航空航天,、工業(yè)控制、汽車電子和核電站建設(shè)等領(lǐng)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(guān)重要的作用，而傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核是將每個任務(wù)的堆?？臻g直接進(jìn)行最大化處理,，導(dǎo)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(wù)信息的快速保護(hù),。
    基于上述問題,，本文提出了一種堆棧空間結(jié)構(gòu),，設(shè)計了一款具有自動檢驗功能的?？臻g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(gòu)
    堆棧空間是按先進(jìn)后出(LIFO)原則分配的連續(xù)存儲器空間,，可以滿足保護(hù)任務(wù)切換信息和中斷響應(yīng)時保護(hù)處理器狀態(tài)和任務(wù)參數(shù)數(shù)據(jù)的需要[1],，且對每個任務(wù)分配一個單獨的任務(wù)棧和一個響應(yīng)系統(tǒng)中斷任務(wù)的中斷嵌套棧[2]。如圖1所示,，?？臻g劃分為n個任務(wù)棧和1個中斷嵌套棧。

    任務(wù)棧主要保護(hù)被切換任務(wù)的信息,。它存放的數(shù)據(jù)有：任務(wù)代碼首地址,、任務(wù)參數(shù),、任務(wù)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(wù)中各個函數(shù)的返回地址,。中斷嵌套棧存放被中斷任務(wù)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(wù)程序的局部變量,。
    在硬實時操作系統(tǒng)中,，當(dāng)發(fā)生中斷或中斷嵌套時，堆棧地址指針從任務(wù)棧切換到中斷嵌套棧,。當(dāng)所有的中斷服務(wù)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(wù)棧，繼續(xù)執(zhí)行該被中斷的任務(wù),。這種管理方式同以往操作系統(tǒng)采用被中斷任務(wù)的數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)任務(wù)堆棧的方法相比,，更有效節(jié)約了堆棧空間開銷[3,，4],。
2 棧空間管理器總體結(jié)構(gòu)
    為了節(jié)約RAM開銷,，從總體結(jié)構(gòu)上構(gòu)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(gòu)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(biāo)志產(chǎn)生邏輯、二進(jìn)制運算邏輯和標(biāo)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(biāo)志寄存器組中讀出當(dāng)前任務(wù)棧的使用量fcount信號值,，fcount信號值傳送至二進(jìn)制運算邏輯。在讀/寫控制信號有效的情況下,，二進(jìn)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(biāo)志寄存器的對應(yīng)fcount位中,。修改后的信號值也作為空/滿標(biāo)志產(chǎn)生邏輯的輸入信號，空/滿標(biāo)志產(chǎn)生邏輯生成Full/Empty標(biāo)志,，并把該標(biāo)志位寫回到標(biāo)志寄存器對應(yīng)位Full/Empty中,。其中標(biāo)志寄存器freg的結(jié)構(gòu)如圖3所示,，初始值為0000001000000000B。

    中斷判斷邏輯由輸入信號INT與標(biāo)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(yīng)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(dāng)前任務(wù)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?？臻g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?？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(shè)計
    為了快速,、有效地保護(hù)被切換任務(wù)的信息，并滿足自動檢驗功能的要求,，在?？臻g管理器設(shè)計中設(shè)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(gòu)工作過程的闡述，在Xilinx公司設(shè)計的XUP Virtex II Pro 系列的芯片上設(shè)計一個模擬?？臻g管理器,，模擬管理8個任務(wù)，任務(wù)棧的深度為64,，寬度為16 bit,，中斷嵌套棧的深度為128，寬度為16 bit,，容量為10 KB的堆?？臻g。在設(shè)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(guān)鍵,，該系統(tǒng)采用的是FPGA上一個18 KB的Block RAM資源,，使用ISE 8.2i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(yīng)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(shè)計
      由于狀態(tài)標(biāo)志寄存器的空/滿狀態(tài)標(biāo)志位決定?？臻g入棧/出棧操作,，所以如何設(shè)計空/滿狀態(tài)標(biāo)志位是關(guān)鍵。為了保護(hù)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(jìn)行push操作,；在空的狀態(tài)下,，不能進(jìn)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(shè)計時， prio_int信號驅(qū)動4個多路選擇器,，選擇對應(yīng)狀態(tài)標(biāo)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(yīng)的push_en/pop_en有效控制信號,，該控制信號決定棧空間是否執(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(jìn)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(biāo)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(yīng)的fcount位中；(3)作為Used輸出信號值,，表示當(dāng)前任務(wù)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(shè)計時，采用了對輸入信號的每一位進(jìn)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(shè)計中,，采用組合邏輯設(shè)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(shè)計
    堆棧地址指針SP決定了堆棧空間單元的數(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(hù)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(jìn)行操作，如圖5所示,。

    在地址產(chǎn)生邏輯設(shè)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(wù)，有9個堆棧地址寄存器,，分別為8個任務(wù)堆棧地址寄存器和1個中斷嵌套棧堆棧地址寄存器,。
    當(dāng)任務(wù)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(dāng)前任務(wù)的地址,，在設(shè)計的?？臻g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值作為棧空間的尋址地址,，讀出數(shù)據(jù),。操作完成后，改變后的SP值寫回到對應(yīng)的堆棧地址寄存器組Pregx中,。
4 仿真結(jié)果分析
    本?？臻g管理器容量為10 KB，寬度為16 bit,。在ISE 8.2i開發(fā)軟件中進(jìn)行了綜合和仿真,，設(shè)計中使用了294個Slices芯片、396個觸發(fā)器芯片,、274個input LUTs,、60個bounded IOBs、1個塊BRAMs,。
    仿真時,，輸入十進(jìn)制數(shù)的數(shù)據(jù)，圖6為系統(tǒng)時序仿真波形圖,。

    (1)當(dāng)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32 768,、57 908。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32 768、57 908,，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(wù)的優(yōu)先級prio,，按LIFO原則在任務(wù)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(dāng)前任務(wù)的used和ostcbstkptr信號值,。
    (2)當(dāng)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(dāng)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(shè)計的要求。
    本文分析了堆?？臻g結(jié)構(gòu)及對被切換任務(wù)相應(yīng)數(shù)據(jù)信息的保護(hù),，并對堆棧空間進(jìn)行了合理的結(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)用于硬實時操作系統(tǒng),，以提高操作系統(tǒng)的運行效率,。
參考文獻(xiàn)
[1] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)?滋C/OS-II[M]，第2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2003.
[2] 楊少軍,，李杭生.?滋C/OS-II任務(wù)棧處理的改進(jìn)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004(5)：73-74.
[3] 尹震宇,，趙海,，王金英，等.一種嵌入式處理器上的設(shè)計[J].計算機工程，2008(3)：268-270.
[4] 崔建華,，孫紅勝,，王保進(jìn).硬件實時操作系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008(5)：34-37.
[5] 田耘,，徐文波.Xilinx FPGA開發(fā)實用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2008.
[6] 張光建，劉政.基于樹結(jié)構(gòu)的?滋C/OS-II任務(wù)?？臻g計算方法及應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用,，2009，29(4)：1165-1167.