航空航天、工業(yè)控制、汽車電子和核電站建設等領域的高速發(fā)展，對嵌入式操作系統(tǒng)實時性的要求越來越高。同時，由于FPGA的集成度和速度的不斷提高，使嵌入式操作系統(tǒng)硬件化實現(xiàn)成為發(fā)展趨勢。硬實時操作系統(tǒng)中的堆棧管理對系統(tǒng)的實時性和可靠性起著至關重要的作用，而傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核是將每個任務的堆棧空間直接進行最大化處理，導致大量存儲空間浪費，另外采用通用RAM尋址方式也不能滿足對被切換任務信息的快速保護。

基于上述問題，本文提出了一種堆?？臻g結(jié)構，設計了一款具有自動檢驗功能的棧空間管理器，并在Xilinx公司的集成開發(fā)環(huán)境FPGA系統(tǒng)上實現(xiàn)。

1 堆?？臻g結(jié)構

堆?？臻g是按先進后出（LIFO）原則分配的連續(xù)存儲器空間，可以滿足保護任務切換信息和中斷響應時保護處理器狀態(tài)和任務參數(shù)數(shù)據(jù)的需要，且對每個任務分配一個單獨的任務棧和一個響應系統(tǒng)中斷任務的中斷嵌套棧。如圖1所示，?？臻g劃分為n個任務棧和1個中斷嵌套棧。

任務棧主要保護被切換任務的信息。它存放的數(shù)據(jù)有：任務代碼首地址、任務參數(shù)、任務中定義的局部變量、被調(diào)用函數(shù)的參數(shù)和局部變量及任務中各個函數(shù)的返回地址。中斷嵌套棧存放被中斷任務的數(shù)據(jù)，包括發(fā)生中斷時需要保存的上下文、中斷嵌套時需要保存的上下文和中斷服務程序的局部變量。

在硬實時操作系統(tǒng)中，當發(fā)生中斷或中斷嵌套時，堆棧地址指針從任務棧切換到中斷嵌套棧。當所有的中斷服務程序全部執(zhí)行完成后，堆棧地址指針從中斷嵌套棧切換到任務棧，繼續(xù)執(zhí)行該被中斷的任務。這種管理方式同以往操作系統(tǒng)采用被中斷任務的數(shù)據(jù)保存到相應任務堆棧的方法相比，更有效節(jié)約了堆?？臻g開銷。

2 ?？臻g管理器總體結(jié)構

為了節(jié)約RAM開銷，從總體結(jié)構上構建了一款具有LIFO及自檢功能的?？臻g管理器。?？臻g管理器結(jié)構包括一個雙端口存儲單元、狀態(tài)控制邏輯模塊、地址產(chǎn)生邏輯模塊、中斷判斷邏輯。其中狀態(tài)控制邏輯模塊由空/滿標志產(chǎn)生邏輯、二進制運算邏輯和標志寄存器組3部分組成；地址產(chǎn)生邏輯模塊由讀/寫地址邏輯、中斷棧邏輯和地址寄存器組3部分組成。

由圖2可知，狀態(tài)控制邏輯模塊的工作過程為：從標志寄存器組中讀出當前任務棧的使用量fcount信號值，fcount信號值傳送至二進制運算邏輯。在讀/寫控制信號有效的情況下，二進制運算邏輯有效，修改fcount信號值，修改后的值作為USED的輸出值，同時寫回到標志寄存器的對應fcount位中。修改后的信號值也作為空/滿標志產(chǎn)生邏輯的輸入信號，空/滿標志產(chǎn)生邏輯生成Full/Empty標志，并把該標志位寫回到標志寄存器對應位Full/Empty中。其中標志寄存器freg的結(jié)構如圖3所示，初始值為0000001000000000B。

中斷判斷邏輯由輸入信號INT與標志寄存器位IntNesting值決定是否有效。如果有中斷發(fā)生，則中斷棧邏輯有效，中斷棧邏輯生成讀/寫地址，否則讀/寫地址邏輯有效，生成相應的讀/寫地址。

