1 \documentclass[12pt,a4paper,titlepage,oneside]{article}
2 %\documentclass[12pt,a4paper,titlepage,oneside]{report}
4 \usepackage{ProtocolHeader}
9 %\chapter %for use with report class
13 Es ist ein einfacher Taschenrechner, der die Grundrechnungsarten Addition, Subtraktion,
14 Multiplikation und Division beherrscht, auf einem FPGA Board zu realisieren. Dabei soll als Eingabegerät eine PS/2
15 Tastatur beziehungsweise als Ausgabegerät ein VGA Monitor dienen. Als zusätzliches Feature soll eine
16 History eingebaut werden, sodass vergangene Berechnungen angezeigt werden
17 können. Außerdem besteht die Möglichkeit diese History per RS232-Schnittstelle zu
20 \section{Requirement Spezifikation}
24 \req{Der Taschenrechner soll eine Eingabe bestehend aus den Ziffern '0'-'9', Leerzeichen ' ', '+', '-', '*' und '/' ausrechnen können}
26 \req{Der Syntax für so eine Eingabe - eine \textbf{Expression} - sieht folgendermaßen aus:
28 DIGIT = '0' \textbar '1' \textbar '2' \textbar '3' \textbar '4' \textbar '5' \textbar '6' \textbar '7' \textbar '8' \textbar '9' ;
30 UNSIGNED = DIGIT \{ DIGIT \} ;
32 OPERAND = ['-'] UNSIGNED ;
34 OPERATOR = '+' \textbar '-' \textbar '*' \textbar '/' ;
36 EXPRESSION = OPERAND \{ OPERATOR OPERAND \} ;
39 \req{Bei der Auswertung der Ausdr\"ucke soll Punkt- vor Strichrechnung gelten}
41 \req{Die Zahlen m\"uessen im Zahlenbereich eines signed long liegen ($-2^{31}$ bis $2^{31}-1$)}
43 \req{Die Eingabe soll aus bis zu 70 Zeichen bestehen}
45 \req{Die Eingabe erfolgt über eine PS/2-Tastatur. 'Enter' schließt die Eingabe ab und es soll
46 anschlie\ss{}end das Ergebnis berechnet werden. 'Backspace' löscht das zuletzt eingegebene
47 Zeichen im Eingabebuffer}
51 \req{Die Anzeige der Ein- und Ausgaben erfolgt über einen VGA Monitor}
53 \req{Es wird pro Zeile eine Eingabe oder Ausgabe angezeigt. Die aktuelle Eingabezeile wandert nach
54 unten, dar\"uber befindet sich das Ergebnis der vorigen Rechnung, dar\"uber die Eingabe der
55 vorigen Rechnung usw.\\
56 Aufgrund der physikalischen Beschr\"ankung sollen so insgesamt bis zu 14 Ein- und Ausgaben
57 und die aktuelle Eingabezeile angezeigt werden k\"onnen. }
61 \req{Die letzten 50 Ein- und Ausgaben werden als History im Speicher gehalten}
63 \req{Die History soll über RS232, auf Anfrage vom PC oder bei Betätigen eines Buttons am Development Board, zum PC gesendet werden}
66 \section{High-Level Design Description}
69 \includegraphics[width=\textwidth]{Architektur.png}
71 \caption{Die Architektur des Taschenrechners}
75 In Abbildung \ref{fig:arch} ist der Aufbau des Taschenrechners zu sehen. Der Taschenrechner besteht aus folgenden Modulen:
78 \item \textbf{VGA} - Zeichenweises Ansprechen des Monitors
79 \item \textbf{Display} - Liest einzelne Zeichen aus der History aus und leitet diese an das VGA Modul weiter, um sie in der entsprechenden Zeile anzeigen zu lassen
80 \item \textbf{RS232} - Senden und Empfangen von Daten vom/zum PC über die serielle Schnittstelle % TODO. baudrate? kodierung? (8N1?)
