Dominando $display em Verilog: Técnicas Eficazes de Depuração e Controle de Exibição

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. Introdução: A Importância e o Propósito de “display” no Verilog

O que Significa “display” no Verilog?

Por que $display é Essencial para o Desenvolvimento em Verilog?

• Eficiência de depuração aprimorada : Em projetos de circuitos complexos, visualizar se os sinais internos estão funcionando corretamente é crítico. Ao usar $display, você pode verificar instantaneamente os valores dos sinais de interesse durante a simulação.
• Visualização da simulação : Ao rastrear transições de valores em pontos específicos no tempo, as formas de onda podem ser insuficientes. Os logs de exibição fornecem um meio confiável de indicar esses momentos precisos.
• Útil também para documentação : Ao transmitir a intenção do design ou regras operacionais para outros engenheiros, inserir logs de exibição anotados pode melhorar a compreensão do código.

Propósito e Estrutura deste Artigo

1. Sintaxe básica e uso : Uma introdução cuidadosa à sintaxe fundamental e ao uso de $display.
2. Comparação com outras tarefas de sistema : Organizaremos as diferenças entre tarefas relacionadas a exibição, como $write, $strobe e $monitor.
3. Especificadores de formato e técnicas avançadas de uso : Serão introduzidos o uso de especificadores de formato como %d, %b, %h, %s e técnicas especiais de exibição.
4. Exemplos práticos de uso : Mostraremos usos concretos em test benches e código com exemplos, fornecendo know-how imediatamente aplicável.
5. Aplicações de controle de exibição : Casos de uso de exemplo incluirão saída de hardware como controle de LCD ou monitor e exibição de texto/imagem.

2. Conceitos Básicos de $display: Sintaxe, Casos de Uso e Precauções

Sintaxe Básica de $display

$display("string or format specifiers", signal1, signal2, ...);

• Porção de string : Escreva qualquer texto ou especificadores de formato (por exemplo: %d, %b, %h).
• Argumentos : Liste nomes de sinais ou variáveis a serem exibidos no formato correspondente.

$display("Time=%0t : clk=%b, reset=%b", $time, clk, reset);

Casos de Uso do $display

1. Acompanhar o progresso da simulação Ao inserir $display em pontos específicos do seu design, você pode verificar qual parte do código a execução alcançou.
2. Verificação de valores de sinais Mesmo quando visualizadores de forma de onda dificultam a compreensão intuitiva de ramificações condicionais ou transições de estado, a saída como texto facilita a compreensão.
3. Exibição condicional de mensagens Ao combinar com instruções if, você pode registrar mensagens somente quando condições específicas são atendidas. if (reset) $display("Reset asserted at %0t", $time);

Diferença entre $display e $write

$display("Hello");
$display("World");

Hello
World

$write("Hello");
$write("World");

HelloWorld

Precauções

1. Evite saída excessiva Se você usar $display a cada ciclo de relógio, os logs crescem muito e a legibilidade diminui. → Use condicionamento para reduzir a saída.
2. Utilize a exibição de tempo Exibir $time ou $realtime permite capturar com precisão o tempo das operações.
3. Tarefa apenas para simulação $display não pode ser usado para síntese (implementação em FPGA/ASIC). É estritamente uma ferramenta de depuração para simulação.

3. Comparando Tarefas de Sistema de Saída de Log: $display, $write, $strobe, $monitor

$display: Tarefa de Exibição Padrão

• Características Adiciona automaticamente uma nova linha e registra uma linha por invocação.
• Caso de uso Mais comumente usada como método básico de depuração; pode ser chamada a qualquer momento para saída pontual.

$write: Exibição Sem Nova Linha

• Características Não acrescenta nova linha e, portanto, continua a saída na mesma linha.
• Caso de uso Útil quando você deseja exibir vários valores lado a lado.
• Exemplo $write("A=%d, ", a); $write("B=%dn", b); → Saída: A=5, B=10.

$strobe: Saída ao Final do Ciclo de Simulação

• Características Imprime valores após todas as avaliações da simulação no passo atual terem sido concluídas.
• Caso de uso Útil para evitar condições de corrida (quando múltiplos sinais mudam simultaneamente).
• Exemplo $strobe("Time=%0t, signal=%b", $time, sig); → Enquanto $display pode mostrar valores intermediários, $strobe mostra valores estabilizados.

$monitor: Saída de Rastreamento Automático

• Características Emite automaticamente quando qualquer sinal monitorado muda.
• Caso de uso Conveniente quando você deseja monitorar continuamente um conjunto de sinais.
• Exemplo $monitor("At %0t: a=%b, b=%b", $time, a, b); → Registra quando a ou b mudam.

Tabela Resumo

Dicas para Uso Eficaz

• Use $display por padrão : Legível e fácil para iniciantes.
• Use $write quando quiser uma saída combinada em uma única linha .
• Use $strobe quando precisar de valores estabilizados após mudanças .
• Use $monitor quando precisar de monitoramento contínuo de sinais .

