一種高效多串口單一中斷源的芯片設(shè)計

　　1概述

　　隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機的應(yīng)用越來越廣泛，其中 51系列的單片機以價格低等優(yōu)勢始終占據(jù)著很大一塊市場。但是，單片機串行口的數(shù)量通常都不多，比如 8051單片機只有一個串行口，實際使用往往要進行串行口的拓展。傳統(tǒng)方法擴展多個串行口是利用多個中斷源，而在嵌入式系統(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。

　　為更好地利用原有的資源去拓展串口，本設(shè)計利用單一中斷源去拓展多個串行口，設(shè)計一個多串口單一中斷源的芯片。該芯片能配合單片機進行數(shù)據(jù)讀寫及傳送，并且能保證多個串口中斷的無遺漏檢測與服務(wù)。下一步，還將對設(shè)計進行一系列嚴格的仿真和仿真結(jié)果分析。結(jié)果表明，該設(shè)計具有較高的應(yīng)用價值。

　　2 總體設(shè)計

　　2.1芯片設(shè)計

　　本設(shè)計是將幾個串行收發(fā)器模塊集成在一塊芯片上，在接收方面，利用一個中斷源向單片機提出中斷請求，再結(jié)合單片機的讀寫操作選擇查詢，當發(fā)現(xiàn)某個收發(fā)器有數(shù)據(jù)時就進行相應(yīng)的操作；在發(fā)送方面，則由單片機選擇發(fā)送。芯片在功能上分為兩層，下層包括串行收發(fā)器﹑中斷控制管理和地址鎖存三個模塊，上層模塊負責處理模塊的調(diào)用、模塊間的信號連接和控制向外傳送數(shù)據(jù)或標志位，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1?！?/P>

　　頂層模塊：完成下層各個模塊信號連接，根據(jù)不同的地址處理好數(shù)據(jù)和標志傳送，收發(fā)器的選擇等問題。

　　中斷管理模塊：儲存并管理各個收發(fā)器模塊的標志位，如果某收發(fā)器有中斷請求則定時向單片機發(fā)出中斷信號。收發(fā)器模塊：完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，對接收到的數(shù)據(jù)進行緩存，最多可以緩存 8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。地址寄存器模塊：在地址鎖存允許位下降沿時將地址保存起來。此模塊已放到頂層模塊里。

　　2.2 芯片與單片機連接

　　芯片設(shè)計的目的是為拓展單片機串口，所以如何與單片機聯(lián)合工作顯得至關(guān)重要。圖 2a是連接的示意圖（右邊為所設(shè)計的芯片，只標明了跟單片機相連的引腳及一個收發(fā)器模塊的輸入輸出引腳）。

　　本設(shè)計芯片與單片機的硬件連接比較簡單，其中，并行數(shù)據(jù)端口 d_inout跟單片機 p0口相連，接收單片機發(fā)出的低 8位地址， ale與單片機地址鎖存允許信號引腳相連，odd_check為奇偶校驗結(jié)果輸出引腳，連接由使用者決定。3 模塊設(shè)計

　　3.1 頂層模塊

頂層模塊在各模塊設(shè)計之前作為統(tǒng)籌規(guī)劃整個程序，是設(shè)計過程中再繼續(xù)完善和修正的重要部分。在頂層模塊里根據(jù)不同的地址輸入，選擇標志或者數(shù)據(jù)的傳送。為了更好地將兩次操作區(qū)分開來使編程更加容易，論文中還設(shè)計了一個標志寄存器rd_check_counter，在不同的操作來時，它的值不同。

　　中斷控制模塊要完成置標志位，定時輸出中斷信號和向單片機傳送標志位信息等功能。模塊接收端有中斷請求到來，中斷控制模塊即將相應(yīng)收發(fā)器的標志位置 1，在數(shù)據(jù)被讀取之后，又立刻將標志位清 0。

　　3.3收發(fā)器模塊

收發(fā)器模塊結(jié)構(gòu)圖如圖 2b。在接收方面，收發(fā)器模塊實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)串轉(zhuǎn)并，儲存到寄存器里等待單片機的讀取。在發(fā)送方面，收發(fā)器將單片機數(shù)據(jù)總線送過來的并行數(shù)據(jù)串行輸出。

　　數(shù)據(jù)接收時數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后便被放入 8字節(jié)的緩存里面，該緩存在每次數(shù)據(jù)存入后就啟動計數(shù)器，當過一段時間還沒有新的數(shù)據(jù)存入時，收發(fā)器即可以向中斷控制模塊提出中斷請求并且等待單片機對數(shù)據(jù)的讀取。發(fā)送數(shù)據(jù)時，收發(fā)器接收到單片機送來的數(shù)據(jù)并將其存儲起來，在串行數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備準備好的情況（txrdy為 1）下再進行格式轉(zhuǎn)換并發(fā)送，無論接收還是發(fā)送串行數(shù)據(jù)都是通過外部時鐘進行計數(shù)控制的。

　　3.4地址寄存器模塊 .

　　地址鎖存模塊在 ale信號（單片機地址鎖存允許信號）到來時將地址低 8位鎖存起來，并送給中斷控制和上層模塊使用。

　　3.5芯片端口

　　上述幾個模塊合成后的芯片外觀及其端口特征描述如下圖 3所示： 1、set_mode（0,1）：兩位信號輸入引腳，用于模式的選擇，模式 1和模式 2分別用 01和 10來選擇。2、ale：地址鎖存允許信號輸入引腳，與單片機的 ale相連，在 ale下降沿的時候?qū)⒌刂返?8位鎖存到地址鎖存模塊。3、clk：時鐘信號輸入引腳，時鐘的頻率定為串行數(shù)據(jù)傳輸頻率的 4倍，如串行通信的波特率是9600bps，則 clk的頻率是 9600×4＝38400Hz。

　　4、cs：芯片總片選信號輸入引腳，低電平有效。

　　5、rd，wr：單片機向芯片讀寫的控制引腳，低電平有效。

　　6、rxd1，rxd2，rxd3，rxd4：串行輸入引腳。

　　7、INT0：中斷信號輸出引腳，下降沿有效。

　　8、odd_check1_o，odd_check2_o，odd_check3_o，odd_check4_o：送給單片機的奇偶校驗標志信號輸出引腳。

　　9、rdfull：數(shù)據(jù)緩沖器標志信號輸出引腳，該信號用‘1’和‘0’表明是否有收發(fā)器的緩存了數(shù)據(jù)尚未被提取。

　　10、rdrdy1，rdrdy2，rdrdy3，rdrdy4：引腳分別用于表明各個收發(fā)器是否正忙，從該收發(fā)器開始接收數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)被單片機讀取整個過程，其相應(yīng)的rdrdy引腳輸出‘1’。

　　11、txd1，txd2，txd3，txd4：串行數(shù)據(jù)輸出引腳。

　　12、tdempty：該引腳輸出為‘1’時表明芯片已沒有正在發(fā)送或者是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　13、txrdy1,txrdy2,txrdy3,txrdy4：分別為收發(fā)器 1、2、3和 4可否進行發(fā)送控制輸入端，輸入為‘1’表示可以進行串行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

　　14、d_inout(7:0)：雙向數(shù)據(jù)總線。應(yīng)與單片機 p0口相連。

　　15、addr_h(7:0)：地址高 8位。

4程序的綜合及仿真

4.1 設(shè)計綜合及實現(xiàn)

　　本設(shè)計綜合使用的工具是 Xilinx公司的 XST，它是內(nèi)嵌在 ISE7.2i里面的。綜合過程將把軟件設(shè)計的 HDL描述與硬件結(jié)構(gòu)掛鉤，是將軟件轉(zhuǎn)化為硬件電路的關(guān)鍵步驟。本設(shè)計綜合時選用的芯片是Spartan-ⅡE系列的xc2s100e。

　　綜合工具生成網(wǎng)表文件后，就可以實現(xiàn)設(shè)計，實現(xiàn)的步驟有：轉(zhuǎn)換（將多個設(shè)計文件合并為一個網(wǎng)表），映射（將網(wǎng)表中的邏輯符號（門）整合到物理元件中），布局布線（將元件放到器件中，并將它們連接起來，同時提取出時序數(shù)據(jù)，并生成各種報告）。

4.2 綜合布線結(jié)果及分析

　　圖 4為資源利用結(jié)果圖表，由圖可見，slices的占用量為 722個，占該芯片 slices總數(shù)的 60％。slice registers的使用數(shù)量為 591個，占該芯片總數(shù)的 24％。4輸入查找表的使用總量是 915個，占該芯片查找表總數(shù)的 38％。

　　4.3 布線后仿真

　　本文中所舉出的測試均為布線后的仿真測試，該仿真的仿真延時文件包含的延時信息最全，不僅包含了門延時，還包含了實際布線延時，所以布局布線后仿真最準確，能夠較好的反映芯片的實際工作情況。

　　4.4測試結(jié)果及分析

　　上面已經(jīng)對各模塊的各種功能進行了很多測試，為了更好地驗證所設(shè)計的芯片在實際中使用的可靠性，我們有必要進行一次總體的測試，本次仿真測試共包括單片機 5次讀標志，4次提取數(shù)據(jù)，1

　　次發(fā)送數(shù)據(jù)。測試結(jié)果及分析如下圖 5g所示：

　　測試結(jié)果我們還可以看到：

　　1）芯片各收發(fā)器模塊可以同時工作

　　2）發(fā)送與接收可以同時進行

　　3）接收緩存正常，并且在接收數(shù)據(jù)不足 8字節(jié)超時后時會自動停止緩存，然后向芯片中斷管理模塊提出中斷請求

　　4）中斷信號能夠正常輸出

　　5）各收發(fā)器的中斷請求無遺漏

　　6）收發(fā)器模塊的數(shù)據(jù)被讀取完畢之后，中斷標志自動清除，芯片不再發(fā)出中斷請求信號。

　　5 結(jié) 論

　　本文設(shè)計了一種實現(xiàn)高效多串口單一中斷源的芯片。本設(shè)計的功能特點：在中斷管理方面，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(wù)；在數(shù)據(jù)傳送方面，實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并且按照數(shù)據(jù)傳送是否有奇偶校驗位分為兩種工作模式，在接收時具有數(shù)據(jù)緩存的功能。并且上述各個功能模塊在單一的可編程邏輯器件芯片就能實現(xiàn)。

　　上述整個過程設(shè)計均采用 VHDL編程實現(xiàn)，比以往電路手工設(shè)計的方法更加靈活，具有比較大的發(fā)展空間。文中分別利用 ModelSim和 ISE對程序進行仿真和綜合布線，在仿真平臺上驗證了設(shè)計的可行性，具有較好的應(yīng)用前景。

　　本文作者創(chuàng)新點：多串口單一中斷源的芯片，利用單一的中斷源來管理多個擴展串口，各個功能模塊在單一的可編程邏輯器件芯片就能實現(xiàn)。