81 \item \textbf{PC-Kommunikation} - Auf eine vom PC eintreffende Bufferübermittlungsanforderung oder ein Drücken des entsprechenden Board-Buttons, liest es Zeichen für Zeichen aus dem History Modul aus und leitet es an das RS232 Modul weiter
82 \item \textbf{PS/2} - Empfangen von Keyboard-Eingaben als Scancodes
83 \item \textbf{Scanner} - Empfängt die Scan-Codes vom PS/2 Modul und leitet nur für die Eingabezeile
84 erlaubte Zeichen dekodiert in das CP850 Format an die History weiter. Bei einem empfangenen
85 Enter wird der Beginn der Berechnung an das Parser Modul signalisiert
86 \item \textbf{Parser} - Wertet die Eingabezeile der History aus und liefert als Antwort entweder
87 einen Fehler zurück oder gibt die einzelnen Berechnungen von je zwei Zahlen an die ALU weiter.
88 Die vom History Modul ausgelesenen Dezimalstellen werden intern umgerechnet.
89 Das Endergebnis wird wieder in einzelne Charakter umgerechnet und in der History gespeichert
90 \item \textbf{ALU} - Führt die tatsächlichen Berechnungen von Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division durch
91 \item \textbf{History} - Verwaltung des dahinterliegenden Buffers von vergangenen Berechnungen und
92 der aktuellen Eingabezeile. Bei Aktualisierung der aktuellen Eingabezeile und bei Empfang eines
93 Ergebnisses vom Parser Modul signalisiert es das Display Modul
98 \subsection{Logische und physikalische Interfaces}
102 vga\_clk & in & 1 & std\_logic & PLL & VGA-Clock \ZE
103 vga\_res\_n & in & 1 & std\_logic & PLL & VGA-Reset \ZE
105 vsync\_n & out & 1 & std\_logic & Bildschirm & Vertikale Synchronisation\ZE
106 hsync\_n & out & 1 & std\_logic & Bildschirm & Horizontale Synchronisation\ZE
108 r & out & 3 & std\_logic\_vector & Bildschirm & Ausgabe der Farbe Rot \ZE
109 g & out & 3 & std\_logic\_vector & Bildschirm & Ausgabe der Farbe Gr\"un \ZE
110 b & out & 2 & std\_logic\_vector & Bildschirm & Ausgabe der Farbe Blau \ZE
112 command & in & 8 & std\_logic\_vector & Display & Kommando an das VGA Modul \ZE
113 command\_data & in & 32 & std\_logic\_vector & Display & Daten f\"ur das Kommando \ZE
114 free & out & 1 & std\_logic & Display & signalisiert Bereitschaft \ZE
118 \subsubsection{Display}
120 new\_eingabe & in & 1 & std\_logic & History & Aufforderung der History die aktuelle Eingabe
122 new\_result & in & 1 & std\_logic & History & Aufforderung der History das aktuelle Ergebnis
124 zeile & out & 5 & std\_logic\_vector & History & Zeilenadressierung ($2 * 15$ Zeilen $=30$) \ZE
125 spalte & out & 7 & std\_logic\_vector & History & Spaltenadressierung (71 Zeichen inklusive \textbackslash 0) \ZE
126 get & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Speicheranforderung \ZE
127 done & in & 1 & std\_logic & History & signalisiert dass Daten anliegen \ZE
128 char & in & 8 & character & History & enth\"alt angeforderne Daten \ZE
130 command & out & 8 & std\_logic\_vector & VGA & Kommando an das VGA Modul \ZE
131 command\_data & out & 32 & std\_logic\_vector & VGA & Daten f\"ur das Kommando \ZE
132 free & in & 1 & std\_logic & VGA & signalisiert Bereitschaft \ZE
136 \subsubsection{RS232}
138 rxd & in & 1 & std\_logic & PC & Sendeleitung der seriellen \"Ubertragung \ZE
139 txd & out & 1 & std\_logic & PC & Empfangsleitung der seriellen \"Ubertragung \ZE
141 rx\_data & out & 8 & std\_logic\_vector & PC-Kommunikation & Datenfeld f\"ur das Empfangen \ZE
142 rx\_new & out & 1 & std\_logic & PC-Kommunikation & signalisiert ein neu empfangendes Byte \ZE
144 tx\_data & out & 8 & std\_logic\_vector & PC-Kommunikation & Datenfeld f\"ur das \"Ubertragen \ZE
