[VerilogHDL] 02_디지털 설계 개요

1. 일반적인 설계 과정

1.1 문제 정의

디자인하고자 하는 하드웨어의 목적과 요구 사항을 명확히 정의합니다. 이 단계에서는 디자인의 목적, 동작 방식, 기능, 성능, 인터페이스 등을 결정합니다. 이 단계에서는 시스템 수준의 설계 요구사항을 구체화하고 명세화합니다.

1.2 설계 구조 설계

문제 정의를 바탕으로 디자인의 구조를 설계합니다. 이 단계에서는 디자인의 모듈 및 하위 모듈 구조를 결정하고, 모듈 간의 상호 작용 및 인터페이스를 정의합니다. 이 구조는 기능 블록과 제어 블록을 포함하는 디자인 계층 구조로 표현될 수 있습니다.

1.3 로직 회로 설계

설계 구조를 바탕으로 회로 수준의 설계를 수행합니다. 이 단계에서는 논리 회로, 레지스터 전송 레벨 (RTL) 설계 등을 사용하여 디자인의 논리적 동작을 표현합니다. 회로 설계에서는 논리 게이트, 레지스터, 메모리 등의 하드웨어 구성 요소를 사용하여 디자인을 구현합니다.

1.4 코드 작성

Verilog HDL을 사용하여 디자인을 설명하는 코드를 작성합니다. 이 단계에서는 회로 설계에서 정의한 논리 동작을 Verilog HDL로 변환합니다. Verilog HDL 코드는 모듈, 포트, 연결, 조합 및 순차 논리, 제어 신호 등을 포함합니다.

1.5 시뮬레이션

작성한 Verilog HDL 코드를 시뮬레이터에 로드하여 디자인의 동작을 확인합니다. 시뮬레이션은 디자인이 예상대로 동작하는지 확인하고, 버그를 찾고 수정하는 데 사용됩니다. 시뮬레이션은 테스트벤치를 작성하여 입력 신호를 생성하고 디자인의 출력을 확인하는 프로세스입니다.

1.6 검증

시뮬레이션을 통해 검증한 후에는 디자인의 정확성을 보장하기 위해 다양한 검증 기법을 적용합니다. 이 단계에서는 테스트 벡터를 생성하고, 커버리지 분석을 수행하여 테스트 케이스의 효율성을 평가합니다. 또한 정적 분석 도구나 형식 검사 도구를 사용하여 코드의 오류를 탐지하고 개선합니다.

1.7 합성

디자인이 검증되면, 논리 합성 도구를 사용하여 Verilog HDL 코드를 실제 하드웨어로 구현할 수 있는 저수준 회로로 변환합니다. 합성은 회로의 최적화와 최적 설계를 수행하여 물리적인 제약 조건을 고려한 회로를 생성합니다.

1.8 실제 구현

합성된 회로를 사용하여 실제 하드웨어에 디자인을 구현합니다. 이 단계에서는 FPGA (Field-Programmable Gate Array)나 ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)와 같은 목표 플랫폼에 디자인을 구현합니다. FPGA를 사용하면 디자인을 프로그래밍 가능한 로직으로 구현할 수 있고, ASIC을 사용하면 특정 응용에 최적화된 집적 회로로 구현할 수 있습니다.

1.9 검증 및 디버깅

실제 구현된 디자인을 테스트하고 검증하여 동작이 예상대로 이루어지는지 확인합니다. 이 단계에서는 실제 하드웨어에서 디자인을 실행하고 검증합니다. 시뮬레이션 및 검증 단계와 유사한 테스트벤치와 디버깅 기술을 사용하여 디자인의 문제를 식별하고 해결합니다.

1.10 완료

디자인이 검증되고 구현이 완료되면, 최종적으로 제품화 또는 생산 단계로 넘어갈 수 있습니다.

