Introducción a Verilog: conceptos básicos, sintaxis, ejemplos de diseño y recursos de aprendizaje para principiantes

By 佐川 直弘 | Naohiro Sagawa (運営者)

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1. ¿Qué es Verilog? Visión general y casos de uso

Definición básica de Verilog

Verilog es uno de los lenguajes de descripción de hardware (HDL) utilizados para diseñar circuitos digitales. Mientras que los lenguajes de programación describen programas informáticos, Verilog se usa para describir el comportamiento de circuitos y sistemas digitales. Con este lenguaje puedes simplificar diseños de circuitos complejos y realizar de forma eficiente la simulación y síntesis (conversión a un circuito fabricable).
Verilog se desarrolló en 1984 y fue estandarizado por IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) en 1995. Desde entonces ha seguido evolucionando y hoy se usa ampliamente para el diseño de FPGA (Field‑Programmable Gate Array) y ASIC (Application‑Specific Integrated Circuit).

El papel de Verilog en el diseño de circuitos digitales

El diseño de circuitos digitales es el proceso de crear sistemas que procesan información mediante señales eléctricas. Ejemplos incluyen procesadores y memorias dentro de teléfonos inteligentes y computadoras. Verilog sirve como una herramienta eficaz para diseñar esos sistemas digitales.
Concretamente, se emplea en escenarios como:

• Diseño de FPGA: los FPGA son dispositivos altamente flexibles. Verilog permite a los ingenieros definir libremente la funcionalidad del FPGA y reprogramar el dispositivo según sea necesario.
• Diseño de ASIC: los ASIC son circuitos integrados especializados para aplicaciones concretas. Verilog posibilita el diseño de IC personalizados.
• Simulación: los circuitos descritos en Verilog pueden simularse en software para verificar su comportamiento con antelación, lo que permite detectar y corregir errores de diseño temprano.

Qué aprenderás en este artículo

Este artículo ofrece una explicación paso a paso para principiantes que aprenden Verilog por primera vez o para quienes repasan los fundamentos. Los temas incluyen:

1. Sintaxis básica y conceptos fundamentales de Verilog
2. Ejemplos prácticos de diseño y técnicas de depuración
3. Recursos útiles y recomendaciones de herramientas

Los lectores objetivo son:

• Principiantes que desean aprender Verilog o HDL
• Ingenieros que inician en el diseño de FPGA o ASIC
• Diseñadores o estudiantes que revisan conocimientos básicos

2. Sintaxis básica y conceptos de Verilog

Sintaxis y estructura de Verilog

Definición y uso de módulos

En Verilog, la unidad más fundamental es el módulo. Los módulos representan componentes del circuito y contienen la descripción de entradas, salidas y estructuras internas. A continuación se muestra un ejemplo de un módulo sencillo:

module AND_gate (
    input wire a, // input a
    input wire b, // input b
    output wire y // output y
);
    assign y = a & b; // AND operation
endmodule

Este código realiza una operación AND sobre dos entradas (a y b) y envía el resultado a y. El módulo se define con la palabra clave module y finaliza con endmodule.

Elección de tipos de datos (wire vs. reg)

Verilog emplea dos tipos de datos principales:

• wire: representa un cable físico. Se usa para conectar señales.
• reg: representa un registro. Se usa para almacenar valores en función de eventos de reloj.

Ejemplo:

module Example (
    input wire clk,    // clock input
    input wire rst,    // reset input
    input wire a,      // input a
    output reg y       // output y
);
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst)
            y <= 0;    // output = 0 on reset
        else
            y <= a;    // assign input a to output y on clock edge
    end
endmodule

Aquí, y necesita retener un valor, por lo que se utiliza el tipo reg dentro de un bloque always.

Estructuras de control (if, case) y notas de simulación

Uso de sentencias if

Verilog usa if para ramificaciones condicionales:

always @(posedge clk) begin
    if (a == 1'b1)
        y <= 1'b0;  // set y = 0 when a is 1
    else
        y <= 1'b1;  // otherwise set y = 1
end

Uso de sentencias case

Para condiciones con múltiples ramas:

always @(state) begin
    case (state)
        2'b00: y = 1'b0;
        2'b01: y = 1'b1;
        2'b10: y = 1'b0;
        2'b11: y = 1'b1;
        default: y = 1'bx; // unknown state
    endcase
end

Conceptos esenciales para principiantes

Asignaciones bloqueantes vs. no bloqueantes

Verilog ofrece dos tipos de asignación:

• Bloqueante (=) : Se ejecuta secuencialmente.
• No bloqueante (<=) : Se ejecuta concurrentemente.

