Wprowadzenie do Verilog: podstawy, składnia, przykłady projektów i materiały edukacyjne dla początkujących

By 佐川 直弘 | Naohiro Sagawa (運営者)

※記事内に広告を含みます。Amazonアソシエイトとして適格販売により収入を得ています。

1. Co to jest Verilog? Przegląd i zastosowania

Podstawowa definicja Verilog

Verilog jest jednym z języków opisu sprzętu (HDL) używanych do projektowania układów cyfrowych. Podczas gdy języki programowania opisują programy komputerowe, Verilog służy do opisu zachowania układów i systemów cyfrowych. Korzystając z tego języka, można uprościć złożone projekty układów i efektywnie przeprowadzać symulację oraz syntezę (konwersję na wytwarzalny układ). Verilog został opracowany w 1984 roku i ustandaryzowany przez IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) w 1995 roku. Od tego czasu ciągle się rozwija i jest obecnie szeroko stosowany w projektowaniu FPGA (Field‑Programmable Gate Array) oraz ASIC (Application‑Specific Integrated Circuit).

Rola Verilog w projektowaniu układów cyfrowych

Projektowanie układów cyfrowych to proces budowy systemów przetwarzających informacje przy użyciu sygnałów elektrycznych. Przykłady to procesory i pamięci w smartfonach oraz komputerach. Verilog jest efektywnym narzędziem do projektowania takich systemów cyfrowych. Konkretnie jest używany w następujących scenariuszach:

• Projektowanie FPGA : FPGA to wysoce elastyczne urządzenia. Verilog pozwala inżynierom swobodnie definiować funkcjonalność FPGA i programować urządzenie ponownie w razie potrzeby.
• Projektowanie ASIC : ASIC to specjalizowane układy scalone przeznaczone do konkretnych zastosowań. Verilog umożliwia projektowanie niestandardowych układów IC.
• Symulacja : Układy opisane w Verilog mogą być symulowane w oprogramowaniu w celu weryfikacji zachowania z wyprzedzeniem, co umożliwia wczesne wykrywanie i korygowanie błędów projektowych.

Co nauczysz się w tym artykule

Ten artykuł zapewnia krok po kroku wyjaśnienie dla początkujących, którzy po raz pierwszy uczą się Verilog, oraz dla tych, którzy odświeżają podstawy. Tematy obejmują:

1. Podstawową składnię i podstawowe pojęcia Verilog
2. Praktyczne przykłady projektów i techniki debugowania
3. Przydatne zasoby i rekomendacje narzędzi

Docelowi czytelnicy to:

• Początkujący, którzy chcą nauczyć się Verilog lub HDL
• Inżynierowie rozpoczynający projektowanie FPGA lub ASIC
• Projektanci lub studenci odświeżający podstawową wiedzę

2. Podstawowa składnia i pojęcia Verilog

Składnia i struktura Verilog

Definiowanie i używanie modułów

W Verilog najważniejszą jednostką jest „moduł”. Moduły reprezentują elementy układu i zawierają opisy wejść, wyjść oraz wewnętrznych struktur. Poniżej znajduje się przykład prostego modułu:

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

Ten kod wykonuje operację AND na dwóch wejściach (a i b) i przekazuje wynik na wyjście y. Moduł jest definiowany przy użyciu słowa kluczowego module i kończy się słowem endmodule.

Wybór typów danych (wire vs. reg)

Verilog używa dwóch podstawowych typów danych:

• wire : Reprezentuje fizyczny przewód. Używany do łączenia sygnałów.
• reg : Reprezentuje rejestr. Używany do przechowywania wartości w oparciu o zdarzenia zegara.

Przykład:

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

Tutaj y musi przechowywać wartość, więc używany jest typ reg wewnątrz bloku always.

Struktury kontrolne (if, case) i uwagi dotyczące symulacji

Użycie instrukcji if

Verilog używa if do warunkowego rozgałęziania:

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

Użycie instrukcji case

Dla warunków wielokrotnych:

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

Podstawowe pojęcia dla początkujących

Przypisania blokujące vs. nieblokujące

Verilog oferuje dwa typy przypisań:

• Blokujące (=) : Wykonuje się sekwencyjnie.
• Nieblokujące (<=) : Wykonuje się równocześnie.

Przykład:

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

Myślenie w trybie równoległym

Verilog obsługuje równoległe wykonywanie:

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

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

Różnica między symulacją a syntezą

• Symulacja : Weryfikacja zachowania w oprogramowaniu.
• Synteza : Konwersja projektu na sprzęt.

