嵌入式系統(tǒng)高效多串口中斷源的實(shí)現(xiàn)

摘  要： 本文針對(duì)嵌入式系統(tǒng)精簡(jiǎn)特性，提出一種通過(guò)一個(gè)中斷源高效管理多個(gè)串行口，不但節(jié)省了系統(tǒng)資源，并且實(shí)現(xiàn)多個(gè)串行口中斷的無(wú)漏檢測(cè)與服務(wù)的有效方法。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；多串口；CPLD；中斷

近幾年來(lái)，隨著后PC時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統(tǒng)由于其簡(jiǎn)潔、高效等特點(diǎn)，得到了飛速發(fā)展，嵌入式技術(shù)目前已將各種計(jì)算機(jī)技術(shù)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(shè)計(jì)進(jìn)程，降低了開(kāi)發(fā)成本及其風(fēng)險(xiǎn)，使用簡(jiǎn)便，擴(kuò)展靈活，高效精簡(jiǎn)，可方便應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。
傳統(tǒng)方法中，擴(kuò)展多個(gè)串行口是利用多個(gè)中斷源。但在嵌入式系統(tǒng)中，花費(fèi)大量的中斷源來(lái)擴(kuò)展串口無(wú)疑是大量的資源浪費(fèi)。針對(duì)這種情況，為了節(jié)省緊張的系統(tǒng)資源，本文提出的實(shí)現(xiàn)高效多串口中斷源方案，可以利用單一的中斷源來(lái)管理多個(gè)擴(kuò)展串口，并保證多個(gè)串口中斷的無(wú)漏檢測(cè)與服務(wù)。

總體設(shè)計(jì)
方案的基本組成如圖1所示。RS-232串口通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片MAX202轉(zhuǎn)換成TTL電平，通過(guò)串口異步通信器件16C554輸出中斷請(qǐng)求，通過(guò)或門(mén)獲得多個(gè)串口的中斷請(qǐng)求INTREQ，再通過(guò)CPLD與中斷控制器相連接。中斷線INTREQ通過(guò)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(qǐng)求INTREQ和INTEN的狀態(tài)來(lái)最終生成DLY_IRQ，向CPU發(fā)出請(qǐng)求。CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)中斷請(qǐng)求DLY_IRQ，在中斷服務(wù)過(guò)程中，CPU按順序逐個(gè)檢查多個(gè)擴(kuò)展的串口中斷源，有中斷請(qǐng)求的就給予服務(wù)。
在剛剛檢查過(guò)的中斷又出現(xiàn)時(shí)，一方面靠CPLD中的一位寄存器INTREQ鎖存；另一方面,當(dāng)上一中斷服務(wù)完畢時(shí)，CPLD中的8位狀態(tài)機(jī)保證了一定時(shí)間的延遲，此延時(shí)中，中斷控制把堆棧內(nèi)容返回給CPU寄存器，恢復(fù)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(yīng)。這樣，即使在多個(gè)串口中斷密集發(fā)生的環(huán)境下，擴(kuò)展的多個(gè)串行口仍可獲得實(shí)時(shí)性和可靠性較高的中斷響應(yīng)。

