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
18 exportieren bzw. importieren.
20 \section{Requirement Spezifikation}
22 %TODO: in der Angabe steht nix von einer extrigen Requirement Spezifikation neben der High Level Beschreibung, aber im Template und Auf den Folien ist es als 3. Punkt neben High- und Low Level Spec noch erwähnt.
24 %Die Subsections sind vielleicht ein kleiner Overshoot.
29 \req{Der Taschenrechner soll eine Eingabe bestehend aus den Ziffern '0'-'9', Leerzeichen ' ', '+', '-', '*' und '/' ausrechnen können}
31 \req{Der Syntax für so eine Eingabe - eine \textbf{Expression} - sieht folgendermaßen aus:
33 DIGIT = '0' \textbar '1' \textbar '2' \textbar '3' \textbar '4' \textbar '5' \textbar '6' \textbar '7' \textbar '8' \textbar '9' ;
35 UNSIGNED = DIGIT \{ DIGIT \} ;
37 OPERAND = ['-'] UNSIGNED ;
39 OPERATOR = '+' \textbar '-' \textbar '*' \textbar '/' ;
41 EXPRESSION = OPERAND \{ OPERATOR OPERAND \} ;
44 \req{Dabei soll Punkt- vor Strichrechnung gelten}
46 \req{Die Zahlen dürfen im Zahlenbereich eines signed long liegen ($-2^{31}$ bis $2^{31}-1$)}
48 \req{Die Eingabe darf aus 70 Zeichen bestehen}
50 \req{Die Eingabe erfolgt über eine PS/2-Tastatur, 'Enter' schließt die Eingabe ab und berechnet das Ergebnis, 'Backspace' löscht das zuletzt eingegebene Zeichen}
54 \req{Die Anzeige der Ein- und Ausgaben erfolgt über einen VGA Monitor.}
56 \req{Es wird pro Zeile eine Eingabe oder Ausgabe angezeigt. Die aktuelle Eingabezeile befindet sich zuoberst, darunter das Ergebnis der vorigen Rechnung, darunter die Eingabe der vorigen Rechnung und so weiter}
58 \req{Auf die in zuvor angegebene Methode sollen zusätzlich zur aktuellen Eingabezeile die letzten 14 Ein- und Ausgaben dargestellt werden}
62 \req{Die letzten 50 Ein- und Ausgaben korrekter Eingaben werden als History im Speicher gehalten}
64 \req{Die History soll über RS232, auf Anfrage vom PC, oder bei Betätigen eines Buttons am Development Board, zum PC gesendet werden}
67 \section{High-Level Design Description}
70 \includegraphics[width=\textwidth]{Architektur.png}
72 \caption{Die Architektur des Taschenrechners}
76 In Abbildung \ref{fig:arch} ist der Aufbau des Taschenrechners zu sehen. Der Taschenrechner besteht aus folgenden Modulen:
81 \item \textbf{VGA} - Zeichenweises Ansprechen des Monitors
82 \item \textbf{PS/2} - Empfangen von Keyboard-Eingaben als Scancodes
83 \item \textbf{RS232} - Senden und Empfangen von Nachrichten vom/zum PC über die serielle Schnittstelle % TODO. baudrate? kodierung? (8N1?)
84 \item \textbf{Scanner} - Empfängt die Scan-Codes vom PS/2 Modul und leitet nur für die Eingabezeile erlaubte Zeichen dekodiert in das CP850 Format an die History weiter, bei einem empfangenen Enter wird der Beginn der Berechnung an das Parser Modul signalisiert
85 \item \textbf{History} - Verwaltung des dahinterliegenden Buffers von vergangenen Berechnungen und der aktuellen Eingabezeile, bei Aktualisierung der aktuellen Eingabezeile und bei Empfang eines Ergebnisses vom Parser Modul signalisiert es das an das Display Modul
86 \item \textbf{Parser} - Wertet die Eingabezeile der History aus und liefert als Antwort entweder einen Fehler zurück oder gibt die einzelnen Berechnungen von je zwei Zahlen an die ALU weiter, die vom History Modul ausgelesenen zusammenhängenden Dezimalstellen werden mit dem Bin/Dez-Converter Modul in Binärzahlen umgerechnet, das Berechnungs-Endergebnis wird wieder in mit dem Converter Modul in einzelne Charakter umgerechnet und in der History gespeichert
87 \item \textbf{Bin/Dez-Converter} - Konvertiert 10 CP850-codierte Dezimalziffern mit Vorzeichen in eine Binärzahl und umgekehrt %TODO oder in Parser integrieren? Oder gibt's eine Library-Funktion dafür?
