基于FPGA的棧空間管理器的研究和設(shè)計

　　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?？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(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?？臻g的尋址地址，寫入數(shù)據(jù)，SP加1；如果出?？刂菩盘栍行?，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(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?？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?？臻g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?？臻g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(yùn)行效率。