În cadrul laboratorului de Arhitectura Calculatoarelor vom studia un limbaj de descriere a hardware-ului (eng. Hardware Description Language - HDL) numit Verilog. Limbajele de descriere a hardware-ului sunt folosite în industrie pentru proiectarea și implementarea circuitelor digitale (eng. Aplication-Specific Integrated Circuit - ASIC). Cele mai folosite limbaje de descriere a hardware-ului sunt Verilog și VHDL. Din punct de vedere al sintaxei ele se aseamănă cu limbajele de programare de uz general (ex. C/C++/Java) însă oferă în plus anumite facilități pentru modelarea și simularea logicii combinaționale și secvențiale.

Proiectarea unui circuit digital într-un HDL începe printr-o descriere textuală a circuitului. Aceasta este compilată pentru a verifica sintaxa și a genera un model al circuitului iar apoi modelul poate fi rulat într-un simulator pentru a verifica funcționalitatea descrierii. O alternativă la rularea în simulator este sintetizarea unei configurații pentru programarea unui chip FPGA și testarea acestuia.

Verilog oferă mai multe alternative pentru descrierea unui circuit. Două dintre aceste alternative pe care le vom folosi în cadrul laboratorului sunt: * descrierea structurală - porțile logice sunt legate între ele, asemănător cu o schemă logică, pentru a obține funcționalitatea dorită; aceasta este subiectul pe care îl vom aborda în laboratorul de față. * descrierea comportamentală - se folosesc construcțiile de nivel înalt (ex. if, for, while etc.) pentru a descrie funcționalitatea dorită; vom aborda acest subiect în laboratoarele viitoare.

Pentru descrierea structurală a circuitelor, Verilog oferă o serie de primitive (eng. built-in primitives) asociate porților logice de bază (nu există primitive secvențiale predefinite). O listă abreviată a primitivelor predefinite poate fi consultată în <tabref tabel-primitive>.

<tabcaption tabel-primitive center |Primitive Verilog>

</tabcaption>

Fiecare primitivă are porturi, prin care este conectată în exterior. Primitivele predefinite oferă posibilitatea conectării mai multor intrări (ex. or, and, xor etc.) sau mai multor ieșiri (ex. buf, not). Folosirea unei primitive se face prin instanțierea cu lista de semnale care vor fi conectate la porturile ei. Pentru primitivele predefinite porturile de ieșire sunt declarate înaintea porturilor de intrare.

<tabref tabel-instantiere> oferă câteva exemple de instanțiere a unor porți în Verilog. Pentru primitivele predefinite numele instanței este opțional.

<tabcaption tabel-instantiere center |Exemple de instanțiere a primitivelor>

Schema	Cod
	or(out, a, b, c); // sau or o1(out, a, b, c);
	not(out, in); // sau not my_not(out, in);
	nand (z, x, y); // sau nand n(z, x, y);

</tabcaption>

În Verilog, specificarea semnalelor dintr-o diagramă structurală se face prin wires. Acestea se declară prin cuvântul cheie wire.

wire y1, y2; xor(out, y1, y2); and(y1, in1, in2); nand(y2, in3, in4, in5);

În exemplul anterior y1 și y2 sunt niște semnale de câte 1 bit care leagă ieșirile porților and (y1) și nand (y2) la intrările porții xor.

Pentru a declara semnale pe mai mulți biți se pot folosi vectori precum în declarațiile următoare; x reprezintă un semnal de 8 biți, iar y reprezintă un semnal de 5 biți. Bitul cel mai semnificativ (eng. most significant bit - MSB) este situat întotdeauna în stânga, iar bitul cel mai puțin semnificativ (eng. least significant bit - LSB) în dreapta.

wire[7:0] x;              // 8 biti, MSB este bitul 7, LSB bitul 0
wire[0:4] y;              // 5 biti, MSB este bitul 0, LSB bitul 4
 