Ejemplo:

always @(posedge clk) begin
    a = b;     // blocking
    c <= d;    // non-blocking
end

Pensando en paralelo

Verilog admite ejecución paralela:

always @(posedge clk) begin
    a <= b + 1;
end

always @(posedge clk) begin
    c <= d - 1;
end

Diferencia entre simulación y síntesis

• Simulación : Verificar el comportamiento en software.
• Síntesis : Convertir el diseño en hardware.

Ciertos constructos como initial son solo para simulación.

3. Características clave de Verilog

Fortalezas y comparación con otros HDL

Fortalezas de Verilog

1. Sintaxis simple

• Verilog se asemeja a C, lo que facilita su aprendizaje a programadores.
• Sus elementos fundamentales—módulos, tipos de datos, operadores—son intuitivos.

1. Amplio soporte

• Estándar en herramientas FPGA/ASIC como Vivado y ModelSim.
• Amplias comunidades de aprendizaje y recursos.

1. Metodologías de diseño flexibles

• Soporta diseño RTL y más.

Comparación entre Verilog, VHDL y SystemVerilog

• Diferencia con VHDL : VHDL enfatiza una sintaxis estricta, mientras que Verilog prioriza la expresión concisa.
• Diferencia con SystemVerilog : SystemVerilog añade características orientadas a objetos y capacidades avanzadas de verificación.

Casos de uso práctico de Verilog

El papel de Verilog en el diseño de FPGA

Las FPGA son circuitos integrados programables que permiten una configuración de hardware flexible. Verilog hace posible diseñar lógica digital compleja de manera eficiente. Los roles clave incluyen:

1. Prototipado

• Se utiliza para verificar el comportamiento del circuito temprano en el desarrollo del producto.
• Prototipado rápido con fácil adaptación a cambios de especificaciones.

1. Verificación conductual

• La simulación con Verilog ayuda a identificar problemas de diseño temprano.
• Herramientas como ModelSim permiten a los ingenieros crear bancos de pruebas y observar el comportamiento del sistema.

Flujo básico de la simulación de circuitos

Los pasos generales para la simulación basada en Verilog son:

1. Describir el circuito

• Implementar el circuito objetivo usando Verilog.

1. Crear un banco de pruebas

• Los bancos de pruebas definen el entorno para verificar el comportamiento del circuito.
• Ejemplo:

  module Testbench;
      reg a, b;
      wire y;
  
      // Instantiate the module under test
      AND_gate uut (
          .a(a),
          .b(b),
          .y(y)
      );
  
      initial begin
          // Apply test patterns
          a = 0; b = 0;
          #10; a = 0; b = 1;
          #10; a = 1; b = 0;
          #10; a = 1; b = 1;
          #10;
      end
  endmodule
  

3. Ejecutar la simulación

• Ejecutar el banco de pruebas en un simulador y verificar el comportamiento esperado.

4. Analizar los resultados

• Examinar las formas de onda y identificar problemas de diseño.

4. Ejemplos prácticos de diseño usando Verilog

Aprendizaje a través de código Verilog de ejemplo

Ejemplo de diseño de contador (con explicación del código)

Los contadores son componentes fundamentales en el diseño digital. Aquí hay un contador simple que incrementa basado en una señal de reloj:

module Counter (
    input wire clk,    // clock input
    input wire rst,    // reset input
    output reg [3:0] count // 4-bit counter output
);
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst)
            count <= 4'b0000; // reset counter to 0
        else
            count <= count + 1; // increment on rising edge
    end
endmodule

Explicación:

1. clk controla el temporizado.
2. rst inicializa el contador.
3. El contador aumenta de 0 a 15 de forma síncrona con el reloj.

Ejemplo de FSM (Máquina de estados finitos) y aplicaciones

Las FSM se utilizan para diseñar circuitos con múltiples estados. A continuación, un ejemplo simple con tres estados:

module FSM (
    input wire clk,    // clock input
    input wire rst,    // reset input
    input wire in,     // trigger input
    output reg [1:0] state // current state
);
    // State definitions
    localparam STATE0 = 2'b00,
               STATE1 = 2'b01,
               STATE2 = 2'b10;

    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst)
            state <= STATE0; // initial state
        else begin
            case (state)
                STATE0: state <= (in) ? STATE1 : STATE0;
                STATE1: state <= (in) ? STATE2 : STATE0;
                STATE2: state <= (in) ? STATE0 : STATE1;
                default: state <= STATE0;
            endcase
        end
    end
endmodule

Explicación:

1. Los estados se definen usando localparam.
2. case maneja las transiciones basadas en in.
3. Esta estructura se puede aplicar a controladores o circuitos de generación de señales.

