Orientación para entender (algo) el ZX-Uno

[TallerSeverino]

Solo comentar que si por ejemplo como mcleod eres más de C verilog es más sencillo.
Yo estudié en el plan antiguo (nada de grados) y era el año 95, pero introducción a los computadores, programación modular, laboratorio de programación, electrónica digital, arquitectura de computadores, sistemas digitales, eran cosas básicas (1º, 2º, 3º).
Yo que programé en modula-2 encuentro por ejemplo el vhdl muy fácil, es copy/paste del modula que viene del pseudocódigo, otra cosa es que por ejemplo en sistemas digitales nos dimos de canto con el motorola 68020 y programación en ensamblador, pero aprendimos un montón sobre cómo funcionaba el micro, los buses, la memoria, lo que es un sistema digital basado en micro.
Personalmente luego me fuí al audio analógico y hasta hace poco no había tocado código de ningún tipo, con lo cual tengo un gran respeto por el proyecto zx-uno y todos los involucrados en ello.
Ah, yo estudié en la ESTSIT en Málaga, no se cómo estarán otras escuelas, pero bueno, hay que tener en cuenta el "periodo histórico" (madre mía) y que las cosas tienen que avanzar en la dirección de la tecnología y los lenguajes que más se usen en cada área.
Un saludo!

[Dustin]

La verdad es que he tenido que rebajar bastante mis pretensiones, después de comprobar que incluso en una máquina más sencilla que el Spectrum,el Jupiter Ace, hay un montón de detalles que se me escapan. Estoy con el "Programming the Z80" de Zacks y sospecho que aún me quedarían muchas lecturas intermedias antes de que aprender VHDL/Verilog me permitiera sacar algo en claro.

El ensamblador que se suele enseñar ahora es MIPS, de tipo risc, mucho más fácil. Además se usa un entorno simulado, con lo cual ni siquiera tienes que lidiar con detalles relacionados hardware real.

Saludos

[mcleod_ideafix]

La verdad es que he tenido que rebajar bastante mis pretensiones, después de comprobar que incluso en una máquina más sencilla que el Spectrum,el Jupiter Ace, hay un montón de detalles que se me escapan. Estoy con el "Programming the Z80" de Zacks y sospecho que aún me quedarían muchas lecturas intermedias antes de que aprender VHDL/Verilog me permitiera sacar algo en claro.

Hombre... es que para entenderte con un lenguaje de desripción de hardware (HDL), que eso es lo que son VHDL y Verilog, primero tienes que entenderte con lo que es la electrónica digital. No tienes por qué comenzar sabiendo cómo funciona un ordenador. Si tu pretensión es conocer un HDL, primero domina los elementos de la lógica digital. Y de la misma forma que determinadas piezas de código son usuales en un programa informático, determinadas piezas de código HDL también lo son en un circuito descrito. Por ejemplo: un multiplexor de dos canales tiene esta pinta en Verilog:

Código: Seleccionar todo

module mux (input wire a, input wire b, input wire s, output reg y)
begin
  always @* begin
    if (s==1'b0)
      y = a;
    else
      y = b;
  end
endmodule

Aunque si vienes de haber estudiado el lenguaje C, Verilog tiene algunas cosas en común con ese lenguaje, entre ellas, el operador ternario ?: con lo que el módulo anterior puede ser descrito así:

Código: Seleccionar todo

module mux (input wire a, input wire b, input wire s, output wire y)
begin
  assign y = (s==1'b0)? a : b;
endmodule

En ambos casos, lo que habrás descrito en el código es el comportamiento de un multiplexor, para que sea el sintetizador el que infiera que eso que has escrito es un multiplexor. O sea, esto:

Código: Seleccionar todo

       ___
      |   \
A ----|    \
      |     \___ Y   
      |     /
B ----|    /
      |___/
        |
        |
        S

Si sabes cómo es un multiplexor por dentro, en un esquemático harías algo así:

Código: Seleccionar todo

                    __
A -----------------|  \
           |\      | & |--+
       +---| o-----|__/   |   ____
       |   |/             +---\   \
       |                       | + +--- Y
       |            __    +---/___/
B -----------------|  \   |
       |           | & |--+
S -----+-----------|__/

Lo que puedes describir en Verilog, así:

Código: Seleccionar todo

module mux (input wire a, input wire b, input wire s, output wire y)
begin
  assign y = (a & ~s) | (b & s);
endmodule

En este caso, no has especificado el comportamiento, sino que especificas de qué consta un multiplexor (puertas AND (&), puerta OR (|), inversor (~) ) y cómo están conectadas.

