Se você já fez o tutorial Como projetar o CI CD4069 em Verilog , este tutorial será familiar para você. Neste tutorial, vamos projetar o circuito integrado (CI) CD4081 na Plataforma Pitanga. Ao final, você será capaz de experimentar o CD4081 na sua máquina, em tempo real e sem FPGA, emulando-o na C-Board, conforme indicado na Figura 1:

Este tutorial oferece duas formas de chegar ao resultado final: você pode acompanhar o vídeo abaixo ou seguir o passo a passo detalhado descrito neste artigo. Escolha o formato que mais combina com você e vamos dar início à jornada!

Nota: você pode projetar este CI mais facilmente na S-Board, pois a S-Board possui chaves deslizantes suficientes para atribuir todas as entradas deste circuito.

O que é o Circuito Integrado CD4081?

O circuito integrado CD4081 foi introduzido no mercado em meados de 1968 pela empresa americana RCA¹ (Radio Corporation of America). Esta empresa introduziu a série de circuitos integrados digitais CMOS 4000², ainda disponível no mercado nos dias atuais pela Texas Instruments³.

Originalmente, esta série de circuitos integrados foi lançada no mercado norte-americano com preço aproximado de US$13 por unidade. Corrigido pela inflação, esse valor equivaleria a cerca de US$113 em 2025⁴. Curiosamente, o mesmo componente pode ser adquirido hoje por apenas US$0,86⁵!

Essa drástica redução de custo só se tornou possível graças ao avanço exponencial da tecnologia de semicondutores, que possibilitou a miniaturização dos transistores, maior densidade de integração e fabricação em escala industrial com altíssima eficiência.

Mas essa fascinante evolução merece destaque próprio — voltaremos a ela em tutoriais futuros!

Qual é a pinagem e o diagrama lógico do CD4081?

O CD4081 é composto por 4 portas lógicas AND de duas entradas cada. Essas portas lógicas são independentes, ou seja, cada porta pode ser utilizada de forma isolada, sem depender das outras. No datashet do CD4081⁶ há o diagrama de porta lógicas mostrado em conjunto com um esquema de disposição dos pinos no encapsulamento do CD4081. A Figura 2 a seguir apresenta os detalhes:

Nas próximas seções, faremos a descrição do circuito integrado CD4081 em Verilog, tomando como base a Figura 2. Utilizaremos a C-Board da Plataforma Pitanga para compilar o código e realizar a análise dos resultados. Ao final, será possível emular o circuito diretamente na C-Board, permitindo verificar se seu comportamento está de acordo com as especificações funcionais descritas no datasheet da fabricante.

Descrevendo a Funcionalidade do CD4081 com uma porta AND

A Figura 2 apresenta a configuração dos pinos do CI CD4081 e o seu correspondente diagrama lógico. A partir dessas informações, vamos construir a Tabela 1, indicando os pinos de entrada e saída. Essa informação vai nos ajudar na descrição do circuito final.

Tabela 1. Descrição dos pinos do CI CD4081B. Adaptado de [6].

O circuito integrado CD4081 é constituído por quatro portas AND independentes. No entanto, antes de prosseguir com o desenvolvimento do projeto completo, vamos projetar o circuito apenas com porta lógica AND a. Para isso, vamos utilizar as linhas da tabela referente a porta lógica a descrita na Figura 2. Veja o resultado no código a seguir:

module cd4081(A, B, J);
    input   A, B;   output J;

    and(J, A, B);   // AND a
endmodule

Na implementação acima, a porta lógica AND foi descrita utilizando a construção and. Em Verilog, essa construção recebe três parâmetros: o primeiro corresponde à saída da porta lógica, a segundo à entrada 1 e a terceira à entrada 2. Assim, a construção and(J, A, B) descreve uma porta lógica AND com uma saída J e duas entradas A e B, respectivamente. De forma semelhante, podemos descrever outros tipos de portas lógicas, como OR, NAND, NOR, XOR e XNOR, utilizando as construções or, nand, nor, xor e xnor, respectivamente. Entretanto, para este projeto, vamos nos concentrar apenas na porta lógica AND.

