Nos tutoriais anteriores, foram discutidas funções booleanas, expressões booleanas, minimização de expressões booleanas e implementação de uma função booleana no diagrama de portas lógicas. É possível minimizar uma função booleana com menos número de variáveis booleanas e implementar um diagrama de porta lógica para ela manualmente. Mas à medida que o número de variáveis em uma função booleana aumenta, não apenas sua minimização se torna complexa, mas projetar uma implementação de porta lógica para ela também se torna complicado. Nesse caso, as ferramentas de design baseadas em computador são o recurso final.
Essas ferramentas de projeto de circuito digital usam linguagem de descrição de hardware para descrever, prototipar e testar um circuito digital. Uma linguagem de descrição de hardware é uma linguagem de programação que descreve a arquitetura de hardware e o funcionamento de um circuito digital na forma de texto. Uma linguagem de descrição de hardware descreve basicamente a relação entre os sinais de entrada de um circuito digital e os sinais de saída dele. Desta forma, pode representar textualmente qualquer tabela verdade, função booleana ou expressão booleana. O HDL geralmente possui uma sintaxe que pode ser lida tanto por humanos quanto por ferramentas de software (aplicativos de design).
Fig. 1: Imagem Representacional para Linguagens de Descrição de Hardware
O processo de projeto de um circuito integrado digital usando HDL envolve as seguintes etapas –
1) Entrada de projeto: Este é o primeiro passo no projeto de um circuito integrado digital. Nesta etapa, HDL é usado para descrever a funcionalidade do circuito digital. A descrição pode ser na forma de tabela verdade, equação booleana, netlist de portas lógicas interconectadas ou modelos comportamentais. Um circuito digital grande e complexo pode ser dividido em pequenas unidades funcionais ou modelos que são então interligados, tendo cada unidade a sua própria funcionalidade e comportamento.
2) Simulação Lógica: Nesta etapa, o circuito digital baseado nas instruções HDL é simulado como uma sequência ordenada no tempo de sinais de entrada e saída ou na forma de onda dos sinais de entrada e saída. A simulação do circuito digital é útil para detectar qualquer erro no projeto lógico do circuito antes mesmo de sua fabricação em um chip. Os valores lógicos dos sinais de entrada usados para simular o circuito digital são chamados de bancada de testes. A bancada de testes também é escrita em HDL. Ao simular o projeto digital, os erros na lógica do circuito são detectados e as respectivas declarações HDL são então corrigidas para derivar os sinais de saída desejados.
3) Síntese de Projeto: Nesta etapa, o circuito digital é sintetizado programaticamente como um banco de dados de componentes físicos necessários e suas interconexões. A interconexão dos componentes físicos do circuito digital é chamada de netlist. Este banco de dados pode ser usado para fabricar o circuito em um chip de silício ou como layout em uma placa de circuito impresso. O banco de dados digital gerado por ferramentas de síntese é útil para automatizar a fabricação do circuito integrado digital, pois os procedimentos reais envolvidos na implementação do circuito digital são incorporados ao banco de dados.
4) Verificação de tempo: Os circuitos digitais devem emitir sinais dentro de um limite de tempo desejado. Existe algum atraso de propagação no sinal quando ele transita de uma porta lógica para outra. Praticamente, este atraso de propagação deve ser minimizado (como pela implementação em dois níveis das funções booleanas no circuito). Pela verificação do tempo, a velocidade do circuito digital é confirmada. O processo envolve verificar cada caminho do sinal e confirmar se ele não está comprometido pelos atrasos de propagação. Esta é a etapa final antes da fabricação do circuito digital.
5) Simulação de Falhas: Antes de o circuito ser produzido, ele é comparado com o circuito ideal descrito inicialmente no HDL. O circuito de produção pode não apresentar o mesmo comportamento do circuito ideal caso possa induzir alguma falha no circuito. O circuito de produção deve ser verificado se está livre de falhas antes do envio. A simulação de falha é sempre feita antes da produção para testar a lógica interna do circuito integrado.
6) Projeto Físico: No processo, o circuito digital é fabricado em um chip de silício ou PCB dentro de uma sala limpa. Esta é a etapa de produção do circuito. O circuito deve ser fabricado em um ambiente livre de poeira. Mesmo uma única partícula de poeira pode causar falhas no funcionamento do circuito.
Existem duas linguagens de descrição de hardware padrão – VHDL e Verilog. VHDL é uma abreviatura de VHSIC Hardware Description Language, onde VHSIC significa Circuito Integrado de Muito Alta Escala. VHDL é uma linguagem HDL padrão IEEE exigida pelo Departamento de Defesa. O Verilog é uma linguagem HDL proprietária da Cadence Design Systems. A Cadence transferiu o controle da Verilog para um consórcio de empresas e universidades conhecido pelo nome – Open Verilog International. O OVI Verilog foi desenvolvido como uma adoção do padrão IEEE. O Verilog é simples de usar e aprender comparado ao VHDL.
No próximo tutorial, aprenda sobre circuitos aritméticos. Os circuitos aritméticos são os circuitos digitais básicos que fazem parte de uma Unidade Lógica Aritmética (ALU) em qualquer Unidade Central de Processamento (CPU).