// vector de wires
wire[7:0] a[9:0];         // vector cu 10 elemente a câte 8 biti
 
// matrice de wires
wire[3:0] b[4:0][4:0];    // matrice de 5x5 elemente a câte 4 biti

Putem accesa individual biții dintr-un wire (ex. x[0]) sau într-un interval ca în limbajul Matlab (ex. x[3:1], x[7:2]).

wire[7:0] x;         // 8 biti
wire[4:0] y;         // 5 biti
 
assign x[7:3] = y;   // bitii 7-3 din x o să fie egali cu biții din y

Limbajul Verilog necesită ca toate elementele prezentate anterior (primitive și wires) să fie declarate într-un modul. Scopul modulului este să definească interfața și să încapsuleze funcționalitatea unui circuit.

Pentru a declara un modul se folosesc cuvintele cheie module și endmodule. Pe lângă aceste cuvinte cheie, declarația unui modul mai conține: * numele acestuia * lista de porturi (pentru interfața cu exteriorul); pot fi porturi de intrare (input), porturi de ieșire (output) sau porturi de intrare-ieșire (inout) și pot avea mai mulți biți

Exemplu declarare modul

module exemplu(output o, input a, input[3:0] b);
    // descrierea functionalitatii
endmodule

<hidden Click pentru un mod alternativ de declarare a unui modul>

Exemplu declarare modul în Verilog 1995)

module exemplu(o, a, b);
output o;
input a;
input[3:0] b;
    // descrierea functionalitatii
endmodule

</hidden>

Spre deosebire de primitive, ordinea porturilor unui modul nu este restricționată. Intrările și ieșirile pot fi declarate în orice ordine, însă, pentru consistență, se preferă folosirea convenției de la primitive: prima dată se declară ieșirile, apoi intrările.

Implicit, toate porturile sunt de tip wire, însă acest lucru poate fi modificat pentru porturile de ieșire (porturile de intrare nu pot fi modificate). Vom discuta acest aspect în laboratoarele următoare.

Descrierea funcționalității unui modul poate folosi, pe lângă primitive, și instanțe ale altor module. Acest lucru se face asemănător cu instanțierea unei primitive, cu diferența că, în acest caz, numele instanței nu este opțional.

Exemplu instanțiere modul

module mux4_1(output out, input[3:0] in, input[1:0] sel);
    // implementare multiplexor 4:1
endmodule
 
module mux8_1(output out, input[7:0] in, input[2:0] sel);
    mux4_1 m1(out30, in[3:0], sel[1:0]);    // instantiere mux4_1
    mux4_1 m2(out47, in[7:4], sel[1:0]);    // alta instantiere mux4_1
    // logica aditionala
    not(n_sel2, sel[2]);
    and(y1, out30, n_sel2);
    and(y2, out47, sel[2]);
    or(out, y1, y2);
endmodule

În exemplul anterior definiția modulului mux8_1 folosește instanțe ale modulului mux4_1, denumite m1 și m2. Semnalele out30, in[3:0] și sel[1:0] sunt legate la porturile out, in și, respectiv, sel ale instanței m1, asemănător cu apelul unei funcții în C.

<imgcaption mux81 center |Multiplexorul 8:1></imgcaption>

<hidden Click pentru un mod alternativ de instanțiere a unui modul>

În Verilog, legătura dintre porturile unei instanțe și semnalele legate la aceste porturi poate fi făcută și pe baza numelor, nu doar a poziției. Această metodă de instanțiere a unui modul poate fi observată în exemplul următor.

