01 Overview of Digital Design with Verilog HDL

컴퓨팅 시스템

• 전형적인 컴퓨팅 시스템은 아날로그와 디지털 컴포넌트로 구성됨

• 아날로그
• 변경되는 값을 연속적으로 변하는 물리적 양으로 나타내는 장치나 시스템을 설명함
• 자연의 특성(예: 목소리, 소리, 색상)

• 디지털
• 이산(불연속) 값으로 표현됨
• 이진: High & Low (H & L), True & False, 1 & 0

디지털 신호

• 우리는 왜 디지털을 사용하는가?
• 다루기 쉬움 (처리하기 쉬움)
• 잡음에 대한 내성이 있음

• 디지털 신호
• 전압과 전류와 같은 전기 신호

일반적인 디지털 시스템

• 이진 정보 처리의 예시

디지털 시스템 설계

디지털 디자인 (프로세서, 칩)

• 전체 회로도 설계

• 인텔 4004 ALU

• HDL 설계 (예: Verilog, VHDL)

• 리플 캐리 덧셈기 (RCA)

컴퓨터 과학 내에서의 위치

• 집중하고 있는 부분
• 마이크로아키텍처의 일부
• 레지스터 전송
• 논리 게이트

현대 컴퓨터 시스템에서의 전형적인 추상화 계층

 

디지털 회로 설계의 진화

• 디지털 회로 설계는 여러 해 동안 빠르게 발전해 왔음
• 최초의 디지털 회로는 진공관과 트랜지스터로 설계되었음
• 집적 회로(ICs)는 로직 게이트가 하나의 칩에 배치된 것으로 Jack Kilby에 의해 발명되었음

• 집적 회로 (ICs)
• S/MSI (소/중규모 집적화): < 1,000 게이트
• LSI (대규모 집적화): < 10,000 게이트
• VLSI (초대규모 집적화): > 100,000 트랜지스터

• 전자 디자인 자동화가 발전하기 시작했음
• 디자인이 커지면서 디자인 프로세스가 매우 복잡해졌음
• 컴퓨터 보조 디자인 (CAD)은 VLSI 디지털 회로의 검증과 디자인에 있어 중요해졌음
• 회로 및 로직 시뮬레이션, 자동 배치 및 라우팅

HDLs의 출현

• 프로그래밍 언어 (예: C/C++, 파이썬)는 순차적인 특성을 가진 컴퓨터 프로그램을 기술함

• 하드웨어 기술 언어는 디지털 회로를 함
• HDLs는 하드웨어 요소에서 발견되는 프로세스의 동시성을 모델링함
• Verilog HDL은 1983년 Gateway Design Automation (Cadence)에서 기원함
• VHDL은 DARPA로부터의 계약 하에 개발되었음

• 1980년대 말 논리 합성의 등장은 디지털 디자인 방법론을 변화시켰음
• 디지털 회로는 HDL에 의해 레지스터 전송 레벨에서 기술될 수 있음
• 논리 합성 도구는 RTL을 게이트 및 그들의 상호 연결로 변환하여 회로를 구현함

• HDLs는 또한 시스템 레벨 디자인에도 사용될 수 있음
• 시스템 보드, 상호 연결 버스의 시뮬레이션
• FPGA
• PAL

전형적인 디자인 플로우

• HDL 디자인 플로우
• 사양: 아키텍처, 인터페이스
• 행동 설명: 기능, C/C++
• RTL 설명: HDL 코딩
• 기능 검증 및 테스팅: 시뮬레이션
• 논리 합성 및 타이밍 검증
• 플로어 플래닝 자동 배치 및 라우트 레이아웃 검증: DRC/LVS
• 구현: 칩

• EDA 도구는 GIGO에 취약함
• GIGO: 쓰레기 입력 쓰레기 출력
• 디자이너는 최적화된 디자인을 위해 디자인 방법론의 뉘앙스를 이해해야 합니다.

HDL의 중요성

• HDL은 전통적인 회로 도면 기반 디자인에 비해 많은 이점을 가지고 있음
• 디자인은 매우 추상적인 레벨 (RTL)에서 기술될 수 있음
• 디자인의 기능 검증은 디자인 주기 초기에 수행될 수 있음
• HDL을 사용하여 디자인하는 것은 컴퓨터 프로그래밍과 유사함

Verilog HDL의 인기

• Verilog HDL은 표준 HDL로 발전함

• 일반 목적용이며 배우기 쉬움

• C 프로그래밍 언어와 구문이 유사함

• 동일한 모델에서 다양한 추상화 수준을 혼합할 수 있음 (게이트, RTL)

• 인기 있는 논리 합성 도구 지원이 있음

• 모든 제조 업체(삼성, TSMC)가 Verilog HDL 라이브러리를 제공함

• 사용자가 Verilog와 상호 작용하는 사용자 정의 C 코드를 작성할 수 있도록 프로그래밍 언어 인터페이스 지원이 있음

소프트웨어 vs 하드웨어 디자인

• C/C++ → 운영 체제 (Windows, Linux)

• Verilog → 마이크로프로세서 (Intel, AMD)