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)的堆棧空間直接進(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 堆棧空間結(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，棧空間劃分為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及自檢功能的棧空間管理器。棧空間管理器結(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 堆棧空間的入棧/出棧地址。執(zhí)行入棧時，在同步時鐘和入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 棧空間管理器設(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，在棧空間管理器設(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/出棧控制信號和Used信號，地址產(chǎn)生邏輯模塊主要生成有效的入棧/出棧地址。基于對棧空間管理器總體結(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)計一個模擬棧空間管理器，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的堆棧空間。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，可計算出棧空間深度和寬度，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)志位決定棧空間入棧/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。控制信號的產(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)計的棧空間管理器中，SP指向棧空間的下一個存儲單元的地址。如果入棧控制信號有效，則SP作為棧空間的尋址地址，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
    本棧空間管理器容量為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，該實驗驗證了棧空間管理器的正確性，符合系統(tǒng)設(shè)計的要求。
    本文分析了堆棧空間結(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)分配堆棧空間的時間，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(jī)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(jī)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)棧空間計算方法及應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用，2009，29(4)：1165-1167.