計一個(gè)8位狀態(tài)機。狀態(tài)機由XCLK驅動(dòng)，XCLK通過(guò)分頻生成100kHz時(shí)鐘，即Δt=10μs。

3 設計構想

在CPLD中做1個(gè)1位寄存器Reg，稱(chēng)為INTEN中斷允許，由1個(gè)8位狀態(tài)機根據16C554的中斷請求線(xiàn)產(chǎn)生的INTREQ及INTEN狀態(tài)來(lái)最終生成DLY_IRQ。

①I(mǎi)NTREQ為n個(gè)中斷的或；

②CPU對INTEN只寫(xiě)，操作過(guò)程分3步。
 
第1步，中斷安裝后設置INTEN=1。 

第2步，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后CPU設置INTEN=0。

第3步，退出中斷服務(wù)程序的最后指令。

　　outportb(0x20,0x20);

③中斷響應的時(shí)序如圖3所示。 在ISR置位期間，有中斷請求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鎖存未被響應的中斷請求。退出中斷服務(wù)后，得中斷允許INTEN設置為1，保證其它中斷請求能夠被響應，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)機的轉換）如圖4所示。 在退出中斷時(shí)，將INTEN設置為1，從狀態(tài)S3轉換到狀態(tài)S0。時(shí)間上延遲了5Δt=50μs,確保當前中斷完全退出。INTREQ鎖存中斷請求，以確保下一中斷能獲得響應。 
 
4 軟件設計

在設計中斷服務(wù)程序時(shí)，要注意中斷服務(wù)程序必須具備自我保護能力，并能訪(fǎng)問(wèn)到所有當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；以允許較高級的中斷產(chǎn)生；中斷程序執行IRET指令前，應向中斷控制器發(fā)出結束中斷命令EOI。在安裝中斷時(shí)，將INTEN設置為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設置為0；退出中斷服務(wù)的時(shí)候，將INTEN設置為1。

上面基于嵌入式系統的精簡(jiǎn)特性，提出了一種高效多串口中斷源的實(shí)現方案；大大節省了資源，確保中斷請求的無(wú)漏檢測和服務(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。