88 \item \textbf{ALU} - Führt die tatsächlichen Berechnungen von Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division durch
89 \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
90 \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
93 %\subsection{Interfaces}
95 \subsection{Externe Interfaces}
97 \subsubsection{Physikalische Interfaces}
99 %TODO die pins sind wahrscheilich gefragt
100 %wie ist das mit dem clock? externe ungenaue clock + interne pll oder wie?
102 Interface zum key pad
104 Interfaces zu VGA, PS/2, RS232
108 Active Low oder Active High
110 das ist mir noch nicht ganz klar was die da wollen. was meinen die z.b. mit ``interfaces
111 to VGA'' unter ``physical interfaces'' (seite 10 in der exercise.pdf)
113 ``physikalisch'' im sinne der VHDL entity? oder doch den physischen stecker?
114 Ersteres wuerde ich unter Logisches Interface verstehen.
116 \subsubsection{Logische Interfaces der Module}
120 %ps/2 schickt zeichen an controller, der nimmt nur gewünschte chars und schreibt die in die history
121 %in die editierbare ``eingabezeile''.
123 %dann bei einem "enter" sagt er dem parser dass der was hackeln soll
125 %der holt sich selbstständig den string aus der history und analysiert ihn mal - also ob es ein gültiger string ist
127 %dann brauchen wir schleifen, eine äußere für die strichrechnung und eine innere für die punktrechnung (k.a. wie das in vhdl geht)
129 %jedenfalls müssen bei z.b. a + b * c die b*c zuerst ausgerechnet werden
131 %diese einzelnen rechnungen - also z.b. b*c - schickt der parser an die alu die das ausrechnet und dann asynchron an den parser zurückschickt - das geht so lange weiter bis der ganze string abgearbeitet ist
133 %der parser muss bei den zwischenrechnungen die zwischenergebnisse im speicher behalten
135 %wenn er fertig ist liefert er das ergebnis an die history und benachrichtigt den controller dass er fertig ist
137 %achja, die zahlen zur/von der history muss der parser zum converter schicken - das geht leider nicht als zwischenstufe zwischen parser und history weil der parser sich einen erst zu analysierenden string von der history holt - es ist auch nicht sinnvoll zwischen alu und parser, weil zwischenergebnisse nicht neu umgewandelt werden müssen
139 %der controller verursacht dann den zeilenvorschub um 2 zeilen in der history (ringpuffer, index vorandrehen). eigentlich braucht der controller dem display modul nichts mitteilen, oder?
141 %es sollte vielleicht der controller das display modul veranlasen sich die daten aus der history zu holen (könnte auch die history)
143 %TODO Module soll der Parser in einer "`Schleife"' alle Teilberechnungen an die ALU weiterleiten und zB Zwischenergebnisse speichern? Die ALU könnte dann nur 2 Zahlen addieren/bla.
144 %Da in der History Zahlen als Character Strings abgelegt sind müssen diese für die ALU in Binärdarstellung umgewandelt werden - und Umgekehrt natürlich!
148 TODO: How to control the VGA component ?= schnittstelle + beschreibung des vga moduls?
152 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
154 zu den hardware pins: vga\_clk (in), vga\_res\_n (in), vsync\_n (out), hsync\_n (out), ? bits r (out), ? bits g (out), ? bits b (out)
156 zum modul display: 8 bit command (in), 32 bit command\_data (in), 1 bit free (out)
164 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
166 zum modul scanner: 1 bit new\_data (out), 8 bit data (out)
168 zu den hardware pins: 1 bit ps2\_clk (in), 1 bit ps2\_data (in)
174 %Senden und Empfangen von Nachrichten vom/zum PC über die serielle Schnittstelle
177 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
179 externe Pins für die Schnittstelle (Data carrier detect, Receive data (in), Transmit data (out), Data terminal ready, Signal ground, Data set ready, Request to send, Clear to send, Ring indicator ?brauchen wir die alle?)