Niektóre konstrukcje, takie jak initial, są przeznaczone tylko do symulacji.

3. Kluczowe cechy Veriloga

Mocne strony i porównanie z innymi HDL

Mocne strony Veriloga

1. Prosta składnia

• Verilog przypomina C, co ułatwia programistom naukę.
• Jego podstawowe elementy — moduły, typy danych, operatory — są intuicyjne.

1. Rozbudowane wsparcie

• Standard w narzędziach FPGA/ASIC, takich jak Vivado i ModelSim.
• Duże społeczności uczące się i zasoby.

1. Elastyczne metodyki projektowania

• Wspiera projektowanie RTL i inne.

Porównanie Veriloga, VHDL i SystemVerilog

• Różnica z VHDL : VHDL kładzie nacisk na ścisłą składnię, podczas gdy Verilog priorytetowo traktuje zwięzłe wyrażenia.
• Różnica z SystemVerilog : SystemVerilog dodaje cechy obiektowe i zaawansowane możliwości weryfikacji.

Praktyczne zastosowania Veriloga

Rola Veriloga w projektowaniu FPGA

FPGA to programowalne układy scalone, które pozwalają na elastyczną konfigurację sprzętu. Verilog umożliwia projektowanie złożonej logiki cyfrowej w sposób efektywny. Kluczowe role obejmują:

1. Prototypowanie

• Używane do weryfikacji zachowania obwodu we wczesnym etapie rozwoju produktu.
• Szybkie prototypowanie z łatwą adaptacją do zmian specyfikacji.

1. Weryfikacja behawioralna

• Symulacja z Verilogem pomaga wczesne wykrywanie problemów projektowych.
• Narzędzia takie jak ModelSim pozwalają inżynierom budować testbenchy i obserwować zachowanie systemu.

Podstawowy przebieg symulacji obwodu

Ogólne kroki symulacji opartej na Verilogu to:

1. Opisz obwód

• Implementuj docelowy obwód przy użyciu Veriloga.

1. Utwórz testbench

• Testbenchy definiują środowisko do weryfikacji zachowania obwodu.
• Przykład:

  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. Uruchom symulację

• Uruchom testbench w symulatorze i zweryfikuj oczekiwane zachowanie.

4. Analizuj wyniki

• Przejrzyj wyjścia przebiegów i zidentyfikuj problemy projektowe.

4. Praktyczne przykłady projektowania z użyciem Veriloga

Nauka poprzez przykładowy kod Veriloga

Przykład projektu licznika (z wyjaśnieniem kodu)

Liczniki są podstawowymi komponentami w projektowaniu cyfrowym. Oto prosty licznik, który zwiększa się na podstawie sygnału zegarowego:

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

Wyjaśnienie:

1. clk kontroluje czas.
2. rst inicjalizuje licznik.
3. Licznik zwiększa się od 0 do 15 synchronicznie z zegarem.

Przykład FSM (Maszyna stanów skończonych) i zastosowania

FSM są używane do projektowania układów z wieloma stanami. Poniżej prosty przykład z trzema stanami:

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

Wyjaśnienie:

1. Stany są definiowane przy użyciu localparam .
2. case obsługuje przejścia w zależności od in .
3. Ta struktura może być zastosowana w kontrolerach lub układach generujących sygnały.

Prosty projekt sumatora (przyjazny dla początkujących)

Podstawowy sumator 2‑bitowy:

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

Wyjaśnienie:

1. Używa assign do logiki kombinacyjnej.
2. Wyjście 3‑bitowe uwzględnia przeniesienie.
3. To podstawowy blok budulcowy dla logiki arytmetycznej.

Typowe problemy i rozwiązania

Typowe błędy (symulacja i synteza)

1. Błędy symulacji

• Objaw: Sygnał staje się niezdefiniowany ( x ).
• Przyczyna: Brak inicjalizacji lub niepoprawne połączenia modułów.
• Rozwiązanie: Zdefiniuj wartości początkowe lub zainicjalizuj w testbenchu.

1. Błędy syntezy

• Objaw: Używanie konstrukcji nie‑syntezowalnych (np. initial ).
• Przyczyna: Zawieranie kodu przeznaczonego wyłącznie do symulacji.
• Rozwiązanie: Używaj struktur syntezowalnych (takich jak always ).

Efektywne korzystanie z narzędzi debugowania

Projektowanie w Verilogu wymaga solidnego debugowania. Popularne narzędzia to:

1. Symulatory (np. ModelSim)

• Analiza zachowania sygnałów i weryfikacja timingów za pomocą wyświetlaczy przebiegów.

