En los tutoriales anteriores, se discutieron funciones booleanas, expresiones booleanas, minimización de expresiones booleanas e implementación de una función booleana en el diagrama de puerta lógica. Es posible minimizar una función booleana con menos variables booleanas e implementar un diagrama de puerta lógica manualmente. Pero a medida que aumenta el número de variables en una función booleana, no sólo su minimización se vuelve compleja, sino que también se vuelve complicado diseñar una implementación de puerta lógica para ella. En este caso, las herramientas de diseño basadas en computadora son el recurso definitivo.
Estas herramientas de diseño de circuitos digitales utilizan un lenguaje de descripción de hardware para describir, crear prototipos y probar un circuito digital. Un lenguaje de descripción de hardware es un lenguaje de programación que describe la arquitectura del hardware y el funcionamiento de un circuito digital en forma de texto. Un lenguaje de descripción de hardware básicamente describe la relación entre las señales de entrada de un circuito digital y sus señales de salida. De esta forma, puede representar textualmente cualquier tabla de verdad, función booleana o expresión booleana. HDL generalmente tiene una sintaxis que puede ser leída tanto por humanos como por herramientas de software (aplicaciones de diseño).
Fig. 1: Imagen representacional para lenguajes de descripción de hardware
El proceso de diseño de un circuito integrado digital utilizando HDL implica los siguientes pasos:
1) Entrada de diseño : este es el primer paso en el diseño de un circuito integrado digital. En este paso, HDL se utiliza para describir la funcionalidad del circuito digital. La descripción puede ser en forma de tabla de verdad, ecuación booleana, lista de redes de puertas lógicas interconectadas o modelos de comportamiento. Un circuito digital grande y complejo se puede dividir en pequeñas unidades funcionales o modelos que luego se interconectan, teniendo cada unidad su propia funcionalidad y comportamiento.
2) Simulación lógica : en este paso, el circuito digital basado en instrucciones HDL se simula como una secuencia ordenada en el tiempo de señales de entrada y salida o la forma de onda de señales de entrada y salida. La simulación de circuitos digitales es útil para detectar cualquier error en el diseño lógico del circuito incluso antes de que se fabrique en un chip. Los valores lógicos de las señales de entrada que se utilizan para simular el circuito digital se denominan banco de pruebas. El banco de pruebas también está escrito en HDL. Al simular el diseño digital, se detectan errores en la lógica del circuito y luego se corrigen las declaraciones HDL respectivas para derivar las señales de salida deseadas.
3) Síntesis de diseño : en este paso, el circuito digital se sintetiza mediante programación como una base de datos de los componentes físicos requeridos y sus interconexiones. La interconexión de los componentes físicos del circuito digital se denomina netlist. Esta base de datos se puede utilizar para fabricar el circuito en un chip de silicio o como diseño en una placa de circuito impreso. La base de datos digital generada por herramientas de síntesis es útil para automatizar la fabricación de circuitos integrados digitales, ya que los procedimientos reales involucrados en la implementación del circuito digital se incorporan a la base de datos.
4) Verificación de sincronización : los circuitos digitales deben emitir señales dentro de un límite de tiempo deseado. Hay cierto retraso en la propagación de la señal cuando pasa de una puerta lógica a otra. En la práctica, este retraso de propagación debe minimizarse (por ejemplo, implementando funciones booleanas de dos niveles en el circuito). Al comprobar la hora, se confirma la velocidad del circuito digital. El proceso implica verificar cada ruta de señal y confirmar que no esté comprometida por retrasos de propagación. Este es el último paso antes de fabricar el circuito digital.
5) Simulación de fallas : antes de producir el circuito, se compara con el circuito ideal descrito inicialmente en HDL. El circuito de producción puede no presentar el mismo comportamiento que el circuito ideal si pudiera inducir un fallo en el circuito. El circuito de producción debe ser revisado para detectar fallas antes del envío. La simulación de fallas siempre se realiza antes de la producción para probar la lógica interna del circuito integrado.
6) Diseño físico : en el proceso, el circuito digital se fabrica en un chip de silicio o PCB dentro de una sala limpia. Esta es la etapa de producción del circuito. El circuito debe fabricarse en un ambiente libre de polvo. Incluso una sola mota de polvo puede provocar un mal funcionamiento del circuito.
Hay dos lenguajes de descripción de hardware estándar: VHDL y Verilog. VHDL es una abreviatura de Lenguaje de descripción de hardware VHSIC, donde VHSIC significa circuito integrado de muy alta escala. VHDL es un lenguaje HDL estándar IEEE requerido por el Departamento de Defensa. Verilog es un lenguaje HDL propietario de Cadence Design Systems. Cadence transfirió el control de Verilog a un consorcio de empresas y universidades conocido con el nombre de Open Verilog International. OVI Verilog fue desarrollado como una adopción del estándar IEEE. Verilog es fácil de usar y aprender en comparación con VHDL.
En el siguiente tutorial, aprenderá sobre circuitos aritméticos . Los circuitos aritméticos son los circuitos digitales básicos que forman parte de una Unidad Lógica Aritmética (ALU) en cualquier Unidad Central de Procesamiento (CPU).