4. Especificadores de Formato e Técnicas Avançadas de Exibição

Especificadores de Formato Básicos

Exemplos Práticos

1. Exibir um sinal em múltiplos formatos reg [7:0] data = 8'b10101010; $display("data = %b (bin), %d (dec), %h (hex)", data, data, data); → Exemplo de saída: data = 10101010 (bin), 170 (dec), AA (hex)
2. Verificar hierarquia de módulo $display("Current module hierarchy is %m"); → Exemplo de saída: Current module hierarchy is top.u1.counter
3. Exibir tempo de simulação $display("Time=%0t: clk=%b", $time, clk); → Exemplo de saída: Time=100: clk=1

Técnicas Avançadas de Exibição

• Preenchimento com zeros e largura de campo Você pode especificar preenchimento com zeros ou largura de campo como %0d. Exemplo: $display("Count=%04d", count); → Saída: Count=0012
• Distinção entre sinalizado e não‑sinalizado %d trata valores como assinados, %u trata como não‑assinados. Se um valor negativo não for exibido como esperado, ajuste o especificador.
• Formatação de mensagens multilinha Use \n para quebrar linhas e melhorar a legibilidade. Exemplo: $display("Start of test\nSignal A=%b\nSignal B=%b", A, B);

Precauções

• Atenção à largura de bits : Sinais Verilog podem ter larguras diferentes; usar %d pode causar truncamento ou extensão de sinal indesejada.
• Manipulação de valores indefinidos (X, Z) : Se você incluir bits indefinidos, usar %b exibirá x ou z diretamente.

5. Exemplos Práticos: Usando $display em Bancos de Teste e Módulos

Exemplo Básico: Saída em um Test Bench

module tb_counter;
  reg clk;
  reg reset;
  wire [3:0] count;

  // DUT (Device Under Test)
  counter uut (
    .clk(clk),
    .reset(reset),
    .count(count)
  );

  // Clock generation
  initial begin
    clk = 0;
    forever #5 clk = ~clk;  // invert every 5 units
  end

  // Test scenario
  initial begin
    reset = 1;
    #10 reset = 0;

    #50 $finish;
  end

  // Display state
  always @(posedge clk) begin
    $display("Time=%0t | reset=%b | count=%d", $time, reset, count);
  end
endmodule

Exemplo de Display Condicional

always @(posedge clk) begin
  if (count == 4'd10) begin
    $display("Count has reached 10 (Time=%0t)", $time);
  end
end

Exemplo de Mensagem de Depuração

always @(posedge clk) begin
  if (count > 4'd12) begin
    $display("WARNING: count overflow detected! Time=%0t, value=%d", $time, count);
  end
end

Monitoramento de Múltiplos Sinais Juntos

$display("Time=%0t | clk=%b | reset=%b | A=%h | B=%h | SUM=%h",
         $time, clk, reset, A, B, SUM);

Resumo de Dicas Práticas

• Coloque $display no test bench para visualizar o progresso
• Use ramificações condicionais para refinar os logs
• Gere mensagens de aviso para detectar anomalias
• Consolide múltiplos sinais em uma linha para melhorar a legibilidade

6. Aplicações de Controle de Display (Pixel/Texto/Imagem)

Conceito Fundamental de Controle de Display

• HSYNC (Sincronismo Horizontal) : Sinal que indica o fim de cada linha
• VSYNC (Sincronismo Vertical) : Sinal que indica o fim de cada quadro
• Dados RGB : Sinal que representa a cor de cada pixel (ex.: 8 bits × 3 = cor de 24 bits)

Exemplo 1: Exibindo Barras de Cor

always @(posedge clk) begin
  if (h_counter < 100)       rgb <= 24'hFF0000; // red
  else if (h_counter < 200)  rgb <= 24'h00FF00; // green
  else if (h_counter < 300)  rgb <= 24'h0000FF; // blue
  else                       rgb <= 24'h000000; // black
end

Exemplo 2: Exibição de Texto

// Referencing the pattern of 'A' from the font ROM and displaying
if (font_rom[char_code][y][x] == 1'b1)
    rgb <= 24'hFFFFFF;  // white for display
else
    rgb <= 24'h000000;  // black background

Exemplo 3: Exibição de Imagem

rgb <= image_rom[addr];  // Retrieve color data from ROM

Diferença em Relação ao Debug $display

• $display é saída de texto (somente simulação)
• Controle de exibição é geração de sinal de vídeo (implementável em hardware)

• “Quero verificar o comportamento durante a simulação” → Use $display
• “Quero enviar a saída para a tela real no FPGA” → Projete a lógica de sinal de vídeo

Expansão de Aplicações

• Em placas de aprendizado de FPGA, Verilog é frequentemente usado para exibição em display de LED de 7 segmentos ou pequeno display LCD.
• Avançando mais, você pode construir sistemas que suportam saída VGA/HDMI para desenvolvimento de jogos ou exibição de GUI.
• Ao combinar o conhecimento de $display com a lógica de controle de exibição, você pode lidar com “display” tanto na simulação quanto no hardware real.

