一種高效多串口單一中斷源的芯片設(shè)計(jì)

　　1概述

　　隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中 51系列的單片機(jī)以價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)始終占據(jù)著很大一塊市場(chǎng)。但是，單片機(jī)串行口的數(shù)量通常都不多，比如 8051單片機(jī)只有一個(gè)串行口，實(shí)際使用往往要進(jìn)行串行口的拓展。傳統(tǒng)方法擴(kuò)展多個(gè)串行口是利用多個(gè)中斷源，而在嵌入式系統(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)。

　　為更好地利用原有的資源去拓展串口，本設(shè)計(jì)利用單一中斷源去拓展多個(gè)串行口，設(shè)計(jì)一個(gè)多串口單一中斷源的芯片。該芯片能配合單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫及傳送，并且能保證多個(gè)串口中斷的無(wú)遺漏檢測(cè)與服務(wù)。下一步，還將對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列嚴(yán)格的仿真和仿真結(jié)果分析。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　2.1芯片設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)是將幾個(gè)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(gè)中斷源向單片機(jī)提出中斷請(qǐng)求，再結(jié)合單片機(jī)的讀寫操作選擇查詢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)收發(fā)器有數(shù)據(jù)時(shí)就進(jìn)行相應(yīng)的操作；在發(fā)送方面，則由單片機(jī)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(gè)模塊，上層模塊負(fù)責(zé)處理模塊的調(diào)用、模塊間的信號(hào)連接和控制向外傳送數(shù)據(jù)或標(biāo)志位，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1。　

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

　　中斷管理模塊：儲(chǔ)存并管理各個(gè)收發(fā)器模塊的標(biāo)志位，如果某收發(fā)器有中斷請(qǐng)求則定時(shí)向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)。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(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，最多可以緩存 8個(gè)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(shí)將地址保存起來(lái)。此模塊已放到頂層模塊里。

　　2.2 芯片與單片機(jī)連接

　　芯片設(shè)計(jì)的目的是為拓展單片機(jī)串口，所以如何與單片機(jī)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(jì)的芯片，只標(biāo)明了跟單片機(jī)相連的引腳及一個(gè)收發(fā)器模塊的輸入輸出引腳）。

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

　　3.1 頂層模塊

頂層模塊在各模塊設(shè)計(jì)之前作為統(tǒng)籌規(guī)劃整個(gè)程序，是設(shè)計(jì)過(guò)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(biāo)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(lái)使編程更加容易，論文中還設(shè)計(jì)了一個(gè)標(biāo)志寄存器rd_check_counter，在不同的操作來(lái)時(shí)，它的值不同。

　　中斷控制模塊要完成置標(biāo)志位，定時(shí)輸出中斷信號(hào)和向單片機(jī)傳送標(biāo)志位信息等功能。模塊接收端有中斷請(qǐng)求到來(lái)，中斷控制模塊即將相應(yīng)收發(fā)器的標(biāo)志位置 1，在數(shù)據(jù)被讀取之后，又立刻將標(biāo)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(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)串轉(zhuǎn)并，儲(chǔ)存到寄存器里等待單片機(jī)的讀取。在發(fā)送方面，收發(fā)器將單片機(jī)數(shù)據(jù)總線送過(guò)來(lái)的并行數(shù)據(jù)串行輸出。

　　數(shù)據(jù)接收時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(dòng)計(jì)數(shù)器，當(dāng)過(guò)一段時(shí)間還沒(méi)有新的數(shù)據(jù)存入時(shí)，收發(fā)器即可以向中斷控制模塊提出中斷請(qǐng)求并且等待單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，收發(fā)器接收到單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)起來(lái)，在串行數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備準(zhǔn)備好的情況（txrdy為 1）下再進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并發(fā)送，無(wú)論接收還是發(fā)送串行數(shù)據(jù)都是通過(guò)外部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)控制的。

　　3.4地址寄存器模塊 .

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

　　3.5芯片端口

　　上述幾個(gè)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(hào)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(lái)選擇。2、ale：地址鎖存允許信號(hào)輸入引腳，與單片機(jī)的 ale相連，在 ale下降沿的時(shí)候?qū)⒌刂返?8位鎖存到地址鎖存模塊。3、clk：時(shí)鐘信號(hào)輸入引腳，時(shí)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(hào)輸入引腳，低電平有效。

　　5、rd，wr：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(hào)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(jī)的奇偶校驗(yàn)標(biāo)志信號(hào)輸出引腳。

　　9、rdfull：數(shù)據(jù)緩沖器標(biāo)志信號(hào)輸出引腳，該信號(hào)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(gè)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(jī)讀取整個(gè)過(guò)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(shí)表明芯片已沒(méi)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(jìn)行發(fā)送控制輸入端，輸入為‘1’表示可以進(jìn)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(jī) 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(jì)綜合及實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)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(guò)程將把軟件設(shè)計(jì)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(jì)綜合時(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的步驟有：轉(zhuǎn)換（將多個(gè)設(shè)計(jì)文件合并為一個(gè)網(wǎng)表），映射（將網(wǎng)表中的邏輯符號(hào)（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(lái)，同時(shí)提取出時(shí)序數(shù)據(jù)，并生成各種報(bào)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(jiàn)，slices的占用量為 722個(gè)，占該芯片 slices總數(shù)的 60％。slice registers的使用數(shù)量為 591個(gè)，占該芯片總數(shù)的 24％。4輸入查找表的使用總量是 915個(gè)，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(cè)試均為布線后的仿真測(cè)試，該仿真的仿真延時(shí)文件包含的延時(shí)信息最全，不僅包含了門延時(shí)，還包含了實(shí)際布線延時(shí)，所以布局布線后仿真最準(zhǔn)確，能夠較好的反映芯片的實(shí)際工作情況。

　　4.4測(cè)試結(jié)果及分析

　　上面已經(jīng)對(duì)各模塊的各種功能進(jìn)行了很多測(cè)試，為了更好地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的芯片在實(shí)際中使用的可靠性，我們有必要進(jìn)行一次總體的測(cè)試，本次仿真測(cè)試共包括單片機(jī) 5次讀標(biāo)志，4次提取數(shù)據(jù)，1

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

　　測(cè)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(shí)工作

　　2）發(fā)送與接收可以同時(shí)進(jìn)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(shí)后時(shí)會(huì)自動(dòng)停止緩存，然后向芯片中斷管理模塊提出中斷請(qǐng)求

　　4）中斷信號(hào)能夠正常輸出

　　5）各收發(fā)器的中斷請(qǐng)求無(wú)遺漏

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

　　5 結(jié) 論

　　本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)高效多串口單一中斷源的芯片。本設(shè)計(jì)的功能特點(diǎn)：在中斷管理方面，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)；在數(shù)據(jù)傳送方面，實(shí)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(yàn)位分為兩種工作模式，在接收時(shí)具有數(shù)據(jù)緩存的功能。并且上述各個(gè)功能模塊在單一的可編程邏輯器件芯片就能實(shí)現(xiàn)。

　　上述整個(gè)過(guò)程設(shè)計(jì)均采用 VHDL編程實(shí)現(xiàn)，比以往電路手工設(shè)計(jì)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(duì)程序進(jìn)行仿真和綜合布線，在仿真平臺(tái)上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，具有較好的應(yīng)用前景。

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