1. Przeglądarki przebiegów

• Wizualna analiza sygnałów wejściowych/wyjściowych w celu wykrycia problemów w projekcie.

1. Komunikaty debugowania

• Użyj $display, aby wypisywać wartości podczas symulacji:

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

5. Zasoby i narzędzia do nauki Veriloga

Polecane materiały edukacyjne

Książki i samouczki dla początkujących

Dla nowicjuszy niezbędne są rzetelne materiały edukacyjne. Polecane pozycje to:

1. Książki

• „Introduction to Digital Design with HDL”

  • Wyjaśnia podstawowe pojęcia zarówno Veriloga, jak i VHDL.

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

  • Kompleksowa książka w języku angielskim obejmująca podstawy oraz zaawansowane projektowanie.

  • „Digital Design and Verilog HDL Fundamentals”

  • Przeznaczona dla początkujących i średniozaawansowanych, z dużym naciskiem na projektowanie w Verilogu.

1. Samouczki online

• YouTube

  • Darmowe samouczki dostępne w języku angielskim i japońskim.
  • Umożliwiają uczniom podążanie za rzeczywistym kodem.

  • Strony internetowe

  • EDA Playground : Środowisko przeglądarkowe do uruchamiania Veriloga.

  • ASIC World : Oferuje samouczki od składni po praktyczne przykłady projektów.

Kursy wideo i nauka praktyczna

1. Udemy

• Kursy takie jak „Verilog for Beginners” i „Learn FPGA Design” zapewniają ustrukturyzowaną treść.

1. Coursera

• Kursy na poziomie uniwersyteckim skoncentrowane na projektowaniu sprzętu.

Narzędzia wspierające rozwój

Narzędzia modelujące (ModelSim, Vivado)

1. ModelSim

• Wiodące narzędzie do symulacji Veriloga.

• Funkcje:

  • Przyjazny interfejs użytkownika.
  • Intuicyjny przeglądnik przebiegów do debugowania.

1. Vivado

• Pakiet do projektowania FPGA od Xilinx.

• Funkcje:

  • Zintegrowane wsparcie od RTL do implementacji.
  • Bezproblemowe połączenie z płytami FPGA Xilinx.

Wybór i instalacja narzędzi syntezy

1. Quartus Prime

• Zestaw narzędzi FPGA firmy Intel, dostępny w darmowych edycjach.

1. ISE Design Suite

• Używany do starszych urządzeń FPGA Xilinx.

6. FAQ o nauce Verilog

Jak początkujący powinni rozpocząć naukę Verilog?

Pytanie: Dopiero zaczynam naukę Verilog. Jaki jest najlepszy sposób na rozpoczęcie?

Odpowiedź:

1. Zacznij od podstaw

• Zacznij od projektowania prostych obwodów, takich jak bramki AND/OR. Zrozumienie podstawowej składni i struktury modułu jest niezbędne.

1. Korzystaj z narzędzi symulacyjnych

• Narzędzia takie jak ModelSim lub Vivado pomagają w weryfikacji kodu. Uruchamianie symulacji pogłębia zrozumienie.

1. Korzystaj z wiarygodnych źródeł

• Odwołuj się do książek i samouczków online, aby zbudować solidne podstawy (zobacz sekcję 5 dla rekomendacji).

1. Podejmuj małe projekty

• Po opanowaniu podstaw spróbuj zbudować małe projekty, takie jak 4‑bitowe liczniki lub proste maszyny stanów (FSM).

Czy powinienem wybrać VHDL czy Verilog?

Pytanie: Którego języka powinienem się uczyć — VHDL czy Verilog? Kiedy używać każdego z nich?

Odpowiedź:

1. Kiedy wybrać Verilog

• Prosta składnia Verilog sprawia, że jest przyjazny dla początkujących, szczególnie dla osób z doświadczeniem w programowaniu w C.
• Powszechnie używany do prototypowania i rozwoju FPGA.

1. Kiedy wybrać VHDL

• Idealny dla systemów krytycznych, wymagających ścisłej weryfikacji projektu.
• Silne sprawdzanie typów zmniejsza ryzyko błędów projektowych.

1. Kryteria wyboru

• Łatwość nauki : Verilog jest zazwyczaj łatwiejszy dla początkujących.
• Wymagania projektu : Stosuj język używany w środowisku projektowym.
• Wsparcie narzędzi : Większość narzędzi obsługuje oba języki, ale wybór zależy od docelowego FPGA/ASIC.