Diseño Simple de Sumador (Amigable para Principiantes)

Un sumador básico de 2 bits:

module Adder (
    input wire [1:0] a, // 2-bit input a
    input wire [1:0] b, // 2-bit input b
    output wire [2:0] sum // 3-bit output to handle carry
);
    assign sum = a + b; // addition
endmodule

Explicación:

1. Usa assign para lógica combinacional.
2. La salida de 3 bits considera el acarreo de salida.
3. Este es un bloque de construcción fundamental para la lógica aritmética.

Problemas Comunes y Soluciones

Errores Típicos (Simulación & Síntesis)

1. Errores de Simulación

• Síntoma: La señal se vuelve indefinida (x).
• Causa: Falta de inicialización o conexiones de módulo incorrectas.
• Solución: Definir valores iniciales o inicializar a través de un testbench.

1. Errores de Síntesis

• Síntoma: Uso de construcciones no sintetizables (p. ej., initial).
• Causa: Inclusión de código solo para simulación.
• Solución: Usar estructuras sintetizables (como always).

Usando Herramientas de Depuración Efectivamente

El diseño en Verilog requiere depuración robusta. Las herramientas comunes incluyen:

1. Simuladores (p. ej., ModelSim)

• Inspeccionar el comportamiento de la señal y verificar el tiempo a través de visualizaciones de formas de onda.

1. Visualizadores de Formas de Onda

• Analizar visualmente las señales de entrada/salida para identificar problemas de diseño.

1. Mensajes de Depuración

• Usar $display para imprimir valores durante la simulación:

  initial begin
      $display("Initial state: %b", state);
  end
  

5. Recursos y Herramientas para Aprender Verilog

Recursos de Aprendizaje Recomendados

Libros y Tutoriales para Principiantes

Para los recién llegados, los materiales de aprendizaje confiables son esenciales. Las opciones recomendadas incluyen:

1. Libros

• “Introduction to Digital Design with HDL”

  • Explica conceptos básicos de tanto Verilog como VHDL.

  • “Verilog HDL: A Guide to Digital Design and Synthesis”

  • Un libro completo en inglés que cubre desde fundamentos hasta diseño avanzado.

  • “Digital Design and Verilog HDL Fundamentals”

  • Adecuado para principiantes a aprendices intermedios, con un fuerte enfoque en el diseño basado en Verilog.

1. Tutoriales en Línea

• YouTube

  • Tutoriales gratuitos disponibles en inglés y japonés.
  • Permite a los aprendices seguir con código real.

  • Sitios Web

  • EDA Playground : Un entorno basado en navegador para ejecutar Verilog.

  • ASIC World : Ofrece tutoriales desde sintaxis hasta ejemplos de diseño prácticos.

Cursos en Video y Aprendizaje Práctico

1. Udemy

• Cursos como “Verilog for Beginners” y “Learn FPGA Design” proporcionan contenido estructurado.

1. Coursera

• Cursos a nivel universitario enfocados en diseño de hardware.

Herramientas que Apoyan el Desarrollo

Herramientas de Modelado (ModelSim, Vivado)

1. ModelSim

• Una herramienta líder de simulación de Verilog.

• Características:

  • Interfaz amigable para el usuario.
  • Visualizador de formas de onda intuitivo para depuración.

1. Vivado

• Suite de diseño de FPGA de Xilinx.

• Características:

  • Soporte integrado desde RTL hasta la implementación.
  • Conexión sin problemas con placas FPGA de Xilinx.

Elección e Instalación de Herramientas de Síntesis

1. Quartus Prime

• Suite de desarrollo FPGA de Intel, con ediciones gratuitas disponibles.

1. ISE Design Suite

• Utilizada para dispositivos FPGA Xilinx más antiguos.

6. Preguntas Frecuentes sobre Aprender Verilog

¿Cómo deberían los principiantes comenzar a aprender Verilog?

Pregunta: Acabo de comenzar a aprender Verilog. ¿Cuál es la mejor manera de empezar?

Respuesta:

1. Comenzar con los fundamentos

• Empieza diseñando circuitos simples como puertas AND/OR. Entender la sintaxis básica y la estructura de módulos es esencial.

1. Utilizar herramientas de simulación

• Herramientas como ModelSim o Vivado ayudan a verificar tu código. Ejecutar simulaciones profundiza tu comprensión.

1. Utilizar recursos confiables

• Consulta libros y tutoriales en línea para construir una base sólida (ver Sección 5 para recomendaciones).

1. Intentar proyectos pequeños

• Después de aprender lo básico, intenta construir proyectos pequeños como contadores de 4 bits o FSM simples.

¿Debería Elegir VHDL o Verilog?