145 tx\_new & out & 1 & std\_logic & PC-Kommunikation & signalisiert dass das anliegende Byte gesendet werden soll \ZE
149 \subsubsection{PC-Kommunikation}
151 btn\emph{A} & in & 1 & std\_logic & externer Button & zum Triggern der RS232
152 Kommunikation (low-aktiv) \ZE
154 rx\_data & in & 8 & std\_logic\_vector & RS232 & Datenfeld f\"ur das Empfangen \ZE
155 rx\_new & in & 1 & std\_logic & RS232 & signalisiert ein neu empfangendes Byte \ZE
156 tx\_data & in & 8 & std\_logic\_vector & RS232 & Datenfeld f\"ur das \"Ubertragen \ZE
157 tx\_new & in & 1 & std\_logic & RS232 & signalisiert dass das anliegende Byte gesendet werden soll \ZE
159 zeile & out & 7 & std\_logic\_vector & History & Zeilenadressierung (50 * 2 Zeilen = 100)\ZE
160 spalte & out & 7 & std\_logic\_vector & History & Spaltenadressierung (71 Zeichen inklusive \textbackslash 0) \ZE
161 get & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Speicheranforderung \ZE
162 done & in & 1 & std\_logic & History & signalisiert dass Daten anliegen \ZE
163 char & in & 8 & character & History & enth\"alt angeforderne Daten \ZE
170 new\_data & out & 1 & std\_logic\_vector & Scanner & signalisiert neuen Scancode \ZE
171 data & out & 8 & std\_logic\_vector & Scanner & Scancode laut Codepage 850 \ZE
173 ps2\_clk & inout & 1 & std\_logic & Tastatur & Clockleitung zum Keyboard \ZE
174 ps2\_data & inout & 1 & std\_logic & Tastatur & Datenleitung zum Keyboard \ZE
178 \subsubsection{Scanner}
180 new\_data & in & 1 & std\_logic\_vector & PS/2 & signalisiert neuen Scancode \ZE
181 data & in & 8 & std\_logic\_vector & PS/2 & Scancode laut Codepage 850 \ZE
183 char & out & 8 & character & History & Zeichen das vom History Modul \"ubernommen werden soll \ZE
184 take & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Datenfeld char \ZE
185 done & in & 1 & std\_logic & History & signalisiert die \"Ubernahme der Daten \ZE
186 backspace & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Backspace (letztes Zeichen im Buffer soll gel\"oscht werden) \ZE
188 do\_it & out & 1 & std\_logic & Parser & Auswertung beginnen (ENTER) \ZE
189 finished & in & 1 & std\_logic & Parser & Auswertung fertig \ZE
193 \subsubsection{Parser}
195 h\_rw & out & 1 & std\_logic & History & 0 = read (Expression), 1 = write (Ergebnis) \ZE
196 h\_spalte & out & 7 & std\_logic\_vector & History & Spaltenadressierung (71 Zeichen inklusive \textbackslash 0) \ZE
197 h\_rget & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Leseanforderung \ZE
198 h\_rdone & in & 1 & std\_logic & History & signalisiert dass Daten anliegen \ZE
199 h\_read & out & 8 & character & History & enth\"alt angeforderne Daten \ZE
201 h\_wtake & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Schreibanforderung \ZE
202 h\_wdone & in & 1 & std\_logic & History & signalisiert dass Daten anliegen \ZE
203 h\_write & in & 8 & character & History & enth\"alt zu schreibende Daten \ZE
205 h\_finished & out & 1 & std\_logic & History & Auswertung fertig \ZE
207 opcode & out & 3 & enum OPS & ALU & die auszuf\"uhrende Art der Berechnung \ZE
208 op1 & out & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & erste Operand \ZE
209 op2 & out & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & zweite Operand \ZE
210 op3 & in & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & Zieloperand \ZE
211 do\_calc & out & 1 & std\_logic & ALU & signalisert Berechnungsart \ZE
212 calc\_done & in & 1 & std\_logic & ALU & Berechnung fertig \ZE
213 error & in & 1 & std\_logic & ALU & Berechnung war fehlerhaft \ZE