在讀/寫控制信號有效的情況下，從堆棧地址寄存器組中讀出當前任務的地址，經(jīng)過讀/寫地址邏輯或中斷棧邏輯產(chǎn)生堆棧地址指針，作為HOS堆棧空間的入棧/出棧地址。執(zhí)行入棧時，在同步時鐘和入?？刂菩盘栍行У那闆r下，中斷判斷邏輯判斷是否存在中斷或中斷嵌套，如果沒有，則由寫地址邏輯生成入棧地址；否則由中斷棧邏輯生成寫地址。同理，執(zhí)行出棧時，在同步時鐘和出棧控制信號有效的情況下，中斷判斷邏輯判斷是否存在中斷或中斷嵌套，如果沒有，則讀地址邏輯生成出棧地址；否則中斷棧邏輯生成出棧地址。

3 ?？臻g管理器設計

為了快速、有效地保護被切換任務的信息，并滿足自動檢驗功能的要求，在?？臻g管理器設計中設計了2個邏輯模塊，分別為狀態(tài)控制邏輯模塊和地址產(chǎn)生邏輯模塊。狀態(tài)控制邏輯模塊主要生成入棧/出?？刂菩盘柡蚒sed信號，地址產(chǎn)生邏輯模塊主要生成有效的入棧/出棧地址?；趯？臻g管理器總體結(jié)構工作過程的闡述，在Xilinx公司設計的XUPVirtexIIPro系列的芯片上設計一個模擬?？臻g管理器，模擬管理8個任務，任務棧的深度為64，寬度為16bit，中斷嵌套棧的深度為128，寬度為16bit，容量為10KB的堆?？臻g。在設計管理器中，保證管理器快速綜合，使占用FPGA的資源盡可能少，存儲單元的選擇是關鍵，該系統(tǒng)采用的是FPGA上一個18KB的BlockRAM資源，使用ISE8.2i提供的雙端口RAM存儲模塊的IP核。如果選擇其他方法，如用觸發(fā)器和寄存器搭建存儲單元，則綜合時間長，且占用大量FPGA的Slices資源。

在實際嵌入式系統(tǒng)應用中，根據(jù)系統(tǒng)要求，可計算出?？臻g深度和寬度，具體的深度和寬度在VHDL代碼中修改即可。

3.1狀態(tài)控制邏輯模塊設計

由于狀態(tài)標志寄存器的空/滿狀態(tài)標志位決定棧空間入棧/出棧操作，所以如何設計空/滿狀態(tài)標志位是關鍵。為了保護的數(shù)據(jù)能正確入棧與出棧，防止存儲器出現(xiàn)向上溢出或向下溢出，保證在滿的情況下，不能進行push操作；在空的狀態(tài)下，不能進行pop操作?？刂菩盘柕漠a(chǎn)生過程如圖4所示。

在狀態(tài)控制邏輯模塊設計時，prio_int信號驅(qū)動4個多路選擇器，選擇對應狀態(tài)標志寄存器組中的各位段，分別有full信號值、empty信號值、fcount信號值和intNesting信號值。empty/full信號和push/pop信號作為組合邏輯輸入信號產(chǎn)生相應的push_en/pop_en有效控制信號，該控制信號決定?？臻g是否執(zhí)行入棧/出棧操作。

在push_en/pop_en控制信號有效的情況下，驅(qū)動二進制運算邏輯加/減1，輸出運算結(jié)果。輸出的信號值有3個用途：（1）作為空/滿標志狀態(tài)產(chǎn)生邏輯的輸入信號，該信號邏輯產(chǎn)生empty/full信號；（2）寫回到fregx對應的fcount位中；（3）作為Used輸出信號值，表示當前任務棧或中斷嵌套棧的使用情況。

在產(chǎn)生empty、full信號邏輯模塊設計時，采用了對輸入信號的每一位進行組合邏輯判斷的方法，使該信號分兩路，一路作為與門組合邏輯的輸入信號產(chǎn)生full信號。如果輸入信號的每一位都為1，則full信號置1，其他情況置0；另一路作為或門非組合邏輯的輸入信號產(chǎn)生empty信號。如果輸入信號的每一位都為0，則empty置1，其他情況置0。在整個邏輯模塊設計中，采用組合邏輯設計，目的是縮短工作時延，提高系統(tǒng)工作頻率。

