CPLD管理高效多串口中斷源范文

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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得到了飛速的發展。嵌入式技術發展到今天已將各種計算機技術多層次、多方面的交叉融合在了一起。嵌入式系統加快了工業設計進程，降低了開發成本及其風險，使用簡便，擴展靈活，高效精簡，可方便地應用于各工業領域。

中斷請求采用邊沿觸發來進行中斷檢測，通過將信號送到特定的引線來檢測中斷。每條引線對應一個可能的硬件中斷，因為系統不能辨認哪個設備使用中斷線，所以當多個1個的設備被設置成使用同一個特定中斷時就產生了混亂。中斷產生時，由專用的中斷程序接管系統，首先把所有的CPU寄存器內容保存到堆棧里，并引導系統指向中斷向量表。在中斷程序執行后的一段時間中，中斷控制軟件把堆棧內容返回給寄存器，系統恢復中斷發生之前的狀態。如此段時間中又有中斷請求，將造成中斷的設備判斷混亂，從而會造成中斷沖突、丟失，甚至使得設置無法正常工作。因此，每個中斷通常被分配給單一的設備，使中斷無法共享。

傳統方法中，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，為了節省緊張的系統資源，本文提出一種實現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。

1總體設計方案

基本原理結構如圖1所示。RS232串口通過驅動芯片MAX202轉換成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16C554的中斷請求INTREQ和INTEN的狀態來最終生成DLY_IRQ，向CPU發出請求。CPU實時響應中斷請求DLY_IRQ。在中斷服務過程中，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。當剛剛檢查過的中斷又出現時，一方面靠CPLD中的一位寄存器INTREQ鎖存；另一方面，當上一中斷服務完畢時，CPLD中的8位狀態機保證了一定時間的延遲。此延時中，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，即使在多個串口中斷密集發生的環境下，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。

2硬件實現

（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個驅動器和2個接收器，具有2組接收和發送通道；全部接口電路簡單，可靠性高，可實現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。每個信道實現串行和并行2種連接方式的轉換；每個信道的狀態可以通過CPU的操作讀取，可以獲取操作情況或任何的錯誤狀態。三態輸出為雙向數據總線和控制總線提供TTL驅動能力、優先級中斷系統控制、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IRQ0～IRQ7，1條外中斷請求輸出線；具有4種主要工作方式，即全嵌套、循環優先級、特定屏蔽和程序查詢方式；同時，還有4種從屬工作方式，即結束中斷、讀狀態、中斷請求觸發和數據緩沖方式。這些工作方式可以通過初始化命令字寄存器來實現。采用全嵌套方式時，芯片初始化后不必設置操作命令字。中斷請求優先級是固定的：0級最高；7級最低。接受的8個中斷請求信號為邊沿觸發。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，實際使用020H和021H兩個端口。經過中斷優先級分析器選中的當前請求的中斷優先級。其相應的中斷服務寄存器ISR位被置1，一直保持到中斷服務程序在返回前發中斷結束命令為止。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LatticeispLSI系列產品，以適應不斷擴展或開發新的產品以及1個硬件平臺上多個品種的實現。使用可編程邏輯器件CPLD，有利于在系統設計和現場運行后對系統進行修改、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A對應INTEN的口地址，數據線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8位狀態機。狀態機由XCLK驅動，XCLK通過分頻生成100kHz時鐘，即Δt=10μs。

3設計構想

在CPLD中做1個1位寄存器Reg，稱為INTEN中斷允許，由1個8位狀態機根據16C554的中斷請求線產生的INTREQ及INTEN狀態來最終生成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，中斷安裝后設置INTEN=1。

第2步，進入中斷服務程序后CPU設置INTEN=0。

第3步，退出中斷服務程序的最后指令。

outportb(0x20,0x20);

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

③中斷響應的時序如圖3所示。

在ISR置位期間，有中斷請求INTREQ產生時，此時如果觸發了中斷，則會使上次中斷服務無法完成，因而造成中斷丟失。因此，在ISR配置期間，將中斷允許INTEN設置為0，防止其它中斷請求觸發中斷，并用INTREQ鎖存未被響應的中斷請求。退出中斷服務后，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完全退出。

④中斷控制寄存器的狀態圖（描述8位狀態機的轉換）如圖4所示。

在退出中斷時，將INTEN設置為1，從狀態S3轉換到狀態S0。時間上延遲了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

在設計中斷服務程序時，要注意中斷服務程序必須具備自我保護能力，并能訪問到所有當前段地址和堆棧指針；接管中斷向量前要關中斷；在中斷程序入口處要立即開中斷；以允許較高級的中斷產生；中斷程序執行IRET指令前，應向中斷控制器發出結束中斷命令EOI。在安裝中斷時，將INTEN設置為1，在中斷服務中輪流檢查多個串口，如果有中斷服務產生，則將INTEN設置為0；退出中斷服務的時候，將INTEN設置為1。

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