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
117 \subsubsection{Display}
119 d\_new\_eingabe & in & 1 & std\_logic & History &die aktuelle Eingabe ist zu aktualisieren \ZE
120 d\_new\_result & in & 1 & std\_logic & History & das Ergebnis ist zu aktualisieren \ZE
121 d\_zeile & out & 5 & std\_logic\_vector & History & Zeilenadressierung ($2 \cdot 15$ Zeilen $=30$) \ZE
122 d\_spalte & out & 7 & std\_logic\_vector & History & Spaltenadressierung (71
123 Zeichen inkl. \textbackslash 0) \ZE
124 d\_get & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Speicheranforderung \ZE
125 d\_done & in & 1 & std\_logic & History & Daten liegen an \ZE
126 d\_char & in & 8 & character & History & enth\"alt angeforderne Daten \ZE
128 command & out & 8 & std\_logic\_vector & VGA & Kommando an das VGA Modul \ZE
129 command\_data & out & 32 & std\_logic\_vector & VGA & Daten f\"ur das Kommando \ZE
130 free & in & 1 & std\_logic & VGA & signalisiert Bereitschaft \ZE
133 \subsubsection{RS232}
135 rxd & in & 1 & std\_logic & PC & Sendeleitung der seriellen \"Ubertragung \ZE
136 txd & out & 1 & std\_logic & PC & Empfangsleitung der seriellen \"Ubertragung \ZE
138 rx\_data & out & 8 & std\_logic\_vector & PC-Komm. & Datenfeld f\"ur das Empfangen \ZE
139 rx\_new & out & 1 & std\_logic & PC-Komm. & signalisiert ein neu empfangendes Byte \ZE
141 tx\_data & out & 8 & std\_logic\_vector & PC-Komm. & Datenfeld f\"ur das \"Ubertragen \ZE
142 tx\_new & out & 1 & std\_logic & PC-Komm. & signalisiert dass das anliegende Byte gesendet werden soll \ZE
145 \subsubsection{PC-Kommunikation}
147 btn\emph{A} & in & 1 & std\_logic & externer Button & zum Triggern der RS232
148 Kommunikation (low-aktiv) \ZE
150 rx\_data & in & 8 & std\_logic\_vector & RS232 & Datenfeld f\"ur das Empfangen \ZE
151 rx\_new & in & 1 & std\_logic & RS232 & signalisiert ein neu empfangendes Byte \ZE
152 tx\_data & in & 8 & std\_logic\_vector & RS232 & Datenfeld f\"ur das \"Ubertragen \ZE
153 tx\_new & in & 1 & std\_logic & RS232 & signalisiert dass das anliegende Byte gesendet werden soll \ZE
155 pc\_zeile & out & 7 & std\_logic\_vector & History & Zeilenadressierung ($50 \cdot
157 pc\_spalte & out & 7 & std\_logic\_vector & History & Spaltenadressierung (71
158 Zeichen inkl. \textbackslash 0) \ZE
159 pc\_get & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Speicheranforderung \ZE
160 pc\_done & in & 1 & std\_logic & History & Daten liegen an \ZE
161 pc\_char & in & 8 & character & History & enth\"alt angeforderne Daten \ZE
167 new\_data & out & 1 & std\_logic\_vector & Scanner & signalisiert neuen Scancode \ZE
168 data & out & 8 & std\_logic\_vector & Scanner & Scancode laut Codepage 850 \ZE
170 ps2\_clk & inout & 1 & std\_logic & Tastatur & Clockleitung zum Keyboard \ZE
171 ps2\_data & inout & 1 & std\_logic & Tastatur & Datenleitung zum Keyboard \ZE
175 \subsubsection{Scanner}
177 new\_data & in & 1 & std\_logic\_vector & PS/2 & signalisiert neuen Scancode \ZE
178 data & in & 8 & std\_logic\_vector & PS/2 & Scancode laut Codepage 850 \ZE
180 s\_char & out & 8 & character & History & Zeichen das \"ubernommen werden soll \ZE