Exemplu instanțiere modul

module mux4_1(output out, input[3:0] in, input[1:0] sel);
    // implementare multiplexor 4:1
endmodule
 
module mux8_1(output out, input[7:0] in, input[2:0] sel);
    mux4_1 m1(.out(out30), .in(in[3:0]), .sel(sel[1:0]));   // instantiere mux4_1
    mux4_1 m2(.sel(sel[1:0]), .in(in[7:4]), .out(out74));   // alta instantiere mux4_1
    // logica aditionala
    not(n_sel2, sel[2]);
    and(y1, out30, n_sel2);
    and(y2, out74, sel[2]);
    or(out, y1, y2);
endmodule

Această metodă de instanțiere nu este suportată pentru primitive, porturile acestora neavând asociate nume. </hidden>

* Verilog este un limbaj case-sensitive; x_in și x_In sunt tratate ca două semnale diferite. * Numele identificatorilor (ex. nume de module, semnale și porturi) pot conține doar litere, cifre, _ și $; ele trebuie să înceapă cu _ sau cu o literă. * Comentariile se marchează cu // sau se încadrează între /.

În cadrul laboratorului vom folosi mediul de dezvoltare Xilinx ISE, varianta WebPACK, pentru simularea codului Verilog și programarea plăcilor cu FPGA. WebPACK este versiunea gratuită a Xilinx ISE disponibilă pentru download pe site-ul Xilinx. Un tutorial pentru instalarea versiunii 14.6 (folosite în laborator) găsiți în secțiunea tutoriale. Sistemul de operare Windows 8 nu este suportat în mod oficial.

Pentru crearea proiectelor și modulelor folosind Xilinx ISE urmăriți tutorialul de pe wiki.

1. (3p) Simulați sumatorul elementar complet din scheletul de cod. Corectați cele 6 erori de sintaxă din implementare.
   • Hint: Descărcați scheletul de cod pentru exerciții.
   • Hint: Scheletul de cod conține deja un proiect Xilinx ISE și un modul de testare.
   • Hint: Urmăriți tutorialul pentru a realiza simularea (săriți peste adăugarea modulului de test, pașii 2-6, deoarece acesta este deja adăugat). Simularea nu va fi realizată din prima deoarece codul conține erori de sintaxă.
   • Hint: Comanda de verificare a sintaxei, Behavioral Check Syntax, situată deasupra celei de simulare, este utilă pentru detectarea mai rapidă a erorilor. Rulați comanda selectând în prealabil fișierul full_adder.v.
   • Hint: Erorile de sintaxă găsite vor apărea în fereastra Errors.
   • Hint: Este bine să începeți rezolvarea cu prima eroare, deoarece toate erorile următoare pot fi cauzate de aceasta. Navigați la începutul ferestrei de erori și citiți primul mesaj. Apăsând pe link-ul roz veți fi duși la linia de cod care a cauzat eroarea.
2. (3p) Implementați și simulați un multiplexor 4:1. Urmăriți diagrama de semnale generată.
   • Hint: Consultați laboratorul 0 pentru implementarea unui multiplexor 4:1.
   • Hint: Respectați interfața cerută în scheletul de cod.
3. (2p) Implementați un sumator pe 4 biți. Verificați corectitudinea sumatorului vizualizând semnalele în baza 10.
   • Hint: Consultați laboratorul 0 pentru implementarea unui sumator pe mai mulți biți.
   • Hint: Folosiți sumatorul implementat la exercițiul 1, adăugându-l la proiect din meniul Project→Add Copy of Source… .
   • Hint: Modificați afișarea unui semnal cu click-dreapta→Radix→Unsigned Decimal.
4. (2p) Implementați și simulați un sumator pe 6 biți. Folosiți un sumator pe 4 biți și două sumatoare pe 1 bit.
   • Hint: Respectați interfața cerută în scheletul de cod.
5. (2p) Implementați și simulați un comparator pe un bit. Acesta are două intrări și 3 ieșiri (pentru mai mic, egal și mai mare).
   • Hint: Respectați interfața cerută în scheletul de cod.

• Schelet de cod
• Soluție laborator (disponibilă începând cu 05.10.2019)
• PDF laborator

• Ciletti, Michael D. “Advanced digital design with the Verilog HDL”. Prentice Hall, 2011