嵌入式系統高效多串口中斷源的實(shí)現

摘  要： 本文針對嵌入式系統精簡(jiǎn)特性，提出一種通過(guò)一個(gè)中斷源高效管理多個(gè)串行口，不但節省了系統資源，并且實(shí)現多個(gè)串行口中斷的無(wú)漏檢測與服務(wù)的有效方法。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統；多串口；CPLD；中斷

近幾年來(lái)，隨著(zhù)后PC時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統由于其簡(jiǎn)潔、高效等特點(diǎn)，得到了飛速發(fā)展，嵌入式技術(shù)目前已將各種計算機技術(shù)多層次、多方面地交叉融合在一起。嵌入式系統加快了工業(yè)設計進(jìn)程，降低了開(kāi)發(fā)成本及其風(fēng)險，使用簡(jiǎn)便，擴展靈活，高效精簡(jiǎn)，可方便應用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。
傳統方法中，擴展多個(gè)串行口是利用多個(gè)中斷源。但在嵌入式系統中，花費大量的中斷源來(lái)擴展串口無(wú)疑是大量的資源浪費。針對這種情況，為了節省緊張的系統資源，本文提出的實(shí)現高效多串口中斷源方案，可以利用單一的中斷源來(lái)管理多個(gè)擴展串口，并保證多個(gè)串口中斷的無(wú)漏檢測與服務(wù)。

總體設計
方案的基本組成如圖1所示。RS-232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中有一位的控制寄存器INTEN，用做中斷允許控制位。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)。
在剛剛檢查過(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，恢復系統狀態(tài)，確保上一中斷完全退出，并且下一中斷能獲得響應。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。

圖1  原理結構圖


圖2  CPLD中一位寄存器INTEN原理圖


圖3  中斷響應的時(shí)序


圖4  中斷控制寄存器的狀態(tài)設置


硬件實(shí)現
MAX202
MAXIM公司的MAX202芯片為標準的RS-232電平轉換器，符合RS-232通信標準，功耗低，集成度高，只用單一5V電源，每片有兩個(gè)驅動(dòng)器和兩個(gè)接收器，具有兩組接收和發(fā)送通道，全部接口電路簡(jiǎn)單，可靠性高，實(shí)現TTL電平和RS-232電平的直接轉換。
16C554
16C554是集成異步通信元件，在FIFO模式，傳輸和接收前將數據緩沖為16字節數據包，減少了CPU的中斷數量。包含四個(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)現串行和并行兩種連接方式的轉換，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。
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，具有八條中斷請求輸入線(xiàn)IRQ0~IRQ7，一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)，它還有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。
CPLD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)品以及一個(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)運行后可能遇到的系統修改、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，不需要重新修改PCB即可修改原有設計。
(1)在CPLD中設計一位寄存器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Dt=10ms。

設計構思
在CPLD中做一個(gè)一位寄存器Reg，稱(chēng)為INTEN中斷允許，由一個(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。
(1)INTREQ為n個(gè)中斷的或：
INTREQ=IRQ0+IRQ1+...+IRQn
(2)CPU對INTEN只寫(xiě)，操作過(guò)程分三步：
第一步：中斷安裝后設置INTEN=1；
第二步：進(jìn)入中斷服務(wù)程序后CPU設置INTEN=0；
第三步：退出中斷服務(wù)程序的最后指令：
//INTEN_PORT為INTEN的口地址
(3)中斷響應的時(shí)序如圖3所示。
在ISR置位期，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。因此我們在ISR置位期間，將中斷允許INTEN設置為0，防止其他中斷請求觸發(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，將中斷允許INTEN設置為1，保證其他中斷請求能夠被響應，并延遲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)如圖4所示(描述8位狀態(tài)機的轉換)。
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5Dt=50ms，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。

軟件設計
在設計中斷服務(wù)程序時(shí)，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)到所有當前段基址和堆棧指針，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。

結語(yǔ)
本文提出的多串口中斷源的實(shí)現方案，大大節省了資源，確保了中斷請求的無(wú)漏檢測和服務(wù)，并有效解決了多個(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?！?

參考文獻
1 Jean J. Labrosse．Embedded systems building blocks．USA：R&D Publications，1995
2 Scott Mueller．PC硬件金典．北京：電子工業(yè)出版社，2001
3 張載紅．微型機接口控制教程．北京：清華大學(xué)大學(xué)出版社，1992