基于FPGA的栈空间管理器的研究和设计

文章摘要：3 栈空间管理器设计为了快速、有效地保护被切换任务的信息，并满足自动检验功能的要求，在栈空间管理器设计中设计了2个逻辑模块，分别为状态控制逻辑模块和地址产生逻辑模块。状态控制逻辑模块主要生成入栈/出栈控制信号和Used信号，地址产生逻辑模块主要生成有效的入栈/出栈地址。基于对栈空间管理器总体结构工作过程的阐述，在Xilinx公司设计的XUP Virtex II Pro 系列的芯片上设计一个模拟栈空间管理器，模拟管理8个任务，任务栈的深度为64，宽度为16 bit，中断嵌套栈的深度为128，宽度为16 bit，容量为10 KB的堆栈空间。在设计管理器中，保证管理器快速综合，使占用FPGA的资源尽

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　　3 栈空间管理器设计

　　为了快速、有效地保护被切换任务的信息，并满足自动检验功能的要求，在栈空间管理器设计中设计了2个逻辑模块，分别为状态控制逻辑模块和地址产生逻辑模块。状态控制逻辑模块主要生成入栈/出栈控制信号和Used信号，地址产生逻辑模块主要生成有效的入栈/出栈地址。基于对栈空间管理器总体结构工作过程的阐述，在Xilinx公司设计的XUP Virtex II Pro 系列的芯片上设计一个模拟栈空间管理器，模拟管理8个任务，任务栈的深度为64，宽度为16 bit，中断嵌套栈的深度为128，宽度为16 bit，容量为10 KB的堆栈空间。在设计管理器中，保证管理器快速综合，使占用FPGA的资源尽可能少，存储单元的选择是关键，该系统采用的是FPGA上一个18 KB的Block RAM资源，使用ISE 8.2i提供的双端口RAM存储模块的 IP核。如果选择其他方法，如用触发器和寄存器搭建存储单元，则综合时间长，且占用大量FPGA的 Slices资源。

　　在实际嵌入式系统应用中，根据系统要求，可计算出栈空间深度和宽度，具体的深度和宽度在VHDL代码中修改即可。

　　3.1 状态控制逻辑模块设计

　　由于状态标志寄存器的空/满状态标志位决定栈空间入栈/出栈操作，所以如何设计空/满状态标志位是关键。为了保护的数据能正确入栈与出栈，防止存储器出现向上溢出或向下溢出，保证在满的情况下，不能进行push操作；在空的状态下，不能进行pop操作。控制信号的产生过程如图4所示。

　　在状态控制逻辑模块设计时， prio_int信号驱动4个多路选择器，选择对应状态标志寄存器组中的各位段，分别有full信号值、empty信号值、fcount信号值和intNesting信号值。 empty/full信号和push/pop信号作为组合逻辑输入信号产生相应的push_en/pop_en有效控制信号，该控制信号决定栈空间是否执行入栈/出栈操作。

　　在push_en/pop_en控制信号有效的情况下，驱动二进制运算逻辑加/减1,输出运算结果。输出的信号值有3个用途：(1)作为空/满标志状态产生逻辑的输入信号，该信号逻辑产生empty/full信号；(2)写回到fregx对应的fcount位中；(3)作为Used输出信号值，表示当前任务栈或中断嵌套栈的使用情况。

　　在产生empty、full信号逻辑模块设计时，采用了对输入信号的每一位进行组合逻辑判断的方法，使该信号分两路，一路作为与门组合逻辑的输入信号产生full信号。如果输入信号的每一位都为1， 则full信号置1，其他情况置0；另一路作为或门非组合逻辑的输入信号产生empty信号。如果输入信号的每一位都为0， 则empty置1，其他情况置0。在整个逻辑模块设计中，采用组合逻辑设计，目的是缩短工作时延，提高系统工作频率。

　　3.2 地址产生逻辑模块设计

　　堆栈地址指针SP决定了堆栈空间单元的数据正确入栈和出栈，堆栈地址指针SP的获得在于如何驱动读/写逻辑模块和中断栈模块。为了确保被保护数据的有效性和实时性，防止出现不确定状态，须在时序同步的状态下，对数据进行操作，如图5所示。

　　在地址产生逻辑设计时，先对堆栈地址寄存器组赋初值，该模拟系统管理8个任务，有9个堆栈地址寄存器，分别为8个任务堆栈地址寄存器和1个中断嵌套栈堆栈地址寄存器。

　　当任务优先级Prio信号和中断使能int_en信号同时驱动多路选择器时，堆栈地址指针SP从堆栈地址寄存器组中选择存放在Pregx中的当前任务的地址，在设计的栈空间管理器中，SP指向栈空间的下一个存储单元的地址。如果入栈控制信号有效，则SP作为栈空间的寻址地址，写入数据，SP加1；如果出栈控制信号有效，则SP减1，改变后的SP值作为栈空间的寻址地址，读出数据。操作完成后，改变后的SP值写回到对应的堆栈地址寄存器组Pregx中。

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