181 s\_take & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Datenfeld char \ZE
182 s\_done & in & 1 & std\_logic & History & signalisiert die \"Ubernahme der Daten \ZE
183 s\_backspace & out & 1 & std\_logic & History & letztes Zeichen soll gel\"oscht werden \ZE
185 do\_it & out & 1 & std\_logic & Parser & Auswertung beginnen (ENTER) \ZE
186 finished & in & 1 & std\_logic & Parser & Auswertung fertig \ZE
190 \subsubsection{Parser}
192 p\_rw & out & 1 & std\_logic & History & 0 = read (Expression), 1 = write (Ergebnis) \ZE
193 p\_spalte & out & 7 & std\_logic\_vector & History & Spaltenadressierung (71
194 Zeichen inkl. \textbackslash 0) \ZE
195 p\_rget & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Leseanforderung \ZE
196 p\_rdone & in & 1 & std\_logic & History & Daten liegen an \ZE
197 p\_read & out & 8 & character & History & enth\"alt angeforderne Daten \ZE
199 p\_wtake & out & 1 & std\_logic & History & signalisiert Schreibanforderung \ZE
200 p\_wdone & in & 1 & std\_logic & History & Daten liegen an \ZE
201 p\_write & in & 8 & character & History & enth\"alt zu schreibende Daten \ZE
203 p\_finished & out & 1 & std\_logic & History & Auswertung fertig \ZE
205 opcode & out & 3 & enum OPS & ALU & die auszuf\"uhrende Art der Berechnung \ZE
206 op1 & out & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & erste Operand \ZE
207 op2 & out & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & zweite Operand \ZE
208 op3 & in & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & Zieloperand \ZE
209 do\_calc & out & 1 & std\_logic & ALU & signalisert Berechnungsart \ZE
210 calc\_done & in & 1 & std\_logic & ALU & Berechnung fertig \ZE
211 error & in & 1 & std\_logic & ALU & Berechnung war fehlerhaft \ZE
213 do\_it & in & 1 & std\_logic & Scanner & Auswertung beginnen (ENTER) \ZE
214 finished & out & 1 & std\_logic & Scanner & Auswertung fertig \ZE
220 opcode & in & 3 & enum OPS & Parser & die auszuf\"uhrende Art der Berechnung \ZE
221 op1 & in & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & Parser & erste Operand \ZE
222 op2 & in & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & zweite Operand \ZE
223 op3 & out & 32 & SIGNED(32-1 downto 0) & ALU & Zieloperand \ZE
224 do\_calc & in & 1 & std\_logic & Parser & signalisert Berechnungsart \ZE
225 calc\_done & out & 1 & std\_logic & Parser & Berechnung fertig \ZE
226 error & out & 1 & std\_logic & Parser & Berechnung war fehlerhaft \ZE
229 \subsubsection{History}
231 pc\_zeile & in & 7 & std\_logic\_vector & PC-Komm. & Zeilenadressierung
232 ($50 \cdot 2$ Zeilen $=100$)\ZE
233 pc\_spalte & in & 7 & std\_logic\_vector & PC-Komm. &
234 Spaltenadressierung (71 Zeichen inkl. \textbackslash 0) \ZE
235 pc\_get & in & 1 & std\_logic & PC-Komm. & signalisiert Speicheranforderung \ZE
236 pc\_done & out & 1 & std\_logic & PC-Komm. & Daten liegen an \ZE
237 pc\_char & out & 8 & character & PC-Komm. & enth\"alt angeforderne Daten \ZE
239 s\_char & in & 8 & character & Scanner & Zeichen das \"ubernommen werden soll \ZE
240 s\_take & in & 1 & std\_logic & Scanner & signalisiert Datenfeld char \ZE
