Verilog 기초 디지털 실험: 테스트벤치 작성 및 디버깅

문서 내 토픽

1. Testbench 작성 방법

Verilog에서 모듈의 정상 작동을 확인하기 위해 testbench를 작성한다. 먼저 입출력 포트가 없는 testbench 모듈을 선언하고, DUT(Design Under Test)에 사용할 입력 포트는 registers, 출력 포트는 wires로 선언한다. DUT를 인스턴스화한 후 stimulus 코드를 작성하여 다양한 입력 패턴을 생성하고 출력값을 확인한다. 입력값 변경 시 delay를 삽입하여 출력값을 정확히 관찰할 수 있다.
2. 디버깅 방법론

Verilog 코드의 오류는 syntax error와 logical error로 구분된다. Syntax error는 Vivado의 에러 메시지를 통해 파악하며, 주로 인덱싱 오류나 연산자 오류이다. Logical error는 breakpoint technique을 활용하여 특정 시간대의 입출력값을 분석하고 서브 모듈을 확인하는 top-down 방식으로 디버깅한다. 에러 원인을 찾은 후 코드를 수정하고 재시뮬레이션하여 검증한다.
3. ALU 및 Adder 모듈 설계

ALU 모듈은 2-bit opcode와 8-bit 입력값 A, B를 받아 연산 결과를 출력한다. 4-bit adder는 full adder 4개를 사용하여 구성되며, 16-bit adder는 4-bit adder 4개를 사용한다. Full adder는 XOR, AND, OR 게이트로 구성되며, 각 비트의 합과 자리올림을 계산한다. 모듈 설계 시 정확한 인덱싱과 연산자 사용이 중요하다.
4. Key Scanner 및 Fibonacci 모듈

Key scanner 모듈은 키패드의 행(R0-R3)과 열(C0-C2) 신호를 입력받아 해당 키의 숫자 N과 유효성 신호 V를 출력한다. Fibonacci 모듈은 clock 신호와 reset 신호를 받아 n번째 피보나치 수를 계산한다. 현재값(curr)과 이전값(prev)을 임시 저장하고 blocking 할당문을 사용하여 순차적으로 계산한다. Ready 신호로 계산 완료를 표시한다.
5. NAND 게이트를 이용한 논리 게이트 구현

NAND 게이트는 범용 게이트로서 다른 모든 논리 게이트를 구현할 수 있다. AND 게이트는 NAND 게이트의 출력에 NOT을 적용하여 구현하고, OR 게이트는 드모르간 법칙을 이용하여 구현한다. XOR 게이트는 NAND 게이트 여러 개를 조합하여 구현한다. 이를 통해 4-bit full adder를 NAND 게이트만으로 구성할 수 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. Testbench 작성 방법

Testbench 작성은 디지털 설계에서 매우 중요한 검증 단계입니다. 효과적인 testbench는 설계의 정확성을 보장하고 버그를 조기에 발견할 수 있게 해줍니다. 좋은 testbench는 명확한 테스트 케이스, 체계적인 입력 자극 생성, 그리고 예상 출력과의 비교를 포함해야 합니다. 특히 엣지 케이스와 경계 조건을 충분히 테스트하는 것이 중요합니다. 자동화된 검증 방법론을 사용하면 테스트 효율성을 크게 높일 수 있으며, 이는 개발 시간을 단축하고 설계 품질을 향상시킵니다.
2. 디버깅 방법론

효율적인 디버깅은 체계적인 접근 방식을 요구합니다. 문제를 재현 가능하게 만들고, 가설을 세운 후 검증하는 과정이 필수적입니다. 파형 분석 도구를 활용하여 신호의 시간적 변화를 추적하고, 모듈 단위의 독립적인 테스트를 통해 문제의 범위를 좁혀나가야 합니다. 로그 출력과 assertion을 적절히 활용하면 문제 원인을 빠르게 파악할 수 있습니다. 또한 설계 초기 단계에서부터 디버깅 가능성을 고려한 구조를 만드는 것이 장기적으로 매우 효과적입니다.
3. ALU 및 Adder 모듈 설계

ALU와 Adder는 프로세서의 핵심 연산 장치로서 성능과 정확성이 매우 중요합니다. Adder 설계에서는 carry propagation의 지연을 최소화하기 위해 다양한 구조(ripple carry, carry lookahead 등)를 고려해야 합니다. ALU는 여러 연산 기능을 효율적으로 통합하면서도 면적과 전력 소비를 최적화해야 합니다. 모듈화된 설계를 통해 각 연산 단위를 독립적으로 검증하고, 통합 후에도 모든 연산 조합을 철저히 테스트하는 것이 필수적입니다.
4. Key Scanner 및 Fibonacci 모듈

Key Scanner는 입력 장치와 시스템을 연결하는 중요한 인터페이스로, 신뢰성 있는 키 감지와 디바운싱 처리가 필수입니다. Fibonacci 모듈은 수열 생성의 정확성과 효율성을 동시에 고려해야 합니다. 두 모듈 모두 타이밍 요구사항을 명확히 정의하고, 다양한 입력 조건에서의 동작을 검증해야 합니다. 특히 Key Scanner는 동시 입력 처리와 우선순위 결정 로직을, Fibonacci는 오버플로우 처리와 계산 정확도를 중점적으로 테스트해야 합니다.
5. NAND 게이트를 이용한 논리 게이트 구현

NAND 게이트는 범용 게이트로서 모든 논리 함수를 구현할 수 있는 기본 빌딩 블록입니다. NAND만을 사용하여 다른 게이트들을 구현하는 것은 논리 설계의 기초를 이해하는 데 매우 유용합니다. 다만 NAND 게이트의 개수가 증가하면 회로의 복잡도, 지연 시간, 그리고 전력 소비가 증가할 수 있습니다. 따라서 실제 설계에서는 효율성과 성능을 고려하여 적절한 게이트 조합을 선택하는 것이 중요합니다.