7. Uso Apropriado e Dicas Baseadas em Cenários de Aplicação

Uso na Simulação

1. $display como log de depuração
   • Saia variáveis ou sinais críticos com $display para verificar se seu design se comporta como esperado.
   • Verificar “valores sob condições específicas” ou “contador atingindo pontos” via logs é eficiente.
2. Evite saída excessiva
   • Emitir a cada ciclo de clock inunda os logs e reduz a legibilidade. Restrinja as condições.
   • Exemplo: if (state == ERROR) $display("Error occured at %0t", $time);
3. Diferencie entre as tarefas
   • $monitor → Para sinais que você deseja observar continuamente
   • $strobe → Quando precisar emitir valores estabilizados
   • $write → Para saída formatada horizontal

Uso no Controle de Exibição em Hardware

1. Display de 7 segmentos para aprendizado
   • Em projetos iniciais de FPGA, exibir o valor de um contador em um LED de 7 segmentos é padrão.
   • Combine com a saída de simulação $display para aprofundar a compreensão de exibição vs. simulação.
2. Controle de LCD ou monitor VGA
   • Use ROM de fonte ou ROM de imagem para exibir texto ou imagem.
   • Também usando $display na simulação, você pode verificar duplamente se a geração do sinal de vídeo está correta.
3. Sobreposição de depuração em hardware
   • Você pode sobrepor “valor do contador”, “coordenadas”, “mensagens de depuração” na saída de vídeo real.
   • No desenvolvimento de FPGA é comum “transformar a tela em uma ferramenta de depuração”.

Dicas Práticas

• Siga o fluxo simulação → hardware Primeiro use $display para validar o comportamento na simulação, depois passe para a lógica de controle de exibição para a implementação em hardware.
• Use logs e formas de onda em conjunto Logs de texto de $display indicam “momento de ocorrência do evento”, enquanto formas de onda mostram “transições detalhadas”. Usar ambos aumenta a precisão da depuração.
• Unifique o formato de mensagens em desenvolvimento de equipe Padronizar o formato das mensagens $display (prefixo, exibição de tempo, etc.) facilita a análise de logs quando várias pessoas trabalham juntas.

Resumo

• Tarefas do tipo $display são ferramentas de “observação” apenas para simulação
• Controle de exibição significa “método de exibição” implementado em hardware
• Usando cada uma adequadamente e combinando-as, você pode alcançar um desenvolvimento eficiente

8. FAQ (Perguntas Frequentes)

Q1. Qual a diferença entre $display e $monitor?

• Para depuração pontual → $display
• Para monitoramento contínuo → $monitor

Q2. Quando devo usar $strobe?

Q3. Qual é o uso do especificador de formato %m?

$display("Current module: %m");

Current module: top.u1.counter

Q4. Meus logs ficaram enormes porque usei muitos $display. O que devo fazer?

• Use instruções if para filtrar a saída
• Emita apenas detecção de erros ou eventos específicos
• Use $monitor para observar apenas os sinais mínimos necessários
• Direcione a saída para um arquivo de log e aplique ferramentas de filtragem durante a análise

Q5. $display pode ser usado para síntese (FPGA/ASIC)?

Q6. Como exibir texto ou imagens no hardware real?

• Display de 7 segmentos → Para exibir números ou caracteres simples
• VGA/LCD → Gere sinais HSYNC, VSYNC, RGB e controle-os
• Texto → Use ROM de fontes e envie padrões de pontos
• Imagens → Armazene bitmaps em ROM ou memória externa e envie os pixels correspondentes

9. Conclusão & Próximos Passos

Resumo deste Artigo

1. Fundamentos do $display
   • Uma tarefa de simulação que exibe sinais ou variáveis, utilizável de forma semelhante ao printf de C.
2. Diferenças em relação a tarefas semelhantes
   • $write → Exibe sem nova linha
   • $strobe → Emite valores estabilizados ao final do ciclo de simulação
   • $monitor → Monitora automaticamente mudanças de sinal
3. Uso de especificadores de formato
   • Usando %b, %d, %h, %m, %t, você pode gerar logs mais claros e práticos.
4. Exemplos práticos
   • Insira $display em test benches para monitorar o progresso.
   • Use mensagens condicionais para habilitar depuração eficiente.
5. Aplicações em controle de exibição
   • $display é apenas para simulação; a implementação em hardware usa HSYNC, VSYNC, RGB para exibir texto/imagem.
   • Do aprendizado de display de 7 segmentos ao controle avançado de VGA/HDMI, há muitas possibilidades de expansão.

Próximos Passos

• Avançar para SystemVerilog → Na linguagem sucessora SystemVerilog você pode usar recursos de depuração mais avançados (asserts, $display aprimorado, etc.).
• Combinar com visualizador de formas de onda → Ao combinar logs de $display e dados de forma de onda, você pode analisar tanto valores numéricos quanto transições, aumentando a precisão da depuração.
• Aprender saída de exibição em hardware → Em um pequeno projeto com FPGA, experimente saída em 7‑segmentos ou LCD para vivenciar a diferença entre “exibição de simulação” e “controle de exibição em hardware”.
• Aplicar em desenvolvimento em equipe → Padronizando o formato de mensagens de $display você melhora a eficiência da análise de logs em desenvolvimento colaborativo.

Em Conclusão