PRÁCTICAS DE COMPUTADORES I

Presentación de Verilog

En concreto, Verilog es un lenguaje de descripción de hardware (HDL: Hardware Description Language), creado en 1983 en la compañía Automated Integrated Design Systems. Verilog está estandarizado por el IEEE. Los HDLs permiten describir un diseño al nivel de transferencia entre registros. Los detalles de más bajo nivel (puertas lógicas y su interconexión) pueden ser generadas por herramientas automáticas de síntesis a partir de su descripción en un HDL. Los HDLs también se pueden usar para simular y depurar el resultado obtenido, por lo que la elaboración de hardware sigue un proceso en la actualidad que coincide en muchos aspectos con la elaboración de software.

La sintaxis de Verilog es muy similar a la sintaxis de C, por lo que estas prácticas os servirán de apoyo y complemento a las realizadas en las asignaturas de programación.

Configuración del entorno de trabajo.

Icarus Verilog y GPL Cver son dos implementaciones de Verilog libres que están disponibles para Linux.

Si os instaláis una distribución de Linux basada en Debian (la propia Debian, u otras más sencillas como Kubuntu), debéis instalar los paquetes iverilog y/o gplcver:

sudo apt-get install iverilog
sudo apt-get install gplcver

En los ordenadores de clase, ya están instalados estos dos paquetes.

Se necesita, tambíen, un editor de texto para generar los programas. Cualquiera que genere texto plano puede ser válido: vi, kate, gedit, etc.

Primer programa en Verilog

Abrid, pues, el editor de textos para generar el siguiente fichero al que nombraréis hello.v:

/* Programa de ejemplo: hello.v */

module hello;

  initial
    // Imprimimos el mensaje y un salto de lInea
    $display("Hola, mundo\n");

endmodule

Una vez hayáis guardado el programa, debéis abrir una ventana con la línea de órdenes. Observad que habéis creado bien el programa tecleando ls -l. Os ha de aparecer una línea similar a la siguiente:

-rw-r--r-- 1 gyermo gyermo   151 2010-05-20 20:50 hello.v

Procedamos ahora a compilar y ejecutar el programa:

1. Primero con iverilog:
   Compilamos:

   iverilog hello.v -o hello

   Debe aparecer ahora un fichero ejecutable, cuyo nombre será hello. Miradlo con ls -l:

   -rwxr-xr-x 1 gyermo gyermo   448 2010-05-20 20:50 hello
   -rw-r--r-- 1 gyermo gyermo   151 2010-05-20 20:50 hello.v

   Finalmente, lo ejecutamos con ./hello:

   Hola, mundo

2. Ahora, con cver:
   Con cver no es necesario compilar. Simplemente hay que teclear cver hello.v. La salida es:

   GPLCVER_2.12a of 05/16/07 (Linux-elf).
   Copyright (c) 1991-2007 Pragmatic C Software Corp.
     All Rights reserved.  Licensed under the GNU General Public License (GPL).
     See the 'COPYING' file for details.  NO WARRANTY provided.
   Today is Thu May 20 21:39:01 2010.
   Compiling source file "hello.v"
   Highest level modules:
   hello
   
   Hola, mundo
   
   0 simulation events and 0 declarative immediate assigns processed.
   1 behavioral statements executed (1 procedural suspends).
     Times (in sec.):  Translate 0.0, load/optimize 0.1, simulation 0.1.
   End of GPLCVER_2.12a at Thu May 20 21:39:01 2010 (elapsed 0.0 seconds).
   

   Esta salida también se escribe en un fichero denominado verilog.log. Lo podéis comprobar tecleando cat verilog.log.

De ahora en adelante, podéis usar cualquiera de los dos, iverilog o cver, a no ser que se especifique lo contrario en algún apartado.

Comentarios

/* Este es un tipo de comentario */

/* Este tipo de comentario puede abarcar
   varias lIneas */

// Este tipo de comentario sOlo puede abarcar una lInea

Cadenas de caracteres

"Hola, mundo\n" es un ejemplo de una cadena de caracteres que tiene 12 caracteres: 4 caracteres de la palabra Hola, una coma, un espacio, 5 caracteres de la palabra mundo y un carácter especial que hace que se produzca un salto a la línea siguiente (\n).

Constantes numéricas

Si el número es negativo, se antepone el signo menos. Por ejemplo, -'hD1C.

Los números reales se pueden expresar en la notación habitual, usando el punto como separador decimal o en notación científica (por ejemplo, 7.237e10). Solamente se admite la base 10 en los números reales.

Con el objetivo de aumentar la legibilidad de los números binarios, se permite el uso del carácter de subrayado dentro de una constante numérica. Por ejemplo, 'b1_1011_1111_1000 es lo mismo que 'b1101111111000.

Tipos de dato de registros

El entero será del tamaño de la palabra que maneje nuestro ordenador, pero, como mínimo de 32 bits.