241 s\_done & out & 1 & std\_logic & Scanner & signalisiert die \"Ubernahme der Daten \ZE
242 s\_backspace & in & 1 & std\_logic & Scanner & letztes Zeichen soll gel\"oscht werden \ZE
244 d\_new\_eingabe & out & 1 & std\_logic & Display & die aktuelle Eingabe ist zu aktualisieren\ZE
245 d\_new\_result & out & 1 & std\_logic & Display & das Ergebnis ist zu aktualisieren\ZE
246 d\_zeile & in & 5 & std\_logic\_vector & Display & Zeilenadressierung ($2 \cdot 15$ Zeilen $=30$) \ZE
247 d\_spalte & in & 7 & std\_logic\_vector & Display & Spaltenadressierung (71
248 Zeichen inkl. \textbackslash 0) \ZE
249 d\_get & in & 1 & std\_logic & Display & signalisiert Speicheranforderung \ZE
250 d\_done & out & 1 & std\_logic & Display & Daten liegen an \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
255 Zeichen inkl. \textbackslash 0) \ZE
256 p\_rget & in & 1 & std\_logic & Parser & signalisiert Leseanforderung \ZE
257 p\_rdone & out & 1 & std\_logic & Parser & Daten liegen an \ZE
258 p\_read & in & 8 & character & Parser & enth\"alt angeforderte Daten \ZE
260 p\_wtake & in & 1 & std\_logic & Parser & signalisiert Schreibanforderung \ZE
261 p\_wdone & out & 1 & std\_logic & Parser & Daten liegen an \ZE
262 p\_write & out & 8 & character & Parser & enth\"alt zu schreibende Daten \ZE
264 p\_finished & in & 1 & std\_logic & Parser & Auswertung fertig \ZE
269 \subsection{Verhalten der Interfaces}
270 \paragraph{Erlaubte Keyboard-Eingaben}
272 Als erlaubte Eingabetasten werden die Ziffern \emph{`0'} bis \emph{`9'} am Numpad, die Zeichen
273 \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.
274 %warum nur numpad? weil / und * dann über eine shift-kombination erreicht werden müssen und die scancode-behandlung würd ich mir nicht antun wollen
275 %ob numlock gedrückt ist oder nicht sollt egal sein - ändert die scancodes nicht AFAIK
276 %wird auf eine taste wirklich nur einmal reagiert wenn man z.B. die 0 hält und CTRL drückt und wieder los lässt?
278 Während eine Berechnung durchgeführt wird, sind die Tastatureingaben wirkungslos.
280 %wie wärs mit einem easter egg...
282 \paragraph{Over- und Underflows}
283 Tritt ein Over- bzw. Underflow während der Berechnung auf -- entweder in einem Zwischenergebnis, oder im
284 Endergebnis -- dann wird der Fehlerstring ``ERROR'' in der Ergebniszeile ausgegeben.
285 %TODO aufwendigere fehlermeldung? zb "ERROR: OVERFLOW"
287 \paragraph{Fehlerhafte Eingaben}
288 Entspricht eine zu berechnende Eingabezeile nicht dem Format der Grammatik aus
289 dem Requirement Req. 2, so wird der Fehlerstring ``ERROR'' in der Ergebniszeile
291 %TODO aufwendigere fehlermeldung? zb "ERROR: FEHLERHAFTE EINGABE"
293 Liegt der Wert eines Zahlen-Literals außerhalb dem Wertebereich eines Signed Long, dann wird der
294 Fehlerstring ``ERROR'' am Bildschirm ausgegeben.
295 %TODO aufwendigere fehlermeldung? zb "ERROR: ZAHL ZU GROSS"
297 \paragraph{Bildschirm-Layout}
298 Die erste Berechnung nach dem Reset f\"angt links oben an. Die Eingabezeile wandert nach der Eingabe
299 von Berechnungen ``runter'', d.h. \"uber der aktuellen Eingabezeile befinden sich die Ein- bzw.
