CPLD管理高效多串口中断源

CPLD管理高效多串口中断源

近几年来，随着后PC时代的来临，具有简洁、高效等特点的嵌入式系统得到了飞速的发展。嵌入式技术发展到今天已将各种计算机技术多层次、多方面的交叉融合在了一起。嵌入式系统加快了工业设计进程，降低了开发成本及其风险，使用简便，扩展灵活，高效精简，可方便地应用于各工业领域。

中断请求采用边沿触发来进行中断检测，通过将信号送到特定的引线来检测中断。每条引线对应一个可能的硬件中断，因为系统不能辨认哪个设备使用中断线，所以当多个1个的设备被设置成使用同一个特定中断时就产生了混乱。中断产生时，由专用的中断程序接管系统，首先把所有的CPU寄存器内容保存到堆栈里，并引导系统指向中断向量表。在中断程序执行后的一段时间中，中断控制软件把堆栈内容返回给寄存器，系统恢复中断发生之前的状态。如此段时间中又有中断请求，将造成中断的设备判断混乱，从而会造成中断冲突、丢失，甚至使得设置无法正常工作。因此，每个中断通常被分配给单一的设备，使中断无法共享。

传统方法中，扩展多个串行口是利用多个中断源；但在嵌入式系统中，花费大量的中断源来扩展串口无疑是大量的资源浪费。针对这种情况，为了节省紧张的系统资源，本文提出一种实现高效多串口中断方案，可以利用单一的中断源来管理多个扩展串口，并保证多个串口中断的无漏检测与服务。

1总体设计方案

基本原理结构如图1所示。RS232串口通过驱动芯片MAX202转换成TTL电平，通过串口异步通信器件16C554输出中断请求，通过或门获得多个串口的中断请求INTREQ，再通过CPLD与中断控制器相连接。中断线INTREQ通过CPLD主要是在CPLD中做了一个1位的控制寄存器INTEN，用作中断允许控制位，并且根据16C554的中断请求INTREQ和INTEN的状态来最终生成DLY_IRQ，向CPU发出请求。CPU实时响应中断请求DLY_IRQ。在中断服务过程中，CPU按顺序逐个检查多个扩展的串口中断源，有中断请求的就给予服务。当刚刚检查过的中断又出现时，一方面靠CPLD中的一位寄存器INTREQ锁存；另一方面，当上一中断服务完毕时，CPLD中的8位状态机保证了一定时间的延迟。此延时中，中断控制把堆栈内容返回给CPU寄存器，恢复能获得响应。这样，即使在多个串口中断密集发生的环境下，扩展的多个串行口仍可获得实时性和可靠性较高的中断响应。

2硬件实现

MAX202

Maxim公司的MAX202芯片是标准的RS232电平转换器，是符合RS232通信标准的接口芯片；功耗低，集成度高，只用单一5V电源，每片有2个驱动器和2个接收器，具有2组接收和发送通道；全部接口电路简单，可靠性高，可实现TTL电平和RS232电平的直接转换。

16C554

16C554是集成异步通信元件。在FIFO模式，传输和接收前数据缓冲为16字节数据包，减了CPU的中断数量。包含4个改良16C550异步传输器件，使得串行I/O更加可靠。每个信道实现串行和并行2种连接方式的转换；每个信道的状态可以通过CPU的操作读取，可以获取操作情况或任何的错误状态。三态输出为双向数据总线和控制总线提供TTL驱动能力、优先级中断系统控制、可编程的串行接口特性。

8259A

8259A是可编程的中断控制芯片。每块芯片可管理8级向量中断，具有8条中断请求输入线IRQ0～IRQ7，1条外中断请求输出线；具有4种主要工作方式，即全嵌套、循环优先级、特定屏蔽和程序查询方式；同时，还有4种从属工作方式，即结束中断、读状态、中断请求触发和数据缓冲方式。这些工作方式可以通过初始化命令字寄存器来实现。采用全嵌套方式时，芯片初始化后不必设置操作命令字。中断请求优先级是固定的：0级最高；7级最低。接受的8个中断请求信号为边沿触发。设定0级请求对应中断号为8，直至7级请求中断号为0FH。单片工作时，实际使用020H和021H两个端口。经过中断优先级分析器选中的当前请求的中断优先级。其相应的中断服务寄存器ISR位被置1，一直保持到中断服务程序在返回前发中断结束命令为止。在ISR置位期间，禁止同级或较低级的中断响应，开放较高级的中断请求。

CPLD的编程

嵌入式系统都有灵活性的要求。因此，本系统选用了LatticeispLSI系列产品，以适应不断扩展或开发新的产品以及1个硬件平台上多个品种的实现。使用可编程逻辑器件CPLD，有利于在系统设计和现场运行后对系统进行修改、调试、升级等。Lattice是带有在系统可编程功能的可编程逻辑器件，即不需要重新修改PCB即可修改原有设计。

①在CPLD中设计1位寄存器INTEN原理图如图2所示。地址总线A对应INTEN的口地址，数据线D[0]对应INTEN的数据，数据在L的上升沿锁定。

②在CPLD中设计一个8位状态机。状态机由XCLK驱动，XCLK通过分频生成100kHz时钟，即Δt=10μs。

3设计构想

在CPLD中做1个1位寄存器Reg，称为INTEN中断允许，由1个8位状态机根据16C554的中断请求线产生的INTREQ及INTEN状态来最终生成DLY_IRQ。

①INTREQ为n个中断的或；

②CPU对INTEN只写，操作过程分3步。

第1步，中断安装后设置INTEN=1。

第2步，进入中断服务程序后CPU设置INTEN=0。

第3步，退出中断服务程序的最后指令。

outportb;

outportb;//INTEN_PORT为INTEN的口地址

③中断响应的时序如图3所示。

在ISR置位期间，有中断请求INTREQ产生时，此时如果触发了中断，则会使上次中断服务无法完成，因而造成中断丢失。因此，在ISR配置期间，将中断允许INTEN设置为0，防止其它中断请求触发中断，并用INTREQ锁存未被响应的中断请求。退出中断服务后，得中断允许INTEN设置为1，保证其它中断请求能够被响应，并延迟50μs，以确保此次中断服务完全退出。

④中断控制寄存器的状态图如图4所示。

在退出中断时，将INTEN设置为1，从状态S3转换到状态S0。时间上延迟了5Δt=50μs,确保当前中断完全退出。INTREQ锁存中断请求，以确保下一中断能获得响应。

4软件设计

在设计中断服务程序时，要注意中断服务程序必须具备自我保护能力，并能访问到所有当前段地址和堆栈指针；接管中断向量前要关中断；在中断程序入口处要立即开中断；以允许较高级的中断产生；中断程序执行IRET指令前，应向中断控制器发出结束中断命令EOI。在安装中断时，将INTEN设置为1，在中断服务中轮流检查多个串口，如果有