181 zum modul pc-kommunikation: 8 Empfangsbits (out), 1 Received Flag (out), 8 Sendebits (in), 1 Sendflag (in)
195 %Empfängt die Scan-Codes vom PS/2 Modul und leitet nur für die Eingabezeile erlaubte Zeichen dekodiert in das CP850 Format an die History weiter, bei einem empfangenen Enter wird der Beginn der Berechnung an das Parser Modul signalisiert
197 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
199 von modul ps/2: 8 bit data (in), 1 bit new\_data (in)
201 an modul history: 8 bit char (out), 1 bit take (out), 1 bit backspace (out)
203 an modul parser: 1 bit do\_it (out), 1 bit finnnnnished\_result
209 %Verwaltung des dahinterliegenden Buffers von vergangenen Berechnungen und der aktuellen Eingabezeile, bei Aktualisierung der aktuellen Eingabezeile und bei Empfang eines Ergebnisses vom Parser Modul signalisiert es das an das Display Modul
211 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
213 zum modul pc-kommunikation: 5 bit zeile (2*14+1) (in), 7 bit spalte (71 zeichen - 0 am ende notwendig?) (in), 1 get bit (in), 1 done bit (out), 8 daten bits (out)
215 vom modul scanner: 8 bit char (in), 1 bit take (in), 1 bit backspace (in)
217 an modul display: 1 bit new\_eingabe (out), 1 bit new\_result (out), 5 bit zeile (2*14+1) (in), 7 bit spalte (71 zeichen - 0 am ende notwendig?) (in), 1 get bit (in), 1 done bit (out), 8 daten bits (out)
219 an modul parser: 5 bit zeile (2*14+1) (in), 7 bit spalte (71 zeichen - 0 am ende notwendig?) (in), 1 get bit (in), 1 done bit (out), 8 daten bits (out), 8 bit write\_result (in), 1 bit first\_result\_char (in), 1 bit write\_char (in), ? 1 bit finnnnnished\_result (triggert fortschalten des ringpuffer pointers) (in)
225 %Wertet die Eingabezeile der History aus und liefert als Antwort entweder einen Fehler zurück oder gibt die einzelnen Berechnungen von je zwei Zahlen an die ALU weiter, die vom History Modul ausgelesenen zusammenhängenden Dezimalstellen werden mit dem Bin/Dez-Converter Modul in Binärzahlen umgerechnet, das Berechnungs-Endergebnis wird wieder in mit dem Converter Modul in einzelne Charakter umgerechnet und in der History gespeichert
227 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
229 zu modul history: 5 bit zeile (2*14+1) (out), 7 bit spalte (71 zeichen - 0 am ende notwendig?) (out), 1 get bit (out), 1 done bit (in), 8 daten bits (in), 8 bit write\_result (in), 1 bit first\_result\_char (out), 1 bit write\_char (out), ? 1 bit finnnnnished\_result (triggert fortschalten des ringpuffer pointers) (out)
231 an modul bin/dez-converter: 11*8 bit char (vorzeichen + dezimalstellen; ok, das ist ein overkill...) (in/out), 32 bit binärstellen (in/out), 1 bit do\_deztobin (out), 1 bit do\_bintodez (out), 1 bit bintodez\_done (in), 1 bit deztobin\_done (?) (in)
233 zu modul alu: enum opcode (out), 32 bit operator1 (out), 32 bit operator2 (out/in), 1 bit do\_calc (out), 1 bit calc\_done (in)
235 zu modul scanner: 1 bit finnnnnished\_result (out) (selbe signal wie an history modul. kann man das
238 \paragraph{Bin/Dez-Converter}
242 %Konvertiert 10 CP850-codierte Dezimalziffern mit Vorzeichen in eine Binärzahl und umgekehrt
244 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
246 zum modul parser: 11*8 bit char (vorzeichen + dezimalstellen; ok, das ist ein overkill...) (in/out), 32 bit binärstellen (in/out), 1 bit do\_deztobin (in), 1 bit do\_bintodez (in), 1 bit bintodez\_done (out), 1 bit deztobin\_done (?) (out)
252 %Führt die tatsächlichen Berechnungen von Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division durch
254 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
256 zum parser: enum opcode (in), 32 bit operator1 (in), 32 bit operator2 (in/out), 1 bit do\_calc (in), 1 bit calc\_done (out)
262 %Liest einzelne Zeichen aus der History aus und leitet diese an das VGA Modul weiter, um sie in der entsprechenden Zeile anzeigen zu lassen
264 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
266 zum modul history: 1 bit new\_eingabe (in), 1 bit new\_result (in), 5 bit zeile (2*14+1) (out), 7 bit spalte (71 zeichen - 0 am ende notwendig?) (out), 1 get bit (out), 1 done bit (in), 8 daten bits (in)
268 zum modul vga: 8 bit command (out), 32 bit command\_data (out), 1 bit free (in)
270 \paragraph{PC-Kommunikation}
274 %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
276 allgemein: sys\_clk (in), sys\_res\_n (in)
278 ein Pin zum externen Button (in)
280 zum modul rs232: 8 Empfangsbits (in), 1 Received Flag (in), 8 Sendebits (out), 1 Sendflag (out)
282 zum modul history: 5 bit zeile (2*14+1) (out), 7 bit spalte (71 zeichen - 0 am ende notwendig?) (out), 1 get bit (out), 1 done bit (in), 8 daten bits (in)
284 \subsubsection{Verhalten der Interfaces}
286 welche tasten als input erlauben (haben numblock und normale ziffern unterschiedliche scancodes?)?