Częste błędy, których powinni unikać początkujący

Pytanie: Jakie błędy popełniają początkujący ucząc się Verilog i jak ich uniknąć?

Odpowiedź:

1. Brak inicjalizacji

• Sygnały mogą pojawiać się jako x (niezdefiniowane) podczas symulacji.
• Rozwiązanie: Zawsze inicjalizuj sygnały lub ustawiaj wartości w testbenchu.

  initial begin
      signal = 0; // initialize signal
  end
  

2. Mylenie przypisań blokujących i nieblokujących

• Nieprawidłowe użycie = (blokujące) i <= (nieblokujące) może powodować nieoczekiwane zachowanie.
• Rozwiązanie: Używaj przypisań nieblokujących w zegarowych blokach always.

3. Mieszanie kodu syntezowalnego i tylko symulacyjnego

• Umieszczanie konstrukcji tylko symulacyjnych (np. initial) w logice syntezowalnej powoduje błędy.
• Rozwiązanie: Oddziel logikę syntezowalną od bloków tylko symulacyjnych.

4. Nieprawidłowe rozumienie równoległego wykonywania

• Verilog opisuje równoległe zachowanie sprzętu, a nie sekwencyjną logikę programową.
• Rozwiązanie: Zrozum, że każdy blok always działa niezależnie.

7. Przejście do kolejnego kroku z Verilog

Przegląd postępów w nauce Verilog

Lista kontrolna przeglądu

• Zrozumienie podstawowej składni : Upewnij się, że potrafisz opisać moduły, typy danych i struktury sterujące.
• Praktyczne doświadczenie w projektowaniu : Liczniki, FSM i podobne projekty powinny być dla Ciebie naturalne.
• Użycie narzędzi : Powinieneś być w stanie symulować i debugować przy użyciu ModelSim lub Vivado.

Przygotowanie do kolejnego kroku

• Jeśli rozumiesz podstawy, jesteś gotowy przejść do bardziej zaawansowanych tematów.
• Skorzystaj z poniższych kroków, aby rozwinąć swoje umiejętności techniczne.

Przejście do projektowania FPGA

Naucz się podstaw FPGA

FPGA (Field‑Programmable Gate Array) jest jedną z najbardziej praktycznych platform do zastosowania umiejętności Verilog.

1. Przygotuj płytkę rozwojową FPGA

• Zalecane płytki dla początkujących: Basys 3, Nexys A7 (Digilent)
• Powód: Silne wsparcie społeczności i łatwa integracja z Vivado.

1. Zacznij od prostych projektów

• Zacznij od migania diod LED lub obwodów sterowanych przełącznikami.
• Naucz się dzielenia zegara i podstawowej logiki sterowania.

1. Przejdź do bardziej złożonych systemów

• Projektuj kontrolery wielokrotnych automatów skończonych (FSM), interfejsy pamięci i systemy zintegrowane.

Przejście do SystemVerilog

Dlaczego warto uczyć się SystemVerilog?

• SystemVerilog rozszerza Verilog o zaawansowane funkcje weryfikacji i programowania obiektowego.
• Przydatny do tworzenia zaawansowanych środowisk testowych i systemów dużej skali.

Kluczowe tematy do nauki

1. Środowiska testowe oparte na klasach

• Umożliwia testowanie losowe i analizę pokrycia.

1. Używanie interfejsów

• Upraszcza komunikację pomiędzy modułami.

1. Rozszerzone struktury sterujące

• Poznaj funkcje takie jak unique i priority, aby zwiększyć bezpieczeństwo projektu.

Praca nad projektami rzeczywistymi

Dołącz do projektów open-source

• Projektowanie procesorów RISC‑V
• Proste moduły DSP (Digital Signal Processing)

Rozpocznij własne projekty

• Twórz oryginalne projekty zgodnie ze swoimi zainteresowaniami.
• Przykłady: zegary cyfrowe, procesory audio, układy filtracji sygnałów.

Zalecane kolejne kroki edukacyjne

Zdobycie zaawansowanych umiejętności projektowych

1. Projektowanie potoków

• Poznaj podstawy stosowane w procesorach wysokiej wydajności.

1. Zrozumienie domen zegarowych

• Opanuj techniki obsługi sygnałów w wielu domenach zegarowych.

1. Projektowanie niskiego poboru mocy

• Stosuj metody projektowania energooszczędnego w rzeczywistych zastosowaniach.