이러한 단계들은 일반적인 Verilog HDL 기반의 설계 과정을 나타내며, 실제 프로젝트나 회사에 따라 조정될 수 있습니다. 디자인의 복잡도와 요구 사항에 따라 추가적인 단계나 세부 단계가 필요할 수 있습니다.

2. 설계 방법

2.1 Top-Down 설계

Top-Down 설계는 시스템을 전체적인 관점에서 시작하여 세부적인 요소로 분해해 나가는 방식입니다. 이 방법에서는 먼저 상위 수준의 설계 를 수행한 후, 이를 세분화하여 점차적으로 하위 수준의 모듈로 분해합니다. Top-Down 설계는 다음과 같은 단계로 이루어집니다.

2.1.1 문제 정의

전체 시스템의 목적과 요구 사항을 명확히 정의합니다. 이 단계에서는 시스템의 기능, 인터페이스, 성능 등 을 고려하여 전반적인 설계 목표를 설정합니다.

2.1.2 설계 분할

전체 시스템을 하위 수준 모듈로 분할합니다. 이 단계에서는 전체 시스템을 구성하는 기능 블록이나 하위 모듈을 식별하고, 각 모듈 간의 인터페이스를 정의합니다.

2.1.3 하위 모듈 설계

각 하위 모듈에 대해 상세한 설계를 수행합니다. 이 단계에서는 하위 모듈의 동작 방식, 입력 및 출력 인터페이스, 내부 구성 등을 정의합니다.

2.1.4 모듈 통합

개별 하위 모듈을 통합하여 전체 시스템을 완성합니다. 이 단계에서는 각 모듈 간의 상호 작용을 확인하고 인터페이스를 맞추어야 합니다.

Top-Down 설계는 큰 규모의 복잡한 시스템을 다룰 때 유용 합니다. 상위 수준의 설계를 통해 시스템의 구조와 기능을 명확히 파악할 수 있으며, 개별 모듈의 독립성과 재사용성을 높일 수 있습니다.

2.2 Bottom-Up 설계

Bottom-Up 설계는 하위 수준의 모듈에서 시작하여 이를 조합하여 전체 시스템을 구축하는 방식입니다. 이 방법에서는 먼저 각 모듈의 기능과 인터페이스를 설계하고 개별적으로 구현한 후, 이를 조합하여 상위 수준의 시스템을 구성합니다. Bottom-Up 설계는 다음과 같은 단계로 이루어집니다.

2.2.1 모듈 설계

각 하위 수준 모듈의 설계를 수행합니다. 이 단계에서는 개별 모듈의 동작 방식, 입력 및 출력 인터페이스, 내부 동작 등을 정의합니다.

2.2.2 모듈 통합

설계된 개별 모듈을 조합하여 상위 수준의 모듈 또는 시스템을 구축합니다. 이 단계에서는 각 모듈을 상호 작용하도록 연결하고 인터페이스를 조정해야 합니다.

2.2.3 상위 수준 설계

하위 모듈의 통합을 토대로 상위 수준의 시스템 설계를 수행합니다. 이 단계에서는 모듈 간의 인터페이스를 조정하고 시스템의 전체적인 동작을 확인합니다.

Bottom-Up 설계는 개별 모듈의 동작이 명확하게 정의되어 있는 경우 유용 합니다. 각 모듈을 독립적으로 설계하고 테스트할 수 있으며, 모듈 간의 인터페이스와 상호 작용에 대한 신중한 고려가 필요합니다.

2.3 정리

일반적으로는 top-down 설계 방법과 buttom-up 설계 방법을 혼합하여 사용 합니다. 시스템 설계 아키텍터는 최상위 블록을 정의하고 기능들을 상위블록과 하위 블록으로 나누어 설계를 어떻게 구상할 것인지 결정합니다. 로직 설계자는 최하위 블록에 대한 최적화된 기능 설계를 진행하고 단계별로 상위 블록으로 설계를 진행 합니다.