215 do\_it & in & 1 & std\_logic & Scanner & Auswertung beginnen (ENTER) \ZE
216 finished & out & 1 & std\_logic & Scanner & Auswertung fertig \ZE
222 opcode & in & 3 & enum OPS & Parser & die auszuf\"uhrende Art der Berechnung \ZE
223 op1 & in & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & Parser & erste Operand \ZE
224 op2 & in & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & zweite Operand \ZE
225 op3 & out & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & Zieloperand \ZE
226 do\_calc & in & 1 & std\_logic & Parser & signalisert Berechnungsart \ZE
227 calc\_done & out & 1 & std\_logic & Parser & Berechnung fertig \ZE
228 error & out & 1 & std\_logic & Parser & Berechnung war fehlerhaft \ZE
232 \subsubsection{History}
234 pc\_zeile & in & 7 & std\_logic\_vector & PC-Kommunikation & Zeilenadressierung (50 * 2 Zeilen = 100)\ZE
235 pc\_spalte & in & 7 & std\_logic\_vector & PC-Kommunikation & Spaltenadressierung (71 Zeichen inklusive \textbackslash 0) \ZE
236 pc\_get & in & 1 & std\_logic & PC-Kommunikation & signalisiert Speicheranforderung \ZE
237 pc\_done & out & 1 & std\_logic & PC-Kommunikation & signalisiert dass Daten anliegen \ZE
238 pc\_char & out & 8 & character & PC-Kommunikation & enth\"alt angeforderne Daten \ZE
240 s\_char & in & 8 & character & Scanner & Zeichen das vom Scanner Modul \"ubernommen werden soll \ZE
241 s\_take & in & 1 & std\_logic & Scanner & signalisiert Datenfeld char \ZE
242 s\_done & out & 1 & std\_logic & Scanner & signalisiert die \"Ubernahme der Daten \ZE
243 s\_backspace & in & 1 & std\_logic & Scanner & signalisiert Backspace (letztes Zeichen im Buffer soll gel\"oscht werden) \ZE
245 d\_new\_eingabe & out & 1 & std\_logic & Display & fordert Display auf die Eingabe auszulesen \ZE
246 d\_new\_result & out & 1 & std\_logic & Display & fordert Display auf das Ergebnis auszulesen \ZE
247 d\_zeile & in & 5 & std\_logic\_vector & Display & Zeilenadressierung ($2 * 15$ Zeilen $=30$) \ZE
248 d\_spalte & in & 7 & std\_logic\_vector & Display & Spaltenadressierung (71 Zeichen inklusive \textbackslash 0) \ZE
249 d\_get & in & 1 & std\_logic & Display & signalisiert Speicheranforderung \ZE
250 d\_done & out & 1 & std\_logic & Display & signalisiert dass Daten anliegen \ZE
251 d\_char & out & 8 & character & Display & enth\"alt angeforderte Daten \ZE
253 p\_rw & in & 1 & std\_logic & Parser & 0 = read (Expression), 1 = write (Ergebnis) \ZE
254 p\_spalte & in & 7 & std\_logic\_vector & Parser & Spaltenadressierung (71 Zeichen inklusive \textbackslash 0) \ZE
255 p\_rget & in & 1 & std\_logic & Parser & signalisiert Leseanforderung \ZE
256 p\_rdone & out & 1 & std\_logic & Parser & signalisiert dass Daten anliegen \ZE
257 p\_read & in & 8 & character & Parser & enth\"alt angeforderte Daten \ZE
259 p\_wtake & in & 1 & std\_logic & Parser & signalisiert Schreibanforderung \ZE
260 p\_wdone & out & 1 & std\_logic & Parser & signalisiert dass Daten anliegen \ZE
261 p\_write & out & 8 & character & Parser & enth\"alt zu schreibende Daten \ZE
263 p\_finished & in & 1 & std\_logic & Parser & Auswertung fertig \ZE
268 \subsection{Verhalten der Interfaces}
269 \paragraph{Erlaubte Keyboard-Eingaben}
271 Als erlaubte Eingabetasten werden die Ziffern \emph{`0'} bis \emph{`9'} am Numpad, die Zeichen
272 \emph{`/'}, \emph{`*'}, \emph{`-'} und \emph{`+'} am Numpad, die beiden Enter-Tasten und die Backspace-Taste akzeptiert. Dabei wird auf jede gedrückte Taste nur einmal reagiert. Alle anderen Tasten auf der Tastatur werden ignoriert.