3.2地址產(chǎn)生邏輯模塊設計

堆棧地址指針SP決定了堆?？臻g單元的數(shù)據(jù)正確入棧和出棧，堆棧地址指針SP的獲得在于如何驅(qū)動讀/寫邏輯模塊和中斷棧模塊。為了確保被保護數(shù)據(jù)的有效性和實時性，防止出現(xiàn)不確定狀態(tài)，須在時序同步的狀態(tài)下，對數(shù)據(jù)進行操作，如圖5所示。

在地址產(chǎn)生邏輯設計時，先對堆棧地址寄存器組賦初值，該模擬系統(tǒng)管理8個任務，有9個堆棧地址寄存器，分別為8個任務堆棧地址寄存器和1個中斷嵌套棧堆棧地址寄存器。

當任務優(yōu)先級Prio信號和中斷使能int_en信號同時驅(qū)動多路選擇器時，堆棧地址指針SP從堆棧地址寄存器組中選擇存放在Pregx中的當前任務的地址，在設計的棧空間管理器中，SP指向?？臻g的下一個存儲單元的地址。如果入棧控制信號有效，則SP作為?？臻g的尋址地址，寫入數(shù)據(jù)，SP加1；如果出棧控制信號有效，則SP減1，改變后的SP值作為?？臻g的尋址地址，讀出數(shù)據(jù)。操作完成后，改變后的SP值寫回到對應的堆棧地址寄存器組Pregx中。

4 仿真結(jié)果分析

本棧空間管理器容量為10KB，寬度為16bit。在ISE8.2i開發(fā)軟件中進行了綜合和仿真，設計中使用了294個Slices芯片、396個觸發(fā)器芯片、274個inputLUTs、60個boundedIOBs、1個塊BRAMs。

仿真時，輸入十進制數(shù)的數(shù)據(jù)，圖6為系統(tǒng)時序仿真波形圖。

（1）當INT無效時，即系統(tǒng)中不存在中斷或中斷嵌套。在push有效的情況下，置prio信號值為2，data_in信號值分別為32768、57908。仿真時，輸出結(jié)果為：used信號值分別為1、2，而ostcbstkptr信號值分別為128、129；同理，在pop有效情況下，置prio信號值為2，觀察仿真結(jié)果為：dout_out信號值分別為32768、57908，used的信號值分別為1、0，ostcbstkptr信號值分別為129、128。由此可得，在無中斷處理的條件下，根據(jù)任務的優(yōu)先級prio，按LIFO原則在任務棧中寫入和讀出數(shù)據(jù)，并且每次的有效操作同時修改當前任務的used和ostcbstkptr信號值。

（2）當INT有效時，即系統(tǒng)中產(chǎn)生中斷或存在中斷嵌套。在push有效的情況下，置prio信號值為6及data_in信號值為8192，觀察仿真結(jié)果為：used信號值依次為1、2、3、4，ostcbstkptr信號值依次為576、577、578、579；同理，在pop有效情況下，置prio為6，此時的仿真結(jié)果：data_out信號值為8192，used信號值依次輸出4、3、2、1，ostcbstkptr信號值依次輸出579、578、577、576。由此可得，當系統(tǒng)中產(chǎn)生中斷或存在中斷嵌套，按LIFO原則在中斷嵌套棧中寫入和讀出數(shù)據(jù)，并且每次有效操作同時修改中斷嵌套棧的used和ostcbstkptr的值。

由以上結(jié)果分析可知，該實驗驗證了?？臻g管理器的正確性，符合系統(tǒng)設計的要求。

本文分析了堆?？臻g結(jié)構及對被切換任務相應數(shù)據(jù)信息的保護，并對堆?？臻g進行了合理的結(jié)構劃分。實驗數(shù)據(jù)表明了該系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。棧空間管理器能有效節(jié)約硬實時操作系統(tǒng)分配堆?？臻g的時間，減少RAM存儲空間。從硬件角度上看，簡化了設計，降低了成本，具有一定的使用價值。目前只在實驗平臺上仿真，下一步擬將棧空間管理器的IP核應用于硬實時操作系統(tǒng)，以提高操作系統(tǒng)的運行效率。