300 Ausgaben der vergangenen Berechnungen.
301 Wird das Ende des Bildschirms erreicht, so wird automatisch weitergescrollt (entsprechend
302 verschwinden dann vergangene Berechnungen inklusive Ergebnisse vom Bildschirm).
303 %TODO vielleicht in entsprechend ähnlichem requirement etwas abstrakter werden wie in der angabe
305 Die Eingabezeile wird ebenso dargestellt wie die Eingabe erfolgt ist (Leerzeichen werden dargestellt), von der ersten Textspalte bis zur 70.
306 %TODO vielleicht vor jede zeile präfix "IN3: " / "OUT3: "?
308 Alle Textausgaben sind in weißer Schrift dargestellt.
310 \paragraph{Fehlermeldungen}
311 Fehlermeldungen werden als Strings wie ein korrektes Ergebnis in die entsprechende Ausgabezeile geschrieben.
313 Fehlerhafte Eingaben und Fehlermeldungen werden ebenso am Bildschirm dargestellt wie korrekte. Bei
314 Abfrage der History \"uber RS232 werden daher auch fehlerhafte Ein- und Ausgaben dazugez\"ahlt.
317 Bei Drücken des Buttons \emph{A} wird eine einmalige Übertragung des History-Inhalts über
318 die RS232-Schnittstelle veranlasst.
319 Der Taster wird sowohl beim Drücken, als auch beim Loslassen entprellt mit einer Entprellzeit von 100ms.
322 Die Kommunikation über RS232 erfolgt über 8N1-Codierung ohne Handshake.
324 Bei Senden des Zeichens \emph{` \textbackslash n'} vom PC an den FPGA über die RS232 Schnittstelle wird
325 eine einmalige Übertragung des History-Inhalts über die RS232-Schnittstelle veranlasst, ebenso wie
326 beim Drücken des Buttons \emph{A}.
327 %oder doch ein anderes zeichen?
329 Der History Inhalt wird im ASCII Format über die RS232 Schnittstelle an den PC gesendet. Dabei wird
330 mit der 1. Eingabe begonnen, dann die 1. Ausgabe, die 2. Eingabe usw. Die aktuelle Eingabezeile
331 wird NICHT mit übertragen. Die Ein- und Ausgabezeilen werden nur bis zum letzten erlaubten
332 Eingabe- bzw. Ausgabezeichen gesendet. Nach jeder Zeile folgt ein \emph{` \textbackslash n'} Zeichen.
334 \subsection{Testf\"alle}
335 \tcc{$9*55*-6+3000/2-1-1-1*50\text{\textasciicircum B}00 = -1972 $}
336 Erf\"ullt \textbf{Req 1, 2, 3, 6}
338 \tcc{$9---2 \Rightarrow$ Err}
339 Erf\"ullt \textbf{Req 2}
341 \tcc{$-2147483648 + 1 = -2147483647$}
342 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
344 \tcc{$-2147483649 + 1 \Rightarrow$ Err}
345 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
347 \tcc{$2147483647 - 1 = 2147483646$}
348 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
350 \tcc{$2147483644 + 100 \Rightarrow$ Err}
351 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
353 \tcc{$-2147483643 - 100 \Rightarrow$ err}
354 Erf\"ullt \textbf{Req 4}
356 \tcc{$1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 1 +1 + 2 +2 + 2 + 1
357 \Rightarrow$ ab dem ersten `2'er soll die Eingabe verweigert werden (man beachte die Leerzeichen)}
358 Erf\"ullt \textbf{Req 5}
360 \tcc{Es sollen 20 Rechnungen eingegeben werden (ob g\"ultig oder nicht spielt dabei keine Rolle).