273 %warum nur numpad? weil / und * dann über eine shift-kombination erreicht werden müssen und die scancode-behandlung würd ich mir nicht antun wollen
274 %ob numlock gedrückt ist oder nicht sollt egal sein - ändert die scancodes nicht AFAIK
275 %wird auf eine taste wirklich nur einmal reagiert wenn man z.B. die 0 hält und CTRL drückt und wieder los lässt?
277 Während eine Berechnung durchgeführt wird, sind die Tastatureingaben wirkungslos.
279 %wie wärs mit einem easter egg...
281 \paragraph{Over- und Underflows}
282 Tritt ein Over- bzw. Underflow während der Berechnung auf -- entweder in einem Zwischenergebnis, oder im
283 Endergebnis -- dann wird der Fehlerstring ``ERROR'' in der Ergebniszeile ausgegeben.
284 %TODO aufwendigere fehlermeldung? zb "ERROR: OVERFLOW"
286 \paragraph{Fehlerhafte Eingaben}
287 Entspricht eine zu berechnende Eingabezeile nicht dem Format der Grammatik aus
288 dem Requirement Req. 2, so wird der Fehlerstring ``ERROR'' in der Ergebniszeile
290 %TODO aufwendigere fehlermeldung? zb "ERROR: FEHLERHAFTE EINGABE"
292 Liegt der Wert eines Zahlen-Literals außerhalb dem Wertebereich eines Signed Long, dann wird der
293 Fehlerstring ``ERROR'' am Bildschirm ausgegeben.
294 %TODO aufwendigere fehlermeldung? zb "ERROR: ZAHL ZU GROSS"
296 \paragraph{Bildschirm-Layout}
297 Die erste Berechnung nach dem Reset f\"angt links oben an. Die Eingabezeile wandert nach der Eingabe
298 von Berechnungen ``runter'', d.h. \"uber der aktuellen Eingabezeile befinden sich die Ein- bzw.
299 Ausgaben der vergangenen Berechnungen.
300 Wird das Ende des Bildschirms erreicht, so wird automatisch weitergescrollt (entsprechend
301 verschwinden dann vergangene Berechnungen inkl. Ergebnisse vom Bildschirm).
302 %TODO vielleicht in entsprechend ähnlichem requirement etwas abstrakter werden wie in der angabe
304 Die Eingabezeile wird ebenso dargestellt wie die Eingabe erfolgt ist (Leerzeichen werden dargestellt), von der ersten Textspalte bis zur 70.
305 %TODO vielleicht vor jede zeile präfix "IN3: " / "OUT3: "?
307 Alle Textausgaben sind in weißer Schrift dargestellt.
309 \paragraph{Fehlermeldungen}
310 Fehlermeldungen werden als Strings wie ein korrektes Ergebnis in die entsprechende Ausgabezeile geschrieben.
312 Fehlerhafte Eingaben und Fehlermeldungen werden ebenso am Bildschirm dargestellt wie korrekte. Bei
313 Abfrage der History \"uber RS232 werden daher auch fehlerhafte Ein- und Ausgaben dazugez\"ahlt.
316 Bei Drücken des Buttons \emph{A} wird eine einmalige Übertragung des History-Inhalts über
317 die RS232-Schnittstelle veranlasst.
318 Der Taster wird sowohl beim Drücken, als auch beim Loslassen entprellt mit einer Entprellzeit von 100ms.
321 Die Kommunikation über RS232 erfolgt über 8N1-Codierung ohne Handshake.
323 Bei Senden des Zeichens \emph{` \textbackslash n'} vom PC an den FPGA über die RS232 Schnittstelle wird
324 eine einmalige Übertragung des History-Inhalts über die RS232-Schnittstelle veranlasst, ebenso wie
325 beim Drücken des Buttons \emph{A}.
326 %oder doch ein anderes zeichen?
