Vamos começar simulando

Um mesmo circuito digital pode ser implementado de diversas formas, seja em FPGA (foco dessa disciplina), ASIC, ou mesmo com componentes discretos. Independente da forma escolhida, é sempre importante simular o circuito antes de implementá-lo. A simulação permite verificar o comportamento do circuito em diversas condições, além de permitir a depuração do código. Nesse laboratório, vamos aprender a simular circuitos digitais em Verilog utilizando duas ferramentas distintas: DigitalJS e Icarus Verilog. Ambos devem utilizar os mesmos arquivos de entrada mas possuem leves diferenças que indicaremos a seguir.

Instalando o DigitalJS

Você pode utilizar o DigitalJS diretamente no seu navegador, sem necessidade de instalação através da versão online do DigitalJS, entretanto, para essa disciplina recomendamos utilizar um plugin do VSCode que deve ser instalado conforme imagem abaixo:

clique no botão Instalar e pronto. O DigitalJS estará disponível no seu VSCode. Note que o ícone da figura acima aparecerá no lado direito das abas dos editores de texto e essa é a forma mais simples de abrir um editor.

Instalando o Icarus Verilog

O Icarus já está instalado nos computadores do IC3, entretanto, caso você queira instalar no seu computador pessoal, siga as instruções abaixo:

Windows

1. Baixe o arquivo de instalação do Icarus Verilog e instale normalmente.

2. Abra o terminal do Windows e digite iverilog e pressione Enter. Se o Icarus estiver instalado corretamente, você verá uma mensagem de erro indicando que nenhum arquivo de entrada foi especificado.

Linux (Ubuntu)

1. Abra o terminal e digite sudo apt-get install iverilog e pressione Enter.

2. Após a instalação, digite iverilog e pressione Enter. Se o Icarus estiver instalado corretamente, você verá uma mensagem de erro indicando que nenhum arquivo de entrada foi especificado.

MacOS (Homebrew)

1. Abra o terminal e digite brew install icarus-verilog e pressione Enter.

2. Após a instalação, digite iverilog e pressione Enter. Se o Icarus estiver instalado corretamente, você verá uma mensagem de erro indicando que nenhum arquivo de entrada foi especificado.

O primeiro circuito

O primeiro circuito é baseado no tutorial indicado na bibliografia da disciplina. Recomendo uma leitura dos conceitos básicos antes de prosseguir. O circuito é um somador de 4 bits que soma dois números de 4 bits. O código em Verilog é o seguinte:

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module somador(
  input [3:0] a, // entrada de 4 bits
  input [3:0] b, // entrada de 4 bits
  output [3:0] soma // saída de 4 bits
);

  assign soma = a + b; // soma dos dois sinais de entrada

endmodule

Simule no DigitalJS

Sua tarefa é simular esse circuito no DigitalJS e no Icarus Verilog. Para isso, siga os passos abaixo:

1. Aceite a primeira atividade do GitHub Classroom da disciplina. Isso criará um repositório no GitHub com o código inicial da atividade. O link para a atividade está no Google Classroom (sempre estará lá pois não posso deixar o link público).
2. Observe o circuito e o código Verilog. Tente entender o que o código faz. A linha do 'assign' está comentada. Apenas descomente-a e salve o arquivo.
3. Abra o DigitalJS no VSCode. A seguir, utilize o botão Synthesis conforme figura abaixo
4. Aparecerá uma janela com o circuito do somador, conforme figura abaixo. Você pode interagir com ela indicando os valores de entrada de cada um dos dois sinais ('a' e 'b'). Observe que a saída será alterada diretamente pelo circuito.
5. Na figura acima, está destacado um ponto azul, que não deve aparecer na sua tela. Esse ponto só aparece quando você move o mouse entre os sinais. Ao clicar nesse ponto azul, você automaticamente adiciona esse sinal para a forma de onda, que aparecerá abaixo na tela. A figura abaixo mostra as formas de onda do somador após adicionar os sinais 'a', 'b' e 'soma'. Observe que a saída 'soma' é a soma dos sinais 'a' e 'b'. Altere os valores e veja os sinais mudando com o tempo.

Simule no Icarus Verilog

O processo de simulação no Icarus Verilog requer a utilização de um arquivo de teste, conforme mostrado no tutorial do primeiro circuito acima. O arquivo de testes já está incluso no repositório do GitHub. Sua tarefa é simular o circuito utilizando o Icarus Verilog e verificar se a saída é a esperada. Para isso, siga os passos abaixo:

1. Compile com o Icarus Verilog utilizando o comando: 'iverilog -o tb_somador tb_somador.v somador.v'. Esse comando utilizará os arquivos de entrada 'somador.v' que contém o código do somador e 'tb_somador.v' que contém o código de teste. Como saída, será gerado o executável 'tb_somador' (note a similaridade dessa linha com a linha de compilação do GCC).
2. Execute o arquivo gerado com o comando: './tb_somador'. Esse comando executará o arquivo gerado e mostrará a saída do circuito. Observe se a saída é a esperada.

Entrega

Para entregar o projeto, basta fazer um commit no repositório do GitHub. O GitHub Classroom já está configurado para verificar a entrega e atribuir a nota automaticamente dos testes automaticamente.