361 Ab der 15. Berechnung soll ein Scrollen des Bildschirms festgestellt werden k\"onnen.}
362 Erf\"ullt \textbf{Req 7, 8}
364 \tcc{Es sollen 52 Berechnungen der Art $i + i\text{<ENTER>}$ eingegeben werden, wobei $i$ der
365 aktuellen Berechnung entspricht. Danach soll eine RS232 \"Ubertragung (einmal per Button und einmal
366 per PC) in Gang gesetzt werden. Am PC sollen nur die letzten 50 Berechnungen ersichtlich sein.}
367 Erf\"ullt \textbf{Req 9, 10}
370 \section{Detailed Design Description}
372 siehe \textit{hwmod\_ipcores.pdf}
376 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/display.pdf}
378 \caption{Statemachine zum Anzeigen der Daten}
383 \item \textbf{idle}: In diesem Zustand wird die lokale Variable \emph{s}, die der Spaltenberechnung
384 dient, zur\"uckgesetzt.
385 \item \textbf{addr\_eingabe}: Das Modul weiss nun, dass eine neue Eingabe vorliegt, es wird daher
386 aufgefordert jenige zu aktualisieren. Daf\"ur wird nun die passende Zeile berechnet (mit Hilfe der
388 \item \textbf{addr\_ergebnis}: In diesem Zustand weiss das Modul, dass ein neues Resultat vorliegt,
389 es muss sich also nun die Zeilennummer mit Hilfe der internen Variable \emph{z} berechnen.
390 \item \textbf{read/put}: Hier wird Zeichen f\"ur Zeichen das von der berechneten Zeilen vom
391 History Modul angefordert und per VGA Modul auf den Bildschirm ausgegeben. F\"ur den Fall dass nicht
392 die vollen 71 Zeichen in der entsprechenden Zeile enthalten sind\footnote{ein String wird mit
393 \emph{` \textbackslash 0'} abgeschlossen}, wird der Rest der Zeile am Bildschirm mit dem Leerzeichen
394 \emph{` '} ausgef\"ullt.
398 Es soll eine Baudrate von 115200 bauds und die 8N1 Codierung (8bit Daten, keine Parity und ein
399 Stopbit) verwendet werden. Da das FPGA Design um ein Vielfaches schneller als 115200Hz \footnote{
400 n\"amlich $33.33$MHz} ist muss bei der Implementierung zus\"atzlich ein Taktgeber f\"ur das RS232
401 Modul implementiert werden um BT zu erzeugen\footnote{BT steht dabei f\"ur
402 BitTime}. Das soll mit einem Taktteiler realisiert werden. Ausserdem ist zu
403 beachten, dass das LSB zuerst geschickt wird.
406 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/rs232-rs.pdf}
408 \caption{Statemachine des RS232 Modules zum Empfangen von Daten}
412 \item \textbf{idle}: Die lokale Variable \emph{bc} wird zur\"uckgesetzt.
413 \item \textbf{read startbit}: Eine fallende Flanke auf \emph{rxd} signalisiert dass eine
414 Byte\"ubertragung beginnt.
415 \item \textbf{read}: In diesem State werden die Datenbits nacheinander \"uber \emph{rxd} empfangen.
416 \item \textbf{read stopbit}: Um das Ende einer Byte\"ubertragung zu signalisieren wird \emph{rxd}
417 auf high gesetzt. Dadurch weiss das RS232 Modul Bescheid, dass die Byte\"ubertragung zu Ende ist und
418 kann dem PC-Kommunikation Modul signalisieren, dass ein Byte vollst\"andig empfangen wurde.
423 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/rs232-ts.pdf}
425 \caption{Statemachine des RS232 Modules zum Senden von Daten}
429 \item \textbf{idle}: Die lokale Variable \emph{bc} wird zur\"uckgesetzt.
430 \item \textbf{write startbit}: Um eine \"Ubertragung in Gang zu setzen muss \emph{txd} auf low
432 \item \textbf{write}: In diesem State werden die Datenbits nacheinander an \emph{txd} angelegt.
