Polled I/O를 이용한 Calculator

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1. Intro

LEDR(RED LED)에 값을 출력하는 프로그램이나 banner scroll이나 모두 주어진 입력을 출력시키는 프로그램이다. 그러나 입력을 받아서 출력하는 프로그램을 만들기 위해서는 Interrupt 방식을 이용할지 polled I/O 방식을 사용할지 결정해야 한다. Interrupt 방식을 이용하면, CPU는 다른 작업을 처리하고 있다가 context switching을 통해 interrupt request를 처리해주고 그것이 끝나면 다시 원래 작업을 재시작하거나 아니면 다른 작업을 시작하거나 한다. polled I/O 는 busy-waiting을 이용한다. 그렇기 때문에 CPU Idle time은 interrupt 방식이 더 많고, 이는 남은 CPU idle time 동안 다른 작업을 할 수 있다는 뜻이므로 interrupt방식이 polled I/O 방식보다 CPU를 효율적으로 사용한다는 것을 알 수 있다.

 

아무튼 교수님께서 내주신 과제는 Polled I/O를 이용한 프로그램을 만드는 것이었다. 그래서 이번 포스트에서는 Polled I/O를 이용하여 만든 Calculator 프로그램에 대해 적어보려 한다.

 

2. 동작원리

2.1 사용되는 FPGA peripheral

Figure1. 사용되는 FPGA peripheral

calculator 프로그램을 위해서 HEX0에서부터 HEX3(즉 7-segment 4개), slide switch 3개(SW0-SW2), pushbutton key 1개(KEY0), LEDR 10개가 사용된다.

 

2.2 순서도

Figure1. Polled I/O를 이용한 Calculator 프로그램의 순서도

위의 순서도를 글로 설명해보면 다음과 같다. calculator를 위해서는 slide switch가 3개가 사용된다(SW0-SW2). 첫번째 피연산자를 입력받기 위해 slide switch 전부를 내리고 KEY0로 피연산자를 입력받는다. push button을 누를 때 HEX3-HEX0에 피연산자 값이 출력된다. 이후에 SW0를 on으로 바꾸고 연산자를 입력받는다. 한 번 누르면 A가 표시되고, 두 번 누르면 S가 표시되며, 세 번 누르면 P가 표시된다.그 후에 SW1만 on 시키고 나머지 slide switch는 off 시킨 후 두번째 피연산자를 입력받는다. 피연산자 입력과 연산자 입력이 다 끝났으니, 이제 SW2만 on 시키고 나머지 slide switch는 다 off 시키면, 연산결과가 HEX3-HEX0에 출력된다.

 

3. 구현방법설명

Figure2. SW1만 on 시킴으로써 연산자를 입력받는 부분

지난 포스트의 banner scroll source code 에서처럼 이번 calculator source code에도 7-segment에 출력될 10진수에 해당하는 code를 반환하는 각각의 함수를 정의해주었다. 추가로 Add, Sub, Power에 해당하는 모습도 HEX에 출력하기 위해 A,S,P에 해당하는 code를 반환하는 함수들도 정의해주었다.

 

그리고 polled I/O를 위하여 가장 바깥의 큰 while 문 안에서 *SW 값에 따라 작은 while 문 안에 진입할 수 있도록 만들었다. 또한 pushbutton key가 눌렸을 때 debouncing 문제를 해결하기 위해 Figure2의 ㄱ처럼 구현하여, key를 눌렀다가 떼는 시점에 operand 값이 증가하도록 하였다.

 

while((*SW)&0b010){   // select what is b -> sw0


    while((*key)&0x1){
        while((*key)&0x1);
        pressed2+=1;
    }
    if (pressed2>=10){
            int ten = segment(pressed2/10);
            int one = segment(pressed2%10);
            int all = (ten<<8) | one;
            *HEX3_HEX0_ptr = all;
        }
    else {
            new_num= segment(pressed2);
            *HEX3_HEX0_ptr = new_num;
        }
}

%와 / 연산자를 이용하여, 피연산자 값이 10 미만 일때와 10 이상일 때를 나누어 7-segment에 적절하게 표현되도록 구현하였다. 이로 인해 피연산자가 입력받을 수 있는 범위는 maximum 99로 제한된다.

 

while((*SW)&0b100){

    int result;
    if (operand==1)
        result = pressed+pressed2;
    else if (operand==2)
        result = pressed-pressed2;

    else if (operand==3){
        int j;
        int p=1;
        for (j=0; j<pressed2; j++){
            p = p * pressed;
        }
        result = p;
    }

    if (result>=10 && result<100 ){
            int ten = segment(result/10);
            int one = segment(result%10);
            int all = (ten<<8) | one;
            *HEX3_HEX0_ptr = all;
        }
    else if (result<10 && result>=0){
            new_num= segment(result);
            *HEX3_HEX0_ptr = new_num;
        }
    else if (result>=100 && result<1000){
            int hun = segment(result/100);
            result = result - 100*(result/100);
            int ten = segment(result/10);
            int one = segment(result%10);
            int all = (hun<<16) | (ten<<8) | one;
            *HEX3_HEX0_ptr = all;
        }
    else if {
        *HEX3_HEX0_ptr = 0b00000000;
        *ledr = 0b1111111111;
    }
}

연산결과는 %와 / 연산자를 이용하여 일의 자리수, 십의 자리수, 백의 자리수 를 각각 출력하도록 구현하였다. 백의 자리수까지만 출력하도록 구현하였으므로 연산결과의 maximum값은 999이다. 연산결과가 1000이상이면 overflow가 발생했음을 알리기 위해 LEDR 10개가 켜지도록 하였다.

 

4. 결과

 

첫번째 영상은 21+14=35(Add) 하는 영상이고, 두번째 영상은 15-7=8(Sub) 하는 영상이고, 세번째 영상은 2^8=256(Power) 하는 영상이고, 네번째 영상은 10^6=1,000,000(overflow) 영상이다. 모두 정상적으로 동작함을 확인할 수 있다.