La última: si has dado circuitos combinacionales en la carrera, estarás familiarizado con las tablas de verdad, mapas de Karnaugh, etc. Un circuito como el anterior podría describirse sencillamente colocando su tabla de verdad, cosa que en Verilog se hace así (muy similar a cómo lo harías en C)

Código: Seleccionar todo

module mux (input wire a, input wire b, input wire s, output reg y)
begin
  always @* begin
    case ( {s,a,b} )
      3'b000 : y = 0;
      3'b001 : y = 0;
      3'b010 : y = 1;
      3'b011 : y = 1;
      3'b100 : y = 0;
      3'b101 : y = 1;
      3'b110 : y = 0;
      3'b111 : y = 1;
      default: y = 0;
    endcase
  end
endmodule

O acortándolo un poquito...

Código: Seleccionar todo

module mux (input wire a, input wire b, input wire s, output reg y)
begin
  always @* begin
    case ( {s,a,b} )
      3'b000,3'b001,3'b100,3'b110 : y = 0;
      3'b010,3'b011,3'b101,3'b111 : y = 1;
      default: y = 0;
    endcase
  end
endmodule

Acortándolo un poco más, a base de agrupar los valores de la tabla de verdad cuyos bits son "don't care":

Código: Seleccionar todo

module mux (input wire a, input wire b, input wire s, output reg y)
begin
  always @* begin
    casex ( {s,a,b} )
      3'b00x,3'b1x0 : y = 0;
      3'b01x,3'b1x1 : y = 1;
      default: y = 0;
    endcase
  end
endmodule

De esta forma, si conoces los elementos más comunes de la electrónica digital y sabes hacer circuitos con ellos, es cuestión de aprender las primitivas del lenguaje para que en poco tiempo puedas hacer circuitos electrónicos descritos en un HDL. Siempre digo que hacer un circuito en un HDL es esencialmente lo mismo que hacerlo en un editor de esquemáticos gráfico, salvo que en lugar de elegir puertas lógicas de un inventario del programa y dibujar cables entre ellas, lo que haces es escribir un código que describe esas mismas puertas y conexiones.

En definitiva: antes de ponerte a entender el código del ZX-Uno, pregúntate a ti mismo si entiendes el esquemático "tradicional" del Harlequin (en el que se basa el ZX-Uno en parte). Dices que del Jupiter ACE se te escapan aún cosas. Pues bien, olvida de momento tales esquemas y céntrate en algo más sencillo, que no incluya procesadores y memorias; tan sólo puertas lógicas.

[wilco2009]

@mcleod_ideafix: Y hablando de pasarse al lado oscuro. ....
¿Qué me recomendarías como set de aprendizaje de VHDL/Verilog?. ¿Alguna FPGA sencillita y barata? ¿Algún equipo simple que permita hacer pruebas? ¿Quizás un ZX-Uno ?

Y en cuanto a documentación ¿Qué puedo leer por ahí?

Por otro lado, para cosillas menos complejas que no requieran tanto como una FPGA pero que te quedes corto con una GAL (sobre todo por el número de patillas), ¿Qué CPLD's me recomiendas?

[mcleod_ideafix]

¿Qué me recomendarías como set de aprendizaje de VHDL/Verilog?. ¿Alguna FPGA sencillita y barata? ¿Algún equipo simple que permita hacer pruebas? ¿Quizás un ZX-Uno ?

Para empezar con un HDL, sea VHDL o Verilog, en principio no necesitas ninguna FPGA "física". Tan solo el entorno de diseño. He probado tanto el de Altera como el de Xilinx, y de momento me sigo quedando con éste último. Ambos son gratuitos.