328 Der History Inhalt wird im ASCII Format über die RS232 Schnittstelle an den PC gesendet. Dabei wird
329 mit der 1. Eingabe begonnen, dann die 1. Ausgabe, die 2. Eingabe usw. Die aktuelle Eingabezeile
330 wird NICHT mit übertragen. Die Ein- und Ausgabezeilen werden nur bis zum letzten erlaubten
331 Eingabe- bzw. Ausgabezeichen gesendet. Nach jeder Zeile folgt ein \emph{` \textbackslash n'} Zeichen.
333 \subsection{Testf\"alle}
334 \tcc{$9*55*-6+3000/2-1-1-1*50\text{\textasciicircum B}00 = -1972 $}
335 Erf\"ullt \textbf{Req 1, 2, 3, 6}
337 \tcc{$9---2 \Rightarrow$ Err}
338 Erf\"ullt \textbf{Req 2}
340 \tcc{$-2147483648 + 1 = -2147483647$}
341 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
343 \tcc{$-2147483649 + 1 \Rightarrow$ Err}
344 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
346 \tcc{$2147483647 - 1 = 2147483646$}
347 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
349 \tcc{$2147483644 + 100 \Rightarrow$ Err}
350 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
352 \tcc{$-2147483643 - 100 \Rightarrow$ err}
353 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
355 \tcc{$1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 2 +2 + 2 + 1
356 \Rightarrow$ ab dem ersten `2'er soll die Eingabe verweigert werden (man beachte die Leerzeichen)}
357 Erf\"ullt \textbf{Req 5}
359 \tcc{Es sollen 20 Rechnungen eingegeben werden (ob g\"ultig oder nicht spielt dabei keine Rolle).
360 Ab der 15. Berechnung soll ein Scrollen des Bildschirms festgestellt werden k\"onnen.}
361 Erf\"ullt \textbf{Req 7, 8}
363 \tcc{Es sollen 52 Berechnungen der Art $i + i\text{<ENTER>}$ eingegeben werden, wobei $i$ der
364 aktuellen Berechnung entspricht. Danach soll eine RS232 \"Ubertragung (einmal per Button und einmal
365 per PC) in Gang gesetzt werden. Am PC sollen nur die letzten 50 Berechnungen ersichtlich sein.}
366 Erf\"ullt \textbf{Req 9, 10}
368 \section{Detailed Design Description}
370 siehe \textit{hwmod\_ipcores.pdf}
374 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/display.pdf}
376 \caption{Statemachine zum Anzeigen der Daten}
381 \item \textbf{idle}: In diesem Zustand wird die lokale Variable \emph{s}, die der Spaltenberechnung
382 dient, zur\"uckgesetzt.
383 \item \textbf{addr\_eingabe}: Das Modul weiss nun, dass eine neue Eingabe vorliegt, es wird daher
384 aufgefordert jenige zu aktualisieren. Daf\"ur wird nun die passende Zeile berechnet (mit Hilfe der
386 \item \textbf{addr\_ergebnis}: In diesem Zustand weiss das Modul, dass ein neues Resultat vorliegt,
387 es muss sich also nun die Zeilennummer mit Hilfe der internen Variable \emph{z} berechnen.
388 \item \textbf{read/put}: Hier wird Zeichen f\"ur Zeichen das von der berechneten Zeilen vom
389 History Modul angefordert und per VGA Modul auf den Bildschirm ausgegeben. F\"ur den Fall dass nicht
390 die vollen 71 Zeichen in der entsprechenden Zeile enthalten sind\footnote{ein String wird mit
391 \emph{` \textbackslash 0'} abgeschlossen}, wird der Rest der Zeile am Bildschirm mit dem Leerzeichen
392 \emph{` '} ausgef\"ullt.
396 Es soll eine Baudrate von 115200 bauds und die 8N1 Codierung (8bit Daten, keine Parity und ein
397 Stopbit) verwendet werden. Da das FPGA Design um ein Vielfaches schneller als 115200Hz \footnote{
398 n\"amlich $33.33$MHz} ist muss bei der Implementierung zus\"atzlich ein Taktgeber f\"ur das RS232
399 Modul implementiert werden um BT zu erzeugen\footnote{BT steht dabei f\"ur
400 BitTime}. Das soll mit einem Taktteiler realisiert werden. Ausserdem ist zu
401 beachten, dass das LSB zuerst geschickt wird.
404 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/rs232-rs.pdf}
406 \caption{Statemachine des RS232 Modules zum Empfangen von Daten}
410 \item \textbf{idle}: Die lokale Variable \emph{bc} wird zur\"uckgesetzt.
