摘  要： 本文針對嵌入式系統精簡特性，提出一種通過一個中斷源高效管理多個串行口，不但節省了系統資源，并且實現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；多串口；CPLD；中斷

近幾年來，隨著后PC時代的來臨，嵌入式系統由于其簡潔、高效等特點，得到了飛速發展，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，可方便應用于工業各個領域。
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，本文提出的實現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。
在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，恢復系統狀態，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。

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設置


硬件實現
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，每片有兩個驅動器和兩個接收器，具有兩組接收和發送通道，全部接口電路簡單，可靠性高，實現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，傳輸和接收前將數據緩沖為16字節數據包，減少了CPU的中斷數量。包含四個改良16C550異步傳輸器件，使得串行I/O更加可靠，每個信道實現串行和并行兩種連接方式的轉換，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。
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、循環優先級、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，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。
CPLD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一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可能遇到的系統修改、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，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。
(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產生時，此時如果觸發了中斷，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如圖4所示(描述8位狀態機的轉換)。
在退出中斷時，將INTEN設置為1，從狀態S3轉換到狀態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生，中斷程序執行IRET指令前，應向中斷控制器發出結束中斷命令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，如果有中斷服務產生則將INTEN設置為0，退出中斷服務的時候將INTEN設置為1。

結語
本文提出的多串口中斷源的實現方案，大大節省了資源，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