Pregunta: ¿Qué lenguaje debería aprender—VHDL o Verilog? ¿Cuándo se debe usar cada uno?

Respuesta:

1. Cuándo elegir Verilog

• La sintaxis simple de Verilog lo hace amigable para principiantes, especialmente para quienes tienen experiencia en programación C.
• Ampliamente usado para prototipado y desarrollo de FPGA.

1. Cuándo elegir VHDL

• Ideal para sistemas críticos que requieren una validación de diseño estricta.
• La verificación de tipos estricta reduce la probabilidad de errores de diseño.

1. Criterios de selección

• Facilidad de aprendizaje : Verilog suele ser más fácil para principiantes.
• Requisitos del proyecto : Sigue el lenguaje usado en el entorno de diseño.
• Soporte de herramientas : La mayoría de las herramientas soportan ambos, pero la selección depende del FPGA/ASIC objetivo.

Errores Comunes que los Principiantes Deben Evitar

Pregunta: ¿Qué errores cometen comúnmente los principiantes al aprender Verilog y cómo pueden evitarlos?

Respuesta:

1. Falta de inicialización

• Las señales pueden aparecer como x (indefinido) durante la simulación.
• Solución: Siempre inicializa las señales o asigna valores en tu banco de pruebas.

  initial begin
      signal = 0; // initialize signal
  end
  

2. Confundir asignaciones bloqueantes y no bloqueantes

• El uso incorrecto de = (bloqueante) y <= (no bloqueante) puede causar comportamientos inesperados.
• Solución: Usa asignaciones no bloqueantes en bloques always con reloj.

3. Mezclar código sintetizable y solo de simulación

• Incluir construcciones solo de simulación (p.ej., initial ) en lógica sintetizable causa errores.
• Solución: Separa la lógica sintetizable de los bloques solo de simulación.

4. Malinterpretar la ejecución paralela

• Verilog describe el comportamiento de hardware en paralelo, no la lógica secuencial de software.
• Solución: Entiende que cada bloque always se ejecuta de forma independiente.

7. Pasando al Siguiente Paso con Verilog

Revisando tu Progreso de Aprendizaje de Verilog

Lista de Verificación

• Comprensión de la sintaxis básica : Asegúrate de poder describir módulos, tipos de datos y estructuras de control.
• Experiencia práctica de diseño : Los contadores, FSM y diseños similares deben resultarte familiares.
• Uso de herramientas : Deberías poder simular y depurar con ModelSim o Vivado.

Preparándote para el Siguiente Paso

• Si entiendes los conceptos básicos, estás listo para pasar a temas más avanzados.
• Usa los pasos a continuación para ampliar tus habilidades técnicas.

Avanzando al Diseño FPGA

Aprende los Fundamentos de FPGA

FPGA (Field-Programmable Gate Array) es una de las plataformas más prácticas para aplicar habilidades de Verilog.

1. Prepara una placa de desarrollo FPGA

• Placas recomendadas para principiantes: Basys 3, Nexys A7 (Digilent)
• Razón: Gran soporte de la comunidad e integración fácil con Vivado.

1. Comienza con proyectos simples

• Empieza con parpadeo de LED o circuitos controlados por interruptores.
• Aprende división de reloj y lógica de control básica.

1. Pasa a sistemas más complejos

• Diseña controladores multi‑FSM, interfaces de memoria y sistemas integrados.

Transición a SystemVerilog

¿Por qué aprender SystemVerilog?

• SystemVerilog amplía Verilog con características avanzadas de verificación y orientadas a objetos.
• Es útil para construir bancos de pruebas sofisticados y sistemas a gran escala.

Temas clave para estudiar

1. Bancos de pruebas basados en clases

• Permite pruebas aleatorias y análisis de cobertura.

1. Uso de interfaces

• Simplifica la comunicación entre módulos.

1. Estructuras de control extendidas

• Aprende características como unique y priority para mejorar la seguridad del diseño.

Trabajando en proyectos del mundo real

Participa en proyectos de código abierto

• Diseños de procesadores RISC‑V
• Módulos DSP (Procesamiento Digital de Señales) simples

Inicia tus propios proyectos

• Crea diseños originales basados en tus intereses.
• Ejemplos: relojes digitales, procesadores de audio, circuitos de filtrado de señales.

Próximos pasos recomendados de aprendizaje

Adquiere habilidades avanzadas de diseño

1. Diseño de pipelines

• Aprende los fundamentos utilizados en procesadores de alto rendimiento.

1. Comprensión de dominios de reloj

• Domina técnicas para manejar señales en múltiples dominios de reloj.

1. Diseño de bajo consumo

• Aplica métodos de diseño eficientes en energía para aplicaciones reales.