411 \item \textbf{read startbit}: Eine fallende Flanke auf \emph{rxd} signalisiert dass eine
412 Byte\"ubertragung beginnt.
413 \item \textbf{read}: In diesem State werden die Datenbits nacheinander \"uber \emph{rxd} empfangen.
414 \item \textbf{read stopbit}: Um das Ende einer Byte\"ubertragung zu signalisieren wird \emph{rxd}
415 auf high gesetzt. Dadurch weiss das RS232 Modul Bescheid, dass die Byte\"ubertragung zu Ende ist und
416 kann dem PC-Kommunikation Modul signalisieren, dass ein Byte vollst\"andig empfangen wurde.
421 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/rs232-ts.pdf}
423 \caption{Statemachine des RS232 Modules zum Senden von Daten}
427 \item \textbf{idle}: Die lokale Variable \emph{bc} wird zur\"uckgesetzt.
428 \item \textbf{write startbit}: Um eine \"Ubertragung in Gang zu setzen muss \emph{txd} auf low
430 \item \textbf{write}: In diesem State werden die Datenbits nacheinander an \emph{txd} angelegt.
431 \item \textbf{write stopbit}: Um das Ende einer Byte\"ubertragung zu signalisieren muss \emph{txd}
432 auf high gesetzt werden.
436 \subsection{PC-Kommunikation}
438 \includegraphics[width=0.7\textwidth]{sm/pckomm.pdf}
440 \caption{Statemachine f\"ur das Modul PC-Kommunikation}
445 \item \textbf{idle}: Die internen Variablen \emph{z} und \emph{s} werden zur\"uck gesetzt. \emph{z}
446 wird als Zeilencounter verwendet und \emph{s} als Spaltencounter, da der interne Speicher nach und
447 nach vollst\"andig auf der seriellen Schnittstelle ausgegeben werden soll.
448 \item \textbf{nzeile}: Dieser Zustand wird erreicht wenn die Ausgabe auf die RS232 Schnittstelle
449 entweder durch den Button oder durch ein empfangen von einem Byte getriggert wird.
450 \item \textbf{rwbyte}: Es wird das Byte an der Stelle \emph{z}/\emph{s} ausgelesen und danach an das
451 RS232 Modul weitergegeben und zum PC \"ubertragen. Ist die \"Ubertragung abgeschlossen, wird der
452 Spaltencounter erh\"oht.
457 siehe \textit{hwmod\_ipcores.pdf}
461 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/scanner.pdf}
463 \caption{Statemachine zum Scannen des Inputs der PS/2 Schnittstelle}
468 \item \textbf{idle}: Setzt alle Steuersignale \emph{backspace}, \emph{take} und \emph{do\_it} low.
469 \item \textbf{read}: Bei steigender Flanke auf \emph{new\_data} wird das anliegende Byte des
470 PS/2-Modules \"ubernommen. Je nach Wert wird in den n\"achsten Zustand gewechselt.
471 \item \textbf{enter}: Wurde die Entertaste gedr\"uckt wird der Parser getriggert
472 (per Signal \emph{do\_it}). Der Scanner befindet sich so lange in diesem Zustand
473 bis der Parser das Ergebnis berechnet hat.
474 \item \textbf{l\"oschen}: Teilt dem History Modul mit das letzte Zeichen im
475 Buffer zu l\"oschen (per Signal \emph{backspace}).
476 \item \textbf{mod}: Da wir nur Zeichen des Numpads \"ubernehmen wollen, ist
477 dieser Zwischenzustand n\"otig, da Scancodes vom Numpad einen Modifier
478 mitschicken (\emph{0xe0}).
479 \item \textbf{\"ubernehmen}: Wenn ein g\"ultiges Zeichen laut Requirements
480 eingegeben wurde, wird jenes Zeichen an \emph{char} angelegt und \emph{take}
481 wird auf high gesetzt. Das History Modul wird dadurch getriggert um das Zeichen
482 in den Buffer zu \"ubernehmen.
488 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/parser.pdf}
490 \caption{Statemachine zum Parsen der aktuellen Expression}
510 if(aktop in ['+','-','\0']) {
513 while(calc_done == 0);
515 alu(ADD, punkt, strich);
518 else if (aktop in ['*','/']) {
528 if(aktop in ['+','-','\0']) {
531 else if (aktop in ['*','/']) {
538 \item \textbf{idle}: Das Modul ist unt\"atig und wartet auf eine steigende Flanke von \emph{do\_it}.