433 \item \textbf{write stopbit}: Um das Ende einer Byte\"ubertragung zu signalisieren muss \emph{txd}
434 auf high gesetzt werden.
438 siehe \textit{hwmod\_ipcores.pdf}
441 \subsection{PC-Kommunikation}
443 \includegraphics[width=0.7\textwidth]{sm/pckomm.pdf}
445 \caption{Statemachine f\"ur das Modul PC-Kommunikation}
450 \item \textbf{idle}: Die internen Variablen \emph{z} und \emph{s} werden zur\"uck gesetzt. \emph{z}
451 wird als Zeilencounter verwendet und \emph{s} als Spaltencounter, da der interne Speicher nach und
452 nach vollst\"andig auf der seriellen Schnittstelle ausgegeben werden soll.
453 \item \textbf{nzeile}: Dieser Zustand wird erreicht wenn die Ausgabe auf die RS232 Schnittstelle
454 entweder durch den Button oder durch ein empfangen von einem Byte getriggert wird.
455 \item \textbf{rwbyte}: Es wird das Byte an der Stelle \emph{z}/\emph{s} ausgelesen und danach an das
456 RS232 Modul weitergegeben und zum PC \"ubertragen. Ist die \"Ubertragung abgeschlossen, wird der
457 Spaltencounter erh\"oht.
463 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/scanner.pdf}
465 \caption{Statemachine zum Scannen des Inputs der PS/2 Schnittstelle}
470 \item \textbf{idle}: Setzt alle Steuersignale \emph{s\_backspace}, \emph{s\_take} und \emph{do\_it} low.
471 \item \textbf{read}: Bei steigender Flanke auf \emph{new\_data} wird das anliegende Byte des
472 PS/2-Modules \"ubernommen. Je nach Wert wird in den n\"achsten Zustand gewechselt.
473 \item \textbf{enter}: Wurde die Entertaste gedr\"uckt wird der Parser getriggert
474 (per Signal \emph{do\_it}). Der Scanner befindet sich so lange in diesem Zustand
475 bis der Parser das Ergebnis berechnet hat.
476 \item \textbf{l\"oschen}: Teilt dem History Modul mit das letzte Zeichen im
477 Buffer zu l\"oschen (per Signal \emph{s\_backspace}).
478 \item \textbf{mod}: Da wir nur Zeichen des Numpads \"ubernehmen wollen, ist
479 dieser Zwischenzustand n\"otig, da Scancodes vom Numpad einen Modifier
480 mitschicken (\emph{0xe0}).
481 \item \textbf{\"ubernehmen}: Wenn ein g\"ultiges Zeichen laut Requirements
482 eingegeben wurde, wird jenes Zeichen an \emph{s\_char} angelegt und \emph{s\_take}
483 wird auf high gesetzt. Das History Modul wird dadurch getriggert um das Zeichen
484 in den Buffer zu \"ubernehmen.
490 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/parser.pdf}
492 \caption{Statemachine zum Parsen der aktuellen Expression}
496 \item \textbf{idle}: Das Modul ist unt\"atig und wartet auf eine steigende Flanke von \emph{do\_it}.
498 \item \textbf{read char}: Lokale Variablen werden zur\"uckgesetzt und das n\"achste Zeichen wird vom
499 History Modul angefordert.
501 \item \textbf{sign}: Ggf. wird das Vorzeichen auf '-' gesetzt.
503 \item \textbf{int}: Zeichen f\"ur Zeichen wird eingelesen und die Zahl wird daraus berechnet.
505 \item \textbf{calc}: Punkt- und Strichrechnungen m\"ussen getrennt behandelt werden, daher ergibt
506 sich dieses Konstrukt im Codebeispiel.
