基于FPGA的中斷控制器設(shè)計(jì)*

吳志勇，劉繼平，郭元興

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

在嵌入式系統(tǒng)中，CPU與外設(shè)交互數(shù)據(jù)主要有3種方式：查詢、中斷和DMA。查詢方式是由CPU周期性地執(zhí)行查詢指令來讀取外設(shè)的狀態(tài)寄存器，根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)來交互數(shù)據(jù)。這種方式效率低下，當(dāng)CPU連接的外設(shè)數(shù)量較多時(shí)，外設(shè)的數(shù)據(jù)無法得到實(shí)時(shí)處理。中斷和DMA方式克服了查詢方式的缺點(diǎn)，提高了CPU的效率和數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。其中，DMA方式同樣需要使用中斷機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

然而，CPU的中斷資源有限。當(dāng)系統(tǒng)中連接CPU的外設(shè)數(shù)量多于CPU的中斷管腳數(shù)量時(shí)，需要采取某種方式將多個(gè)外設(shè)的中斷信號(hào)進(jìn)行復(fù)用。采用Intel 8259A等芯片可以實(shí)現(xiàn)中斷信號(hào)的復(fù)用，但在使用前需要CPU對(duì)其進(jìn)行配置。然而，將32路中斷信號(hào)復(fù)用成1路中斷信號(hào)需要使用5片8259A芯片級(jí)聯(lián)，占用了較大的PCB板面積，也增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性[1-2]。

此外，部分CPU在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后或處于中斷屏蔽狀態(tài)時(shí)，無法通過中斷管腳繼續(xù)接收外設(shè)給入的中斷信號(hào)，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。

因此，設(shè)計(jì)一種適用于多外設(shè)系統(tǒng)，能夠?qū)⒍嗦分袛嘈盘?hào)復(fù)用且不受CPU中斷狀態(tài)影響的中斷控制器具有較高的實(shí)用價(jià)值。本文利用FPGA具有的研制周期短、設(shè)計(jì)成本低、設(shè)計(jì)靈活性高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的中斷控制器。

1 中斷的原理

中斷是指CPU在執(zhí)行當(dāng)前程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)某些異常事件或某種外部請(qǐng)求時(shí)，CPU暫時(shí)停止執(zhí)行當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行外設(shè)的服務(wù)程序。當(dāng)外設(shè)的服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，再返回被暫停執(zhí)行的程序處繼續(xù)執(zhí)行。CPU對(duì)中斷響應(yīng)的流程如圖1所示[3]。

圖1 CPU對(duì)中斷響應(yīng)的流程

CPU一般至少有一個(gè)中斷信號(hào)輸入管腳，在每條指令的最后一個(gè)機(jī)器周期對(duì)中斷管腳的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)中斷做出響應(yīng)。根據(jù)不同的觸發(fā)方式，中斷可以分為電平觸發(fā)中斷和邊沿觸發(fā)中斷。電平觸發(fā)方式用一段持續(xù)的高電平或低電平表示中斷請(qǐng)求，要求中斷請(qǐng)求信號(hào)要有足夠長(zhǎng)的保持時(shí)間，要保持到當(dāng)前指令的最后一個(gè)機(jī)器周期，以確保CPU采樣時(shí)中斷請(qǐng)求有效。邊沿觸發(fā)方式是以一個(gè)信號(hào)的上跳沿或下跳沿表示中斷請(qǐng)求，CPU對(duì)這個(gè)中斷請(qǐng)求進(jìn)行鎖存。

2 中斷控制器的設(shè)計(jì)

中斷控制器的作用是在有多個(gè)中斷源的系統(tǒng)中，可同時(shí)接受多個(gè)外部的中斷請(qǐng)求，進(jìn)行一定判別后，選中當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求送至CPU的中斷輸入端。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷并進(jìn)入中斷處理程序后，該控制器仍負(fù)責(zé)對(duì)外部中斷的管理[4]。

本文采用Verilog HDL語言，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)?2路中斷信號(hào)復(fù)用成1路中斷信號(hào)的控制器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 中斷控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中斷控制器主要包含了中斷信號(hào)計(jì)數(shù)模塊、中斷信號(hào)產(chǎn)生模塊和中斷信號(hào)清除模塊。INT_i[31:0]為32路外設(shè)產(chǎn)生的中斷信號(hào)，其中INT_i[0]的優(yōu)先級(jí)最高，INT_i[31]的優(yōu)先級(jí)最低。控制器輸出的中斷信號(hào)INT_o接CPU的中斷管腳，CPU通過mask信號(hào)來設(shè)置當(dāng)前中斷管腳是否處于中斷屏蔽狀態(tài)。如果CPU當(dāng)前處于中斷屏蔽狀態(tài)，INT_o將不會(huì)輸出有效中斷信號(hào)。CPU接收到INT_o中斷信號(hào)后，在中斷服務(wù)程序中需要讀取flag[4:0]標(biāo)志，以確定當(dāng)前中斷的中斷源。CPU在執(zhí)行完畢中斷服務(wù)程序后，需通過clear信號(hào)清除當(dāng)前中斷。中斷控制器能夠根據(jù)flag[4:0]的值來自動(dòng)確定需要清除的中斷源。

2.1 中斷信號(hào)計(jì)數(shù)模塊

中斷信號(hào)計(jì)數(shù)模塊主要由32個(gè)相同的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，將中斷信號(hào)INT_i進(jìn)行同步處理后輸入給計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器在有中斷信號(hào)INT輸入時(shí)執(zhí)行加計(jì)數(shù)，在清除中斷信號(hào)decrease到來時(shí)執(zhí)行減計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前中斷信號(hào)有效個(gè)數(shù)的鎖存。當(dāng)有效中斷信號(hào)個(gè)數(shù)大于0時(shí)，通過valid信號(hào)輸出高電平，其流程如圖3所示。

