嵌入式系統(tǒng)高效多串口中斷源的實現(xiàn)

摘  要： 本文針對嵌入式系統(tǒng)精簡特性，提出一種通過一個中斷源高效管理多個串行口，不但節(jié)省了系統(tǒng)資源，并且實現(xiàn)多個串行口中斷的無漏檢測與服務的有效方法。
關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；多串口；CPLD；中斷

近幾年來，隨著后PC時代的來臨，嵌入式系統(tǒng)由于其簡潔、高效等特點，得到了飛速發(fā)展，嵌入式技術目前已將各種計算機技術多層次、多方面地交叉融合在一起。嵌入式系統(tǒng)加快了工業(yè)設計進程，降低了開發(fā)成本及其風險，使用簡便，擴展靈活，高效精簡，可方便應用于工業(yè)各個領域。
傳統(tǒng)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(tǒng)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(jié)省緊張的系統(tǒng)資源，本文提出的實現(xiàn)高效多串口中斷源方案，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。

總體設計
方案的基本組成如圖1所示。RS-232串口通過驅(qū)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中有一位的控制寄存器INTEN，用做中斷允許控制位。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。
在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,當上一中斷服務完畢時，CPLD中的8位狀態(tài)機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，恢復系統(tǒng)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，即使在多個串口中斷密集發(fā)生的環(huán)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。

圖1  原理結構圖


圖2  CPLD中一位寄存器INTEN原理圖


圖3  中斷響應的時序


圖4  中斷控制寄存器的狀態(tài)設置


硬件實現(xiàn)
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，每片有兩個驅(qū)動器和兩個接收器，具有兩組接收和發(fā)送通道，全部接口電路簡單，可靠性高，實現(xiàn)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(shù)據(jù)緩沖為16字節(jié)數(shù)據(jù)包，減少了CPU的中斷數(shù)量。包含四個改良16C550異步傳輸器件，使得串行I/O更加可靠，每個信道實現(xiàn)串行和并行兩種連接方式的轉換，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，具有八條中斷請求輸入線IRQ0~IRQ7，一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，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(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(jīng)過中斷優(yōu)先級分析器選中的當前請求的中斷優(yōu)先級，其相應的中斷服務寄存器ISR位被置1，一直保持到中斷服務程序在返回前發(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，開放較高級的中斷請求。
CPLD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，以適應不斷擴展或開發(fā)新的產(chǎn)品以及一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)設計和現(xiàn)場運行后可能遇到的系統(tǒng)修改、調(diào)試、升級等。Lattice是帶有在系統(tǒng)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A對應INTEN的口地址，數(shù)據(jù)線D[0]對應INTEN的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在L#的上升沿鎖定。
(2)在CPLD中設計一個8位狀態(tài)機，狀態(tài)機由XCLK驅(qū)動，XCLK通過分頻生成100Khz時鐘，即Dt=10ms。

設計構思
在CPLD中做一個一位寄存器Reg，稱為INTEN中斷允許，由一個8位狀態(tài)機根據(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。
(1)INTREQ為n個中斷的或：
INTREQ=IRQ0+IRQ1+...+IRQn
(2)CPU對INTEN只寫，操作過程分三步：
第一步：中斷安裝后設置INTEN=1；
第二步：進入中斷服務程序后CPU設置INTEN=0；
第三步：退出中斷服務程序的最后指令：
//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，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無法完成，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，將INTEN設置為1，從狀態(tài)S3轉換到狀態(tài)S0，時間上延遲了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
在設計中斷服務程序時，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基址和堆棧指針，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(chǎn)生，中斷程序執(zhí)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，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(chǎn)生則將INTEN設置為0，退出中斷服務的時候?qū)NTEN設置為1。

結語
本文提出的多串口中斷源的實現(xiàn)方案，大大節(jié)省了資源，確保了中斷請求的無漏檢測和服務，并有效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?！?

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：清華大學大學出版社，1992