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在CPLD管理下實現高效多串口中斷源
摘要：針對嵌入式系統的精簡特性，提出一種通過1個中斷源高效管理多個串行口的有效方法，不但節省系統資源，而且實現了多個串行口中斷的無漏檢測與服務。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Lattice ispLSI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。
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