圖3 中斷信號(hào)計(jì)數(shù)器流程

2.2 中斷信號(hào)產(chǎn)生模塊

中斷信號(hào)產(chǎn)生模塊首先判斷mask信號(hào)是否有效，如果有效，表示CPU當(dāng)前正處于中斷屏蔽狀態(tài)，此時(shí)中斷信號(hào)產(chǎn)生模塊不應(yīng)該輸出中斷信號(hào)INT_o給CPU。當(dāng)mask信號(hào)無效時(shí)，進(jìn)一步判斷計(jì)數(shù)器模塊的輸出值valid[31:0]是否有效。只要valid[31:0]中的某個(gè)比特有效，說明有中斷源需要處理，中斷信號(hào)產(chǎn)生模塊則輸出中斷信號(hào)INT_o到CPU的中斷管腳，同時(shí)對(duì)valid[31:0]信號(hào)中有效位的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判決，將優(yōu)先級(jí)最高的輸入中斷信號(hào)INT_i對(duì)應(yīng)的編碼輸出到flag[4:0]總線上，以便CPU獲取當(dāng)前中斷信號(hào)對(duì)應(yīng)的中斷源。中斷信號(hào)產(chǎn)生模塊在中斷清除信號(hào)clear有效后回到初始狀態(tài)，其流程如圖4所示。

圖4 中斷信號(hào)產(chǎn)生模塊流程

2.3 中斷信號(hào)清除模塊

CPU在跳出中斷服務(wù)程序前需要通過clear信號(hào)清除當(dāng)前中斷，否則中斷信號(hào)產(chǎn)生模塊將一直處于等待clear信號(hào)有效的狀態(tài)，無法進(jìn)行下一個(gè)中斷源的處理。同時(shí)，中斷信號(hào)計(jì)數(shù)模塊也需要clear的有效信號(hào)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，以確保在當(dāng)前中斷源處理完畢后，中斷計(jì)數(shù)模塊中鎖存的值始終為尚未處理的中斷源個(gè)數(shù)。中斷信號(hào)清除模塊通過讀取flag[4:0]的值來獲取當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的中斷源，并產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)給中斷計(jì)數(shù)模塊，其流程如圖5所示。

圖5 中斷信號(hào)清除模塊流程

3 中斷控制器在多外設(shè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文在Xilinx的XC6SLX150T-3FGG676I FPGA上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的中斷控制器。在FPGA中，例化了32個(gè)模塊。這些模塊作為CPU的外設(shè)通過EMIF總線與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于各自內(nèi)部的FIFO中，每產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)，會(huì)給出一個(gè)中斷信號(hào)通知CPU讀取。只要各外設(shè)模塊產(chǎn)生的中斷信號(hào)不丟失，CPU就能夠正確讀取這些外設(shè)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀。多外設(shè)系統(tǒng)應(yīng)用的框圖如圖6所示。

在圖6的多外設(shè)系統(tǒng)應(yīng)用中，32個(gè)外設(shè)模塊產(chǎn)生的中斷信號(hào)通過中斷控制器復(fù)用成1路中斷信號(hào)輸出給CPU。它僅占用CPU的1個(gè)中斷輸入管腳，其余信號(hào)均占用的是資源相對(duì)較豐富的GPIO。當(dāng)CPU正在中斷服務(wù)程序中處理某個(gè)外設(shè)模塊的數(shù)據(jù)幀或者CPU正處于中斷屏蔽狀態(tài)時(shí)，中斷控制器能夠繼續(xù)接收外設(shè)模塊產(chǎn)生的中斷信號(hào)，然后計(jì)數(shù)并鎖存這些中斷信號(hào)，避免了由于中斷信號(hào)的丟失而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀的丟失，使得這些外設(shè)模塊能夠并發(fā)工作，提高了CPU和外設(shè)的工作效率。

經(jīng)過驗(yàn)證，CPU能夠正確接收FPGA中32個(gè)外設(shè)模塊并發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀，說明中斷控制器能夠正確工作，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖6 多外設(shè)系統(tǒng)應(yīng)用

4 結(jié) 語

針對(duì)多外設(shè)系統(tǒng)的中斷復(fù)用問題，本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)?2路中斷信號(hào)復(fù)用成1路中斷信號(hào)的中斷控制器，并在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，其具有如下特點(diǎn)：

（1）上電后可直接使用，無需CPU對(duì)該中斷控制器進(jìn)行配置；

（2）使用CPU的1個(gè)中斷輸入管腳及若干個(gè)GPIO，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)外設(shè)中斷信號(hào)的響應(yīng)，減少了對(duì)CPU中斷資源的占用；

（3）具備中斷信號(hào)鎖存功能，當(dāng)CPU進(jìn)入中斷服務(wù)程序中或正處于中斷屏蔽狀態(tài)時(shí)，中斷控制器能夠繼續(xù)接收外設(shè)的中斷信號(hào)并記錄這些中斷信號(hào)的個(gè)數(shù)，待CPU能夠接收中斷信號(hào)后，將鎖存的中斷信號(hào)繼續(xù)發(fā)送給CPU，避免了外設(shè)中斷信號(hào)的丟失；

（4）采用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)，當(dāng)需要復(fù)用更多路數(shù)的外設(shè)中斷信號(hào)時(shí)，僅需修改少量的代碼就可實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可將該中斷控制器封裝成IP核移植到多個(gè)FPGA平臺(tái)上，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。