베릴로그 HDL을 이용한 초시계 설계 및 구현

본 내용은 " 논리설계 및 실험 13 레포트 (베릴로그 HDL 4) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.01.22

문서 내 토픽

• 1. 클락 분주(Clock Divider)

  FPGA의 고주파 클락을 낮은 주파수로 변환하는 기술입니다. 실험에서는 54MHz의 FPGA 주파수를 1Hz로 분주하기 위해 클락 카운터를 이용하여 posedge에서 rising edge를 감지하고, 클락 카운트가 특정값에 도달하면 클락을 반전시켜 원하는 주파수를 생성합니다. 이는 초시계 구현의 핵심 요소로 정확한 시간 측정을 가능하게 합니다.

• 2. 7-Segment LED 디코더(seg_dec)

  4비트 이진수 입력을 7-Segment LED 디스플레이에 표시하기 위한 모듈입니다. 각 숫자(0~9)에 대응하는 LED 세그먼트 패턴을 정의하여 출력합니다. 예를 들어 입력이 1일 때는 B,C 세그먼트만 점등되고, 2일 때는 A,B,G,E,D 세그먼트가 점등되어 아라비아 숫자를 표현합니다.

• 3. 다중 자리수 카운터(seg_digit)

  1의 자리와 10의 자리를 관리하는 모듈로, 1의 자리 클락이 10번 카운트되면 초기화되고 10의 자리 클락이 증가합니다. 10의 자리가 6에 도달하면 다시 0으로 초기화되어 59초 이후 00으로 리셋되는 초시계 동작을 구현합니다.

• 4. Verilog HDL 설계 및 구현

  하드웨어 기술언어인 Verilog를 사용하여 디지털 회로를 설계하고 FPGA에 구현하는 과정입니다. 이 실험에서는 seg_dec, seg_digit, clock_counter, seg_test 등 4개의 모듈을 계층적으로 구성하여 초시계를 완성했으며, RTL 시뮬레이션과 실제 FPGA 구현을 통해 설계의 정확성을 검증했습니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 클락 분주(Clock Divider)

  클락 분주는 디지털 회로 설계에서 매우 중요한 기본 구성 요소입니다. 고속 클락을 저속 클락으로 변환하여 다양한 속도의 회로를 제어할 수 있게 해줍니다. 특히 마이크로컨트롤러나 FPGA 기반 프로젝트에서 필수적이며, 간단한 카운터 로직으로 구현할 수 있어 효율적입니다. 분주비를 조정하여 원하는 주파수를 얻을 수 있으므로, 다양한 응용 분야에서 유연하게 활용됩니다. 다만 분주비 계산 시 정확성이 중요하며, 타이밍 제약을 고려한 설계가 필요합니다.

• 2. 7-Segment LED 디코더(seg_dec)

  7-Segment LED 디코더는 디지털 숫자 표시의 가장 기본적이고 널리 사용되는 방식입니다. 4비트 입력을 7개의 LED 세그먼트 신호로 변환하는 조합 논리 회로로, 구현이 간단하면서도 실용적입니다. 진리표 기반의 설계로 쉽게 이해할 수 있으며, 하드웨어 리소스를 효율적으로 사용합니다. 다만 16가지 입력 중 10가지만 유효한 숫자이므로, 나머지 조합에 대한 처리 방식을 명확히 정의해야 합니다. 현대에는 LCD나 OLED가 대체하고 있지만, 교육 목적과 간단한 응용에서는 여전히 유용합니다.

• 3. 다중 자리수 카운터(seg_digit)

  다중 자리수 카운터는 여러 7-Segment LED를 제어하여 다자리 숫자를 표시하는 시스템입니다. 각 자리수의 값을 분리하고 순차적으로 표시하는 멀티플렉싱 기법이 핵심입니다. 이를 통해 제한된 핀으로 많은 LED를 제어할 수 있어 경제적입니다. 카운터 로직과 디코더, 멀티플렉싱을 통합하여 구현하므로 회로의 복잡도가 증가하지만, 체계적인 설계로 관리 가능합니다. 타이밍 제어가 중요하며, 깜빡임 없는 부드러운 표시를 위해 적절한 주파수 설정이 필수적입니다.

• 4. Verilog HDL 설계 및 구현

  Verilog HDL은 현대 디지털 회로 설계의 표준 언어로, 하드웨어를 효율적으로 기술할 수 있습니다. 조합 논리와 순차 논리를 명확하게 표현할 수 있으며, 시뮬레이션과 합성을 통해 검증 가능합니다. 모듈화 설계로 재사용성이 높고, 복잡한 시스템도 체계적으로 구현할 수 있습니다. 다만 하드웨어 사고방식이 필요하며, 타이밍 제약과 동기화 문제를 이해해야 합니다. FPGA와 ASIC 설계에 필수적이며, 지속적인 학습과 실습을 통해 숙련도를 높일 수 있는 가치 있는 기술입니다.