Con esto lo que podrás es hacer circuitos y simularlos en un entorno muy similar a un analizador lógico. Si quieres "trascender" de lo virtual a lo material, entonces te hará falta algún tipo de entrenador FPGA. Lo ideal es que pillaras algún entrenador "todo-en-uno", es decir, que tenga no sólamente la FPGA, sino también algunos periféricos y conectores, para hacer cosas curiosas, y además que desde la propia placa se pueda programar la FPGA sin necesidad de un programador JTAG aparte.

En este sentido, y para FPGA's de Xilinx, mi recomendación son las placas entrenadoras de Digilent. Con la más básica de todas, la Basys2, tienes más que suficiente para iniciarte y dominar el tema. Con esa FPGA no podrás meter un Spectrum dentro, pero sí podrás hacer tus propios microprocesadores (en una como ésta tengo hecho un pequeño procesador de 16 bits, y otro de 8 bits que hice para el máster). También en ella he hecho algunos jueguecillos, como el Pong.
http://digilentinc.com/Products/Detail. ... rod=BASYS2

Más barata aún (pero te dará también menos juego) es la placa CPLD Starter Board, que en lugar de una FPGA, trae una CPLD CoolRunner, de 256 celdas (registros). Con ésta no llegarás a poder hacer un microprocesador (salvo que sea muy muy sencillo), pero sí que podrás hacer circuitos electrónicos complejos, tales como una ULA, un controlador de sonido, etc.
http://digilentinc.com/Products/Detail. ... R2-STARTER

Si bicheas un poco por la web de Digilent verás que también tienen unos chismes llamados CMOD, que son CPLD's con todos sus "avíos" montados en una especie de encapsulado DIL, de forma que lo puedes usar en placas de agujeritos, prototipos, etc, sin problemas.

Además de Digilent, si te vas a Aliexpress o a eBay podrás encontrar más placas de desarrollo, más o menos completas. La última que compré, más barata que la Basys2, es una de Altera tal que así:
https://twitter.com/zxprojects/status/4 ... 1251790850

El ZX-Uno puede venirte muy bien para esto, por supuesto. Es de Xilinx y viene con todo lo necesario, excepto el adaptador JTAG USB. El usuario final actualiza el core desde la propia BIOS, pero esto no es viable si vas a poner tus propios cores, que no son los "originales" del ZX-Uno.

Una plaquita, que es muy espartana, pero viene con lo mínimo imprescindible para poder usarla y trastear sin comprar ningún adaptador aparte, es la OLS (Open Logic Sniffer). Usa también una FPGA de Xilinx, y se programa mediante el mismo puerto USB por el que se alimenta.
http://dangerousprototypes.com/open-logic-sniffer/

Con ella es con la que hice el clon del Jupiter ACE, y Jepalza adaptó el core del Spectrum que tengo publicado en OpenCores para que cupiera ahí, y en lugar de la ROM con el BASIC, puso una ROM con un juego, que ocupa menos.

Y en cuanto a documentación ¿Qué puedo leer por ahí?

Para alguien con tu background, puede venirte bien el libro "Verilog HDL. A guide to Digital Design and Synthesis" de Samir Patnikar (la parte 1 completa, y el punto 14 de la parte 2). Cuidado, porque al venir Verilog del ambiente de la simulación, muchos ejemplos que aparecen ahí no son para ser sintetizados (convertidos a hardware real) sino para ser simulados. No obstante da una base sólida de lo que es el lenguaje, con ejemplos de lo que es un circuito (multiplexor, contador, decodificador, etc) y cómo se puede modelar en Verilog (modelo del comportamiento, modelo de ruta de datos, etc).
No tengo bibliografía para VHDL. Ahí Antonio Villena probablemente pueda darte algún consejo.

Por otro lado, para cosillas menos complejas que no requieran tanto como una FPGA pero que te quedes corto con una GAL (sobre todo por el número de patillas), ¿Qué CPLD's me recomiendas?