508 \item \textbf{null}: Sonderbehandlung ist n\"otig wenn die Expression mit '\textbackslash 0'
511 \item \textbf{done}: In diesem Zustand wird das Ergebnis das sich je nach \emph{opp} in
512 \emph{strich} oder \emph{punkt} befindet als String in den Ergebnisbuffer des History Modules
513 geschrieben. Danach wird \emph{p\_finished} bzw. \emph{finished} auf high gesetzt.
515 \item \textbf{error}: Zwecks \"Ubersichtlichkeit wurden die Transitionen zu diesem Zustand
516 vernachl\"assigt. Dieser Zustand wird erreicht sobald ein Grammatikfehler oder ein Fehler der ALU
517 auftritt. Es wird der String ``Error'' in den Ergebnisbuffer geschrieben und
518 \emph{p\_finished} bzw. \emph{finished} wird auf high gesetzt.
538 if(aktop in ['+','-','\0']) {
541 while(calc_done == 0);
543 alu(ADD, punkt, strich);
546 else if (aktop in ['*','/']) {
556 if(aktop in ['+','-','\0']) {
559 else if (aktop in ['*','/']) {
568 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/alu.pdf}
570 \caption{Statemachine der ALU}
573 %TODO: eventuell zweierkomplement statt SUB?
574 Folgende Opcodes werden von uns als \emph{enum} definiert:
576 NOP, SUB, ADD, MUL, DIV, DONE
578 wobei NOP und DONE von der ALU nicht bearbeitet werden sollen.
580 In jedem State wird die entsprechende Berechnungsart durchgef\"uhrt und danach der Abschluss der
581 Berechnung mit \emph{calc\_done} signalisiert. Wichtig zu beachten ist dabei, dass sich die
582 Rechenoperationen in der Ausf\"uhrungszeit unterscheiden k\"onnen. Ausserdem
583 k\"onnen in jedem Berechnungszustand Fehler (Over- bzw. Underflow und Division
584 durch Null) auftreten die mit dem Signal \emph{error} angezeigt werden.
587 Dieses Modul stellt die zentrale Speicherstelle f\"ur die verschiedenen Module da.
588 Die Idee ist dabei, dass intern ein RAM-Block mit mindestens der Gr\"o\ss{}e
589 \mbox{$(50\cdot2) \cdot (71) = 710$} Bytes verwaltet wird.
591 Das History Modul kann \"uber die angelegten Leitungen \emph{s\_take}, \emph{p\_rget},
592 \emph{p\_wdo}, \emph{pc\_get} bzw. \emph{d\_get} feststellen welches Modul\footnote{die
593 betreffenden Module sind: Scanner, Parser, PC-Kommunikation und Display} eine Speicheranfrage
595 Der Zugriff der externen Module erfolgt priorisiert:
597 Scanner > Parser > PC-Kommunikation > Display
600 Weiters ist zu beachten, dass das History Modul f\"ur den Scanner und Parser intern einen Index
601 mit speichern muss, der die Adresse der aktuellen Eingabe mitf\"uhrt. Mit Hilfe dieses Indexes plus
602 der Spaltenadressierung der Module kann die tats\"achliche Adresse f\"ur den internen RAM-Block
605 Ist das History Modul mit der Speicheranfrage fertig, wird das andere Modul \"uber die entsprechende
606 \emph{done}-Leitung benachrichtigt. Wurde das Signal vom entsprechenden
607 \emph{*\_\{get,take,do\}}-Signal quittiert kann der n\"achste Request
611 \section{Erg\"anzungen der Spezifikation w\"ahrend der Implementierung}
614 \item Das Signal \emph{error} der ALU wurde in \emph{calc\_error} umbenannt, da
615 \emph{error} ein Schl\"usselwort in VHDL ist.
616 \item Die Richtungen bei den Signalen \emph{p\_read} und \emph{p\_write} wurden
617 jeweils im Modul Parser und History vertauscht.
618 \item TODO: \emph{p\_rw} und \emph{p\_spalte} unnoetig (wenn man es in history richtig
620 \item aussagekr\"aftigere Fehlermeldungen.