288 wie werden ueberlaeufe behandelt?
290 fehlerhafte eingaben?
292 wie schaut die ausgabe aus?
294 was ausgaben bei fehler?
296 wie kann download oder upload einer history gestartet werden?
298 wie kann auf die history zugegriffen werden?
300 soll in der eingabe auch mit pfeiltasten (links,rechts) gescrolled werden koennen?
303 \subsection{Testfälle}
305 alle requirements muessen von testfaellen abgedeckt werden!
307 %29 zeilen am bildschirm
310 \section{Detailed Design Description}
312 alle Module hier genauer beschreiben
315 wie wollen wir das design implementieren?
317 event sequence diagrams! UML?
319 wie schauen interne strukturen aus? (speicher, logische bloecke, parallele prozesse, state machines)
328 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/rs232-rs.pdf}
330 \caption{Statemachine zum Empfangen auf der RS232 Schnittstelle (8N1)}
336 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/scanner.pdf}
338 \caption{Statemachine zum Scannen des Inputs der PS/2 Schnittstelle}
343 \item \textbf{idle}: Setz alle Steuersignale \emph{backspace}, \emph{take} und \emph{do\_it} low.
344 \item \textbf{read}: Bei steigender Flanke auf \emph{new\_data} wird das anliegende Byte des
345 PS/2-Modules \"ubernommen. Je nach Wert wird in den n\"achsten Zustand gewechselt.
346 \item \textbf{enter}: Wurde die Entertaste gedr\"uckt wird der Parser getriggert (\emph{do\_it} ist
347 einen Takt lang high). Der Scanner befindet sich so lange in diesem Zustand bis der Parser das
348 Ergebnis berechnet hat.
349 \item \textbf{l\"oschen}: Teilt dem History Modul mit das letzte Zeichen im Buffer zu l\"oschen
350 (\emph{backspace} ist einen Takt lang high).
351 \item \textbf{\"ubernehmen}: Wenn ein g\"ultiges Zeichen laut Requirements eingegeben wurde, wird
352 jenes Zeichen an \emph{char} angelegt und \emph{take} wird einen Takt lang high gesetzt. Das History
353 Modul wird dadurch getriggert das anliegende Zeichen in den Buffer zu \"ubernehmen.
361 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{sm/parser.pdf}
363 \caption{Statemachine zum Parsen der aktuellen Expression}
368 \item \textbf{idle}: Das Modul ist unt\"atig und wartet auf eine steigende Flanke von \emph{do\_it}.
370 \item \textbf{read char}: Lokale Variablen werden zur\"uckgesetzt und das n\"achste Zeichen wird vom
371 History Modul angefordert.
373 \item \textbf{sign}: Ggf. wird das Vorzeichen auf '-' gesetzt.
375 \item \textbf{calc}: Zeichen f\"ur Zeichen wird eingelesen und die Zahl wird daraus berechnet.
377 \item \textbf{ALU1/2}: Punkt- und Strichrechnungen m\"ussen getrennt behandelt werden, daher ergibt
378 sich dieses Konstrukt.
380 \item \textbf{null}: Sonderbehandlung ist n\"otig wenn die Expression mit '\textbackslash 0'
383 \item \textbf{done}: In diesem Zustand wird das Ergebnis das sich je nach \emph{opd} in
384 \emph{strich} oder \emph{punkt} befindet als String in den Ergebnisbuffer des History Modules
385 geschrieben und danach wird \emph{finnnnnished\_result} f\"ur einen Zyklus auf high gesetzt.
387 \item \textbf{error}: Zwecks \"ubersichtlichkeit wurden die Transitionen zu diesem Zustand
388 vernachl\"assigt. Dieser Zustand wird erreicht sobald ein Grammatikfehler oder ein Fehler der ALU
389 auftritt. Es wird der String ``Error'' in den Ergebnisbuffer geschrieben und
390 \emph{finnnnnished\_result} wird f\"ur einen Zyklus auf high gesetzt.
394 \subsection{Bin/Dez-Converter}
397 opcodes: NOP, ADD, SUB, MUL, DIV, DONE (als enum)
401 \subsection{PC-Kommunikation}
403 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
408 %howto include src files
409 %\subsection{einfache Variante -- generierter Sourcecode}
410 %\label{att:einfachsrc}
411 %\lstinputlisting{../einfach/einfach.src}
412 %\lstinputlisting[firstnumber=24, firstline=24, lastline=34]{bla.src} %firstnumber shouldn't be necessary, but there is probably a bug