Las CPLDs más usadas en el mundo "retro", por ser fáciles de encontrar, no ser muy caras, y poder trabajar con tensiones de 5V, son las CPLD de Xilinx de la familia XC9500, o bien la XC9500XL (con permiso de las MAX-II de Altera, muy usadas en modchips para consolas, por ejemplo). Las primeras se alimentan a 5V y todas sus señales son generadas a 5V. Están descatalogadas pero aún se pueden encontrar sin demasiados problemas, al menos las pequeñitas (la XC9536 y XC9572). Las de la familia XC9500XL funcionan a 3,3V y todas las señales que generan son de 3,3V, pero aceptan como entrada señales de 5V sin problemas. De éstas puedes encontrar desde CPLD's de 36 macroceldas (XC9536XL), hasta de 288 macroceldas (XC95288XL). Con la XC9536 he podido hacer cosas tan variopintas como un recambio para la PLA del Commodore 64, o un clon del chip ACID que viene en los cartuchos de juegos de los CPC+ y la GX4000. Hay por ahí diseños para hacer una interfaz SD/MMC compatible con ZXMMC para el Spectrum +2A/+3. Con una XC9572XL es con lo que he hecho la interfaz SD/MMC para el QL, y diría que cabe la ULA de un ZX81, pero no te lo puedo asegurar. Con la XC95144XL puedes hacer un recambio de ULA completo para el Spectrum (pero sólo ULA, sin ULAplus)

Xilinx tiene unas CPLD's más "nuevas", las CoolRunner, que no interesan en el mundo retro ya que no son tolerantes a 5V, pero son más potentes y más flexibles en configuración y prestaciones (y más caras, creo) que las XC9500/XL.

De todas formas, mira también los chips de Altera, ya que a parecidas prestaciones, ellos tienen chips que por lo general son más baratos. En FPGA, las Cyclone IV, y en CPLD, la familia se llama MAX-II.

[wilco2009]

Muchisimas gracias mcleod, ahora a asimilar toda la información y ponerme a ello

-- Actualizado 01 Ago 2014, 15:54 --

¿Qué me recomendarías como set de aprendizaje de VHDL/Verilog?. ¿Alguna FPGA sencillita y barata? ¿Algún equipo simple que permita hacer pruebas? ¿Quizás un ZX-Uno ?

Para empezar con un HDL, sea VHDL o Verilog, en principio no necesitas ninguna FPGA "física". Tan solo el entorno de diseño. He probado tanto el de Altera como el de Xilinx, y de momento me sigo quedando con éste último. Ambos son gratuitos.

He estado mirando en la web de Xilinx, y hay dos suites diferentes, una que se llama "Vivado Design Suite" y que tiene un precio de unos 3000$ y otra que se llama ISE Design Suite que vale otros 3000$, ambas tienen versiones de prueba gratuitas pero de solo 30 días. Me debo estar equivocando en algo, porque una versión totalmente "free" no la encuentro por ninguna parte.

[Dustin]

Hombre... es que para entenderte con un lenguaje de desripción de hardware (HDL), que eso es lo que son VHDL y Verilog, primero tienes que entenderte con lo que es la electrónica digital. No tienes por qué comenzar sabiendo cómo funciona un ordenador. Si tu pretensión es conocer un HDL, primero domina los elementos de la lógica digital. Y de la misma forma que determinadas piezas de código son usuales en un programa informático, determinadas piezas de código HDL también lo son en un circuito descrito. Por ejemplo: un multiplexor de dos canales tiene esta pinta en Verilog:

(...)

En definitiva: antes de ponerte a entender el código del ZX-Uno, pregúntate a ti mismo si entiendes el esquemático "tradicional" del Harlequin (en el que se basa el ZX-Uno en parte). Dices que del Jupiter ACE se te escapan aún cosas. Pues bien, olvida de momento tales esquemas y céntrate en algo más sencillo, que no incluya procesadores y memorias; tan sólo puertas lógicas.

Muchas gracias por responder con tanto detalle. La cuestión es que mi interés de los lenguajes de descripción de HW deriva de la posibilidad en último término de crear o recrear un hardware real. Un medio y no un fin en sí mismo, vamos. Y para ello creo que necesito entender antes cómo funciona un ordenador real con el detalle necesario.

Me refiero a todos aquellos detalles del "mundo real" que hacen que un ordenador funcione: la circuitería auxiliar de puertas lógicas y a veces simples transistores y resistencias, el circuito que controla la memoria de vídeo, los integrados que controlan los buses. Vamos, la diferencia entre saber de verdad cómo funciona un ordenador y tener culturilla.

Por cierto, sí que es cierto que el Verilog tiene un aire a C, parece tener una sintaxis mucho más compacta y potente que el VHDL. Sospecho que a la larga quizá trae más cuenta Verilog que VHDL, pero entiendo por qué en la carrera han optado por VHDL, es más sencillo para un principiante.

Saludos

[TallerSeverino]

He estado mirando en la web de Xilinx, y hay dos suites diferentes, una que se llama "Vivado Design Suite" y que tiene un precio de unos 3000$ y otra que se llama ISE Design Suite que vale otros 3000$, ambas tienen versiones de prueba gratuitas pero de solo 30 días. Me debo estar equivocando en algo, porque una versión totalmente "free" no la encuentro por ninguna parte.

Se llama ISE Webpack

Xilinx ISE Webpack

Un saludo!

[mcleod_ideafix]

Y para ello creo que necesito entender antes cómo funciona un ordenador real con el detalle necesario.

Correcto. O eso, o saber interpretar correctamente el esquemático. Me pasó con el Jupiter ACE que yo no conocía su funcionamiento con el mismo detalle con el que conozco (ahora) el ZX Spectrum. Sin embargo pude replicarlo, y eso es porque, por una parte, el esquemático del Jupiter ACE es "abierto". Es decir, que fuera de la CPU, no hay nada en él que no esté definido a nivel RTL (puertas lógicas), así que mi réplica usó no una descripción basada en el comportamiento (que desconocía por entonces) sino basada en el nivel de ruta de datos (especificar cómo se conectan las diferentes puertas lógicas). Durante su implementación pasó que tuve que reinterpretar algunas partes del esquemático que se habían implementado con electrónica analógica. En concreto, hay en el ACE un circuito de enclavamiento de la señal de WAIT que no es trivial traducirlo a una descripción en Verilog sin caer en algunas "trampas" derivadas del uso de sistemas asíncronos (que a las FPGA's se les da muy mal)

Por cierto, sí que es cierto que el Verilog tiene un aire a C, parece tener una sintaxis mucho más compacta y potente que el VHDL. Sospecho que a la larga quizá trae más cuenta Verilog que VHDL, pero entiendo por qué en la carrera han optado por VHDL, es más sencillo para un principiante.

Bueno, en realidad cuenta lo mismo uno que otro. Se dice que en Europa se tira más por el VHDL y en USA por Verilog. Ambos tienen el mismo poder de descripción, si bien parece ser que para descripciones de muy bajo nivel el Verilog es más adecuado (por tener primitivas a nivel de transistores MOS), y el VHDL es más adecuado para diseños de muy alto nivel. VHDL por otra parte, al estar concebido desde el principio como un estándar para la descripción de circuitos, da algunas ventajas al desarrollador como son los paquetes, que permiten tener parte de un circuito presintetizado, con lo que el ciclo de desarrollo es más corto. Verilog viene de haber sido un lenguaje comercial circunscrito al ámbito de la simulación lógica, por lo que ofrece muchas facilidades para la simulación. VHDL para un principiante tiene la ventaja de que tiene una comprobación estricta de tipos, lo que permite descubrir errores en el código que en Verilog pasan desapercibidos.

[wilco2009]

He estado mirando en la web de Xilinx, y hay dos suites diferentes, una que se llama "Vivado Design Suite" y que tiene un precio de unos 3000$ y otra que se llama ISE Design Suite que vale otros 3000$, ambas tienen versiones de prueba gratuitas pero de solo 30 días. Me debo estar equivocando en algo, porque una versión totalmente "free" no la encuentro por ninguna parte.

Se llama ISE Webpack

Xilinx ISE Webpack

Un saludo!

Muchas gracias.