Introducción al diseño digital utilizando lenguaje descriptivo de hardware Verilog®

La evolución de la tecnología ha sido muy grande en los últimos años. Hemos sido testigos de un cambio acelerado en los sistemas electrónicos, especialmente en el campo digital. Procesos productivos han llegado a límites inimaginables los que han logrado integrar en empaquetaduras muy pequeñas millones de transistores y elementos lógicos. La salida al mercado de los ASICs (Circuitos integrados de aplicación específica) que consisten en arreglos programables de transistores, cambiaron las formas de diseño, se dio a los ingenieros de hardware la facilidad de plasmar sus ideas y diseños digitales en estos circuitos. Posteriormente se vinieron los dispositivos lógicos programables o PLDs los que con el tiempo y complejidad se los dividió en 2 categorías, los PLDs simples (SPLD) y los PLDs complejos (CPLD), los últimos con mayor nivel de integración y recursos, estos circuitos dieron la posibilidad de integrar en una sola pastilla varias construcciones lógicas y funciones que antes requerían algunas decenas de circuitos convencionales. Y por último Xilinx propuso una nueva tecnología que poseía características muy interesantes de integración de elementos, alta densidad, módulos de memoria y transmisión de datos. Este nuevo dispositivo se lo denominó FPGA por sus siglas en inglés (Field Programable Gate Array). Todos estos elementos lógicos a los que se los ha extendido a la categoría de ASICs requerían de algún tipos de sistema para su utilización, de esta forma se crearon los lenguajes descriptivos de Hardware o HDLs que de una manera textual similar a la utilizada por los lenguajes de programación, ayudaban a la descripción del hardware y a su simulación. Dentro de estos lenguajes descriptivos existen algunos, pero los más utilizados en la actualidad son VHDL y Verilog, siendo este último el escogido para ser utilizado y estudiado en el contexto del Diseño Digital; motivo de esta tesis por su fácil curva de aprendizaje y su similitud lingüística y constructiva con el lenguaje de programación C, tan conocido y difundido en el medio electrónico. Esta tesis constituye una introducción al diseño digital utilizando un lenguaje descriptivo de hardware, que pueda servir como una guía a las personas interesadas en este fascinante mundo del diseño digital. Se ha tratado primeramente de realizar una exposición de las bases del lenguaje, construcciones lingüísticas, estructuras y otros elementos que constituyen el lenguaje. En el capítulo I se realiza una introducción a los lenguajes descriptivos, su historia y se trata también sobre los esquemas de un diseño digital así como la importancia de estos y los lenguajes HDL. Los capítulos correspondientes del II al IV son básicamente teóricos, explicando las partes fundamentales del lenguaje Verilog, se tocan conceptos básicos para ir profundizando y llegar finalmente a temas más avanzados como simulaciones y creación de elementos propios, todo esto siempre acompañado de ejemplos que sirvan para una mejor comprensión. En el capítulo V se enfoca al uso en sí del lenguaje Verilog ya en aplicaciones prácticas, el propósito de este capítulo es el de ilustrar de una forma clara como se realiza el proceso de diseño utilizando herramientas como ISE, que es el sistema de desarrollo de XILINX y una placa de pruebas que utiliza un CPLD de la misma empresa. Todos los ejemplos muestran su explicación, esquemas, propósitos y luego la parte descriptiva y de ejecución. Se incluyen explicaciones sobre el código y las pruebas realizadas en simulación. Finalmente en este capítulo se trata de un tema de aplicación real el cual fue el motivo por el que se escogió el diseño digital mediante un lenguaje descriptivo como el tema de esta tesis. Es la creación de un controlador para panel de LEDs el cual constituye una base para la creación de un sistema más complejo para manejadores de LEDs. Este documento se lo ha desarrollado luego de un profundo y exhaustivo estudio, pruebas e investigaciones que las he realizado con el fin de que se constituya como un aporte o guía para el aprendizaje del lenguaje descriptivo de Hardware Verilog y su aplicación al diseño digital