一種基于FPGA的棧空間管理器的研究和設(shè)計

　　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。
　　
　　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)
　　
　　堆棧空間是按先進后出(LIFO)原則分配的連續(xù)存儲器空間，可以滿足保護任務(wù)切換信息和中斷響應(yīng)時保護處理器狀態(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?？臻g開銷[3，4]。