540 \item \textbf{read char}: Lokale Variablen werden zur\"uckgesetzt und das n\"achste Zeichen wird vom
541 History Modul angefordert.
543 \item \textbf{sign}: Ggf. wird das Vorzeichen auf '-' gesetzt.
545 \item \textbf{int}: Zeichen f\"ur Zeichen wird eingelesen und die Zahl wird daraus berechnet.
547 \item \textbf{calc}: Punkt- und Strichrechnungen m\"ussen getrennt behandelt werden, daher ergibt
548 sich dieses Konstrukt im Codebeispiel.
550 \item \textbf{null}: Sonderbehandlung ist n\"otig wenn die Expression mit '\textbackslash 0'
553 \item \textbf{done}: In diesem Zustand wird das Ergebnis das sich je nach \emph{opp} in
554 \emph{strich} oder \emph{punkt} befindet als String in den Ergebnisbuffer des History Modules
555 geschrieben. Danach wird \emph{finished} auf high gesetzt.
557 \item \textbf{error}: Zwecks \"Ubersichtlichkeit wurden die Transitionen zu diesem Zustand
558 vernachl\"assigt. Dieser Zustand wird erreicht sobald ein Grammatikfehler oder ein Fehler der ALU
559 auftritt. Es wird der String ``Error'' in den Ergebnisbuffer geschrieben und
560 \emph{finished} wird auf high gesetzt.
566 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/alu.pdf}
568 \caption{Statemachine der ALU}
571 %TODO: eventuell zweierkomplement statt SUB?
572 Folgende Opcodes werden von uns als \emph{enum} definiert:
574 NOP, SUB, ADD, MUL, DIV, DONE
576 wobei NOP und DONE von der ALU nicht bearbeitet werden sollen.
578 In jedem State wird die entsprechende Berechnungsart durchgef\"uhrt und danach der Abschluss der
579 Berechnung mit \emph{calc\_done} signalisiert. Wichtig zu beachten ist dabei, dass sich die
580 Rechenoperationen in der Ausf\"uhrungszeit unterscheiden k\"onnen. Ausserdem
581 k\"onnen in jedem Berechnungszustand Fehler (Over- bzw. Underflow und Division
582 durch Null) auftreten die mit dem Signal \emph{error} angezeigt werden.
585 Dieses Modul stellt die zentrale Speicherstelle f\"ur die verschiedenen Module da.
586 Die Idee ist dabei, dass intern ein RAM-Block mit mindestens der Gr\"o\ss{}e
587 \mbox{$(50\cdot2) \cdot (71) = 710$} Bytes verwaltet wird.
589 Das History Modul kann \"uber die angelegten Leitungen \emph{s\_take}, \emph{p\_rget},
590 \emph{p\_wdo}, \emph{pc\_get} bzw. \emph{d\_get} feststellen welches Modul\footnote{die
591 betreffenden Module sind: Scanner, Parser, PC-Kommunikation und Display} eine Speicheranfrage
593 Der Zugriff der externen Module erfolgt priorisiert:
595 Scanner > Parser > PC-Kommunikation > Display
598 Weiters ist zu beachten, dass das History Modul f\"ur den Scanner und Parser intern einen Index
599 mit speichern muss, der die Adresse der aktuellen Eingabe mitf\"uhrt. Mit Hilfe dieses Indexes plus
600 der Spaltenadressierung der Module kann die tats\"achliche Adresse f\"ur den internen RAM-Block
603 Ist das History Modul mit der Speicheranfrage fertig, wird das andere Modul \"uber die entsprechende
604 \emph{done}-Leitung benachrichtigt. Wurde das Signal vom entsprechenden
605 \emph{*\_\{get,take,do\}}-Signal quittiert kann der n\"achste Request
608 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
613 %howto include src files
614 %\subsection{einfache Variante -- generierter Sourcecode}
615 %\label{att:einfachsrc}
616 %\lstinputlisting{../einfach/einfach.src}
617 %\lstinputlisting[firstnumber=24, firstline=24, lastline=34]{bla.src} %firstnumber shouldn't be necessary, but there is probably a bug