Bloques de código

Así, la instrucción initial del ejemplo hello.v solo tienen una instrucción $display en su cuerpo. No necesita, por tanto, ni begin ni end. Si llevara más instrucciones sí que sería necesario, como en el ejemplo del apartado siguiente.

Función $display

integer i;
real f;

initial
begin
  i=4;
  f=2.7172;
  $display("i vale %d y f vale %g",i,f);
end

i vale           4 y f vale 2.7172

$display ha sustituido el primer %d por el contenido del la variable que aparece en el segundo argumento (la i) y %f por el contenido de la variable que aparece como tercer argumento (j).

Los códigos de formato de $display aparecen a continuación. Son también admisibles con mayúscula, con el mismo significado.

Estructura del programa

1. Nombre e inicio del módulo: un programa puede tener, como ya veremos, varios módulos y al menos debe tener uno. Le debemos dar un nombre a cada módulo. El nombre elegido para el módulo de este programa ha sido ej_1_9
2. Área de definición de las variables: las variables son elementos de nuestro programa capaces de almacenar un valor. Todas tienen un nombre que las identifica (i y f en las dos que aparecen en el ejemplo) y son de una clase (técnicamente tienen un tipo). El tipo de variable nos indica la clase de valores que puede contener la variable. En el ejemplo, la primera variable puede contener enteros (integer) y la segunda variable, números de coma flotante (real). En el área marcada se definirán las variables que vamos a usar en el módulo
3. Bloque initial: dentro de este bloque situaremos las instrucciones del módulo (el programa). Las instrucciones se irán ejecutando una tras otra. Si el bloque contuviera una única instrucción, como en el primer ejemplo (hello.v), no sería necesario incluir las palabras begin y end. En el resto de casos se incluyen para que el ordenador sepa dónde empieza y acaba el bloque
4. Área de instrucciones: las instrucciones de un programa se pueden extender y partir en varias líneas. Lo que marca el fin de una instrucción es el punto y coma final, que es obligatorio. En el ejemplo damos valores a las variables i y j y, posteriormente, imprimimos el contenido de las variables con la función $display.
5. Fin del módulo: es obligatorio marcarlo con endmodule

• La orden module, las declaraciones de variables y las órdenes de nuestro programa deben acabar obligatoriamente en punto y coma (;)
• La sintaxis de Verilog y sus conceptos son muy similares a los del lenguaje de programación C que estudiaréis en las asignaturas de Programación. Aunque ahora os cueste digerir estos conceptos, los veréis en profundidad y cobrarán sentido en dichas asignaturas

Ejercicio

1. Expresa en decimal el número 0x1FEA
2. Ídem el número en binario 1000101₂
3. Expresa en octal el número 1234
4. Pasa a hexadecimal el número en binario 1010011₂

Registros

reg reloj;           /* Registro de un bit */
reg [31:0] busA;     /* Registro de 32 bits, sin signo */
reg signed [63:0] m; /* Registro de 64 bits, con signo */

reloj=1'b0;
busA='hAAAABBBB;
busA[7:4]=4'hC;
m=-1;

Ejercicio

1. Almacenad en un registro de 16 bits el número 2323 e imprimidlo en binario y hexadecimal
2. Escribid en hexadecimal, binario y decimal el número mayor y más pequeño que se puede almacenar en un registro de 16 bits sin signo
3. ¿Qué expresión tiene en binario el número 6789 cuando se expresa en complemento a dos en un registro de 16 bits?
4. Expresar el -22 en un registro de ocho bits y pasarlo a uno de 16 bits extendiendo el signo

Operadores aritméticos

La división de dos cantidades enteras nos da la parte entera del cociente. Si se quiere saber cuál es el resto de la división, se debe usar el operador módulo (%).

Redes y cables

Estas variables se usan como los cables en la realidad: para conectar puertas o módulos entre sí. Su tamaño es, por defecto, de un bit.

Necesitan que algún otro elemento les esté proporcionando su valor, al contrario que los registros, que son capaces de almacenarlo.

Valores especiales

1. Indefinido: se representa por x y significa que el valor puede ser cero o uno, no se sabe
2. Alta impedancia: se representa por z y tiene el significado habitual en electrónica

Tanto x como z funcionan como dígitos normales. Por ejemplo, el valor 'b11xxzz00 indica que los primeros dos bits son 1, los dos siguientes no se sabe, los dos siguientes están en alta impedancia y los dos últimos son 0.

Si al asignar un valor en un programa a un registro, el valor especificado es de menos bits que el registro, se asigna valor a esos bits con la siguiente regla: si el valor especificado tiene el bit más significativo a 1 ó 0, los bits más significativos asignados son 0. Si dicho bit es x, son x. Y, si es z, son z.

Ejercicio

Órdenes de la shell relacionadas.

ls

lista el contenido de un directorio

cd

cambia el directorio de trabajo

rm

borra un fichero

man

muestra la página de manual de una orden

cat

muestra el contenido de un fichero

LPEs.