Lógica digital en la DE1-SoC (1/6): tus primeras puertas en hardware real

La mayoría de los programas que conoces se ejecutan en un procesador: las instrucciones van una detrás de otra. En este curso harás algo distinto. Vas a describir un circuito digital en un lenguaje llamado Verilog, y un chip real se configurará para convertirse en ese circuito. No hay un procesador ejecutando tus líneas una por una: tu descripción se convierte en cables y puertas reales que funcionan al mismo tiempo.

El chip es una FPGA (*Field-Programmable Gate Array*): un circuito integrado con una gran red de bloques lógicos y conexiones que se pueden reconfigurar. La placa es una Terasic DE1-SoC con una FPGA Cyclone V de Intel/Altera, muy usada en cursos universitarios de diseño digital. Accedes a una placa real desde el navegador con LabsLand: un servidor usa Intel Quartus para convertir tu Verilog en un archivo de configuración, programa la placa física y te muestra una cámara en directo para ver cómo responden los LED reales.

Partes de la placa que usarás en este curso:

- SW[9:0] - 10 interruptores deslizantes que controlas en pantalla. Un interruptor arriba es lógica 1.
- KEY[3:0] - 4 pulsadores. Son activos en bajo: un botón lee 0 cuando está pulsado y 1 cuando está suelto.
- CLOCK_50 - una señal de reloj de 50 MHz (la usarás a partir de la Lección 3).
- LEDR[9:0] - 10 LED rojos, con LEDR0 en el extremo derecho de la fila y LEDR9 en el izquierdo. Son activos en alto: un LED se enciende cuando lo pones a 1.
- HEX0-HEX5 - seis displays de 7 segmentos. Son activos en bajo: un segmento se enciende cuando su bit vale 0.

El flujo de trabajo será el mismo en cada lección: el editor de Verilog de LabsLand se abre con un archivo, leds_mirror.v, que contiene un módulo de nivel superior llamado leds_mirror. Vas a reemplazar todo el contenido de ese archivo con el diseño del ejercicio (manteniendo siempre el módulo con el nombre leds_mirror), pulsar Sintetizar, esperar a que termine, pulsar Enviar a la FPGA y usar los interruptores en pantalla mientras observas la cámara. Si una guía o ventana de ayuda tapa los botones del editor, ciérrala o sáltala antes de continuar.

Una puerta lógica toma una o más entradas binarias y produce una salida binaria. Seis puertas cubren casi todo lo que usarás en este curso. Con entradas A y B:

Tabla de verdad para A, B:

- A=0, B=0 -> AND 0, OR 0, NOT A 1, NAND 1, NOR 1, XOR 0
- A=0, B=1 -> AND 0, OR 1, NOT A 1, NAND 1, NOR 0, XOR 1
- A=1, B=0 -> AND 0, OR 1, NOT A 0, NAND 1, NOR 0, XOR 1
- A=1, B=1 -> AND 1, OR 1, NOT A 0, NAND 0, NOR 0, XOR 0

En Verilog estas puertas se escriben con los operadores bit a bit & | ~ ^. El diseño de abajo conecta el interruptor SW[0] a A, SW[1] a B y envía el resultado de cada puerta a un LED. assign significa "esta salida es continuamente igual a esta expresión", justo como un cable conectado a puertas lógicas.

// Lección 1 - puertas básicas. Reemplaza TODO el contenido de leds_mirror.v con esto.
module leds_mirror(SW, LEDR);
    input  [9:0] SW;        // SW[0] = A, SW[1] = B (otros interruptores sin usar)
    output [9:0] LEDR;

    wire A = SW[0];
    wire B = SW[1];

    assign LEDR[0] = A & B;      // AND
    assign LEDR[1] = A | B;      // OR
    assign LEDR[2] = ~A;         // NOT A
    assign LEDR[3] = ~(A & B);   // NAND
    assign LEDR[4] = ~(A | B);   // NOR
    assign LEDR[5] = A ^ B;      // XOR

    assign LEDR[9:6] = 4'b0000;  // LED sin usar apagados
endmodule

Antes de ejecutarlo, calcula tu predicción inicial. Con los dos interruptores abajo, A=0 y B=0: busca esa fila en la tabla de verdad y decide, para cada una de las seis puertas, si su salida vale 1. En el siguiente paso compararás tu predicción con la placa real.

Ahora construye el circuito en la placa real y compruébalo con la tabla de verdad.

Sube tu evidencia. Captura una imagen de la cámara con los dos interruptores arriba (SW = 11): deben verse encendidos LEDR0 (AND) y LEDR1 (OR), y los demás apagados. Adjúntala en el cuadro de respuesta.