圖1  原理結(jié)構(gòu)圖


圖2  CPLD中一位寄存器INTEN原理圖


圖3  中斷響應(yīng)的時(shí)序


圖4  中斷控制寄存器的狀態(tài)設(shè)置


硬件實(shí)現(xiàn)
MAX202
MAXIM公司的MAX202芯片為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平轉(zhuǎn)換器，符合RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)，功耗低，集成度高，只用單一5V電源，每片有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)接收器，具有兩組接收和發(fā)送通道，全部接口電路簡(jiǎn)單，可靠性高，實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-232電平的直接轉(zhuǎn)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(gè)改良16C550異步傳輸器件，使得串行I/O更加可靠，每個(gè)信道實(shí)現(xiàn)串行和并行兩種連接方式的轉(zhuǎn)換，每個(gè)信道的狀態(tài)可以通過(guò)CPU的操作讀取，可以獲取操作情況或任何的錯(cuò)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(dòng)能力，優(yōu)先級(jí)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(jí)向量中斷，具有八條中斷請(qǐng)求輸入線IRQ0~IRQ7，一條外中斷請(qǐng)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(jí)、特定屏蔽和程序查詢(xún)方式。同時(shí)，它還有4種從屬工作方式，即結(jié)束中斷，讀狀態(tài)，中斷請(qǐng)求觸發(fā)和數(shù)據(jù)緩沖方式。這些工作方式可以通過(guò)初始化命令字寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用全嵌套方式時(shí)，芯片初始化后不必設(shè)置操作命令字，中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)是固定的，0級(jí)最高，7級(jí)最低，接受的8個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)為邊沿觸發(fā)，設(shè)定0級(jí)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)中斷號(hào)為8，直至7級(jí)請(qǐng)求中斷號(hào)為0FH。
單片工作時(shí)，實(shí)際使用020H和021H兩個(gè)端口。經(jīng)過(guò)中斷優(yōu)先級(jí)分析器選中的當(dāng)前請(qǐng)求的中斷優(yōu)先級(jí)，其相應(yīng)的中斷服務(wù)寄存器ISR位被置1，一直保持到中斷服務(wù)程序在返回前發(fā)中斷結(jié)束命令為止。在ISR置位期間，禁止同級(jí)或較低級(jí)的中斷響應(yīng)，開(kāi)放較高級(jí)的中斷請(qǐng)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(yīng)不斷擴(kuò)展或開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品以及一個(gè)硬件平臺(tái)上多個(gè)品種的實(shí)現(xiàn)。使用可編程邏輯器件CPLD有利于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行后可能遇到的系統(tǒng)修改、調(diào)試、升級(jí)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(shè)計(jì)。
(1)在CPLD中設(shè)計(jì)一位寄存器INTEN原理圖如圖2所示：地址總線A對(duì)應(yīng)INTEN的口地址，數(shù)據(jù)線D[0]對(duì)應(yīng)INTEN的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在L#的上升沿鎖定。
(2)在CPLD中設(shè)計(jì)一個(gè)8位狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)由XCLK驅(qū)動(dòng)，XCLK通過(guò)分頻生成100Khz時(shí)鐘，即Dt=10ms。

設(shè)計(jì)構(gòu)思
在CPLD中做一個(gè)一位寄存器Reg，稱(chēng)為INTEN中斷允許，由一個(gè)8位狀態(tài)機(jī)根據(jù)16C554的中斷請(qǐng)求線產(chǎn)生的INTREQ及INTEN狀態(tài)來(lái)最終生成DLY_IRQ。
(1)INTREQ為n個(gè)中斷的或：
INTREQ=IRQ0+IRQ1+...+IRQn
(2)CPU對(duì)INTEN只寫(xiě)，操作過(guò)程分三步：
第一步：中斷安裝后設(shè)置INTEN=1；
第二步：進(jìn)入中斷服務(wù)程序后CPU設(shè)置INTEN=0；
第三步：退出中斷服務(wù)程序的最后指令：
//INTEN_PORT為INTEN的口地址
(3)中斷響應(yīng)的時(shí)序如圖3所示。
在ISR置位期，有中斷請(qǐng)求INTREQ產(chǎn)生時(shí)，此時(shí)如果觸發(fā)了中斷，則會(huì)使上次中斷服務(wù)無(wú)法完成，因而造成中斷丟失。因此我們?cè)贗SR置位期間，將中斷允許INTEN設(shè)置為0，防止其他中斷請(qǐng)求觸發(fā)中斷，并用INTREQ鎖存未被響應(yīng)的中斷請(qǐng)求。退出中斷服務(wù)后，將中斷允許INTEN設(shè)置為1，保證其他中斷請(qǐng)求能夠被響應(yīng)，并延遲以確保此次中斷服務(wù)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(jī)的轉(zhuǎn)換)。
在退出中斷時(shí)，將INTEN設(shè)置為1，從狀態(tài)S3轉(zhuǎn)換到狀態(tài)S0，時(shí)間上延遲了5Dt=50ms，確保當(dāng)前中斷完全退出。INTREQ鎖存中斷請(qǐng)求，以確保下一中斷能獲得響應(yīng)。

軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序時(shí)，注意中斷服務(wù)程序必須具備自我保護(hù)能力，并能訪問(wèn)到所有當(dāng)前段基址和堆棧指針，接管中斷向量前要關(guān)中斷，在中斷程序入口處要立即開(kāi)中斷，以允許較高級(jí)的中斷產(chǎn)生，中斷程序執(zhí)行IRET指令前，應(yīng)向中斷控制器發(fā)出結(jié)束中斷命令EOI。在安裝中斷時(shí)，將INTEN設(shè)置為1，在中斷服務(wù)中輪流檢查多個(gè)串口，如果有中斷服務(wù)產(chǎn)生則將INTEN設(shè)置為0，退出中斷服務(wù)的時(shí)候?qū)NTEN設(shè)置為1。

結(jié)語(yǔ)
本文提出的多串口中斷源的實(shí)現(xiàn)方案，大大節(jié)省了資源，確保了中斷請(qǐng)求的無(wú)漏檢測(cè)和服務(wù)，并有效解決了多個(gè)串口共享同一中斷源時(shí)所造成的沖突和丟失等問(wèn)題?！?

參考文獻(xiàn)
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(jī)接口控制教程．北京：清華大學(xué)大學(xué)出版社，1992