Concluída a descrição funcional em Verilog, o próximo passo é realizar o mapeamento das portas A, B e J do módulo cd4081 para os componentes virtuais da C-Board. Neste tutorial, a porta de saída J será vinculada ao LED led0, enquanto as portas de entrada A e B serão associadas às chaves deslizantes sw0 e sw1, respectivamente. Abaixo, apresentamos o trecho de código responsável pela definição da pinagem:

// Texto seguido de duas barras consectivas não é processado pela Pitanga
//  PORTA       COMPONENTE NA PLACA
    A       =   sw0;
    B       =   sw1;
    J       =   led0;

A próxima etapa é verificar se o código está corente, compilando-o na Pitanga. Para isso, acesse a sua conta Pitanga e, usando a Placa Virtual C (C-Board), copie e cole o código Verilog e o de pinagem acima nos editores Verilog e de Pinos, respectivamente. Clique no botão “Run”. O resultado será mostrado no terminal de saída da Pitanga e deve ser igual ao mostrado abaixo:

Top level design units:
    cd4081

Build succeeded: 0 errors, 0 warnings
                     DESIGN SUMMARY REPORT
  module     : cd4081
  design file: pitanga.v
  pinout file: pitanga.pinout

Total number of wires: 3
Total number of cells: 1
Total number of ports: 5

  Cell      Instances   Cell      Instances   Cell      Instances
 -----------------------------------------------------------------
  AND2              1 | NAND2             0 | XOR2              0 
  AND3              0 | NAND3             0 | XOR3              0
  AND4              0 | NAND4             0 | XOR4              0
  OR2               0 | NOR2              0 | XNOR2             0
  OR3               0 | NOR3              0 | XNOR3             0
  OR4               0 | NOR4              0 | XNOR4             0
 -----------------------------------------------------------------
  BUF               0 | INV               0 | DFFRSE            0

Cells utilization: 1
Transistor count : 6/500 transistors (1.20 %)

Note que a Pitanga indica o uso de uma porta AND de duas entradas (AND2) no relatório de design. Este comportamento pode ser visto na C-Board indicada na Figura 3 através do LED led0 ligado enquanto as chaves deslizantes sw0 e sw1 estão ativadas. Quando qualquer uma das chaves sw0 ou sw1 estão desativadas, o LED led0 se apaga. Este é exatamente o comportamento esperado por uma porta lógica AND2.

Analise, também, a quatidade de fios reportado no relatório de design. Ao todo são 3 wires (fios) e 5 ports (portas). Lembre-se, do tutorial anterior, que a Pitanga contabilizada as portas de alimentação Vdd e Vss, motivo pelo qual há duas portas adicionais somadas as portas explicitamente descritas no Verilog.

Projetando o Circuito Integrado CD4081 na C-Board

Agora que já temos a descrição de uma porta lógica AND2, vamos expandir o projeto para incluir as outras portas lógicas AND2 do CD4081. Para isso, vamos replicar a construção da porta lógica AND2 a para as portas b, c e d, conforme indicado na Figura 2. O código Verilog atualizado fica assim:

// Descrição do Circuito CD4081B (Texas Instruments)
module cd4081(A, B, C, D, E, F, G, H, J, K, L, M);
// Declaração e direcionamento das portas
    input   A, B;   output J; // entradas e saída da porta 'a'
    input   C, D;   output K; // entradas e saída da porta 'b'
    input   E, F;   output L; // entradas e saída da porta 'c'
    input   G, H;   output M; // entradas e saída da porta 'd'

// Portas lógicas AND2
    and(J, A, B);   // porta 'a'
    and(K, C, D);   // porta 'b'
    and(L, E, F);   // porta 'c'
    and(M, G, H);   // porta 'd'
endmodule

O CI CD4081 possui 8 entradas e 4 saídas. As 4 saídas podem ser facilmente mapeadas para os LEDs led0 a led3. No entanto, as 8 entradas não podem ser mapeadas diretamente para as chaves deslizantes da C-Board, pois ela possui apenas 6 chaves (sw0 a sw5). Para resolver essa limitação, vamos utilizar os botões virtuais btn0 e btn1. Dessa forma, conseguimos compilar o CI CD4081 na C-Board. Seu arquivo de pinagem, coniderando o mapeamento para os botões, segue abaixo:

// Sintaxe:  
//  <port>  =   <etiqueta do componente na placa>;
// Mapeamento do CD4081 na C-Board
// portas de entrada 
    A   =   sw0;    B   =   sw1;
    C   =   sw2;    D   =   sw3;
    E   =   sw4;    F   =   sw5;
    G   =   btn0;   H   =   btn1;
// portas de saída
    J   =   led0;
    K   =   led1;
    L   =   led2;
    M   =   led3;

Copie e cole o código Verilog e o de pinagem acima nos editores Verilog e de Pinos, respectivamente. Em seguida, compile o código clicando no botão “Run”. O resultado da compilação do projeto será impresso no terminal da Pitanga, conforme indicado abaixo:

Top level design units:
    cd4081

Build succeeded: 0 errors, 0 warnings
                     DESIGN SUMMARY REPORT
  module     : cd4081
  design file: pitanga.v
  pinout file: pitanga.pinout

Total number of wires: 12
Total number of cells: 4
Total number of ports: 14

  Cell      Instances   Cell      Instances   Cell      Instances
 -----------------------------------------------------------------
  AND2              4 | NAND2             0 | XOR2              0 
  AND3              0 | NAND3             0 | XOR3              0
  AND4              0 | NAND4             0 | XOR4              0
  OR2               0 | NOR2              0 | XNOR2             0
  OR3               0 | NOR3              0 | XNOR3             0
  OR4               0 | NOR4              0 | XNOR4             0
 -----------------------------------------------------------------
  BUF               0 | INV               0 | DFFRSE            0

Cells utilization: 4
Transistor count : 24/500 transistors (4.80 %)

Exatamente 4 portas lógicas AND2 foram utilizadas. Cada porta AND2 consome 6 transistores CMOS⁷, resultando em um total de 24 transistores CMOS utilizados no projeto. Este resultado é consistente com o esperado para o CD4081, que possui 4 portas lógicas AND2. O número total de 14 portas (ports) está consistente com o total de portas do CI4081 indicado na Tabela 1, (lembre-se que a Pitanga contabiliza as portas de alimentação Vdd e Vss). Por fim, os 12 fios (wires) utilizados no projeto correspondem às 8 entradas e 4 saídas do CD4081 conectadas aos componentes virtuais da C-Boad.

Emulando o Circuito Integrado CD4081 na Pitanga C-Board

Agora é o momento ideal para explorar e interagir com seu projeto, observando o comportamento dinâmico do circuito na C-Board. Para isso, experimente ativar e desativar as chaves deslizantes sw0 a sw5, observando as alterações nos LEDs led0 a led3. Note que o LED led0 acende quando ambas as chaves sw0 e sw1, conectadas à porta lógica AND2 a, estão ativadas. Por outro lado, o LED led0 apaga sempre que qualquer uma dessas chaves estiver desativada, confirmando o funcionamento característico da lógica AND. Este mesmo comportamento deve ser observado para:

• o LED led1, que deve acender quando ambas as chaves sw2 e sw3 estiverem ativadas,
• o LED led2, que deve acender quando ambas as chaves sw4 e sw5 estiverem ativadas,
• e o LED led3, que deve acender quando ambos os botões virtuais btn0 e btn1 estiverem pressionados.

No entanto, devido a limitação da C-Board, não possível pressionar os botões virtuais btn0 e btn1 ao mesmo tempo, o que impossibilita a verificação do LED led3. Sendo assim, a Figura 1, mostrado no início deste artigo, mostra a emulação do CD4081 na C-Board, onde o LED led3 está apagado, pois os botões virtuais btn0 e btn1 não estão pressionados.

Nota: Se você estiver utilizando a S-Board, poderá utilizar as chaves deslizantes sw6 e sw7 ao invés dos botões virtuais btn0 e btn1. Dessa forma, você conseguirá emular o CD4081 mais facilmente. O resultado da emulação, neste caso, pode ser verificado na Figura 4.

Conclusão

Parabéns por chegar até aqui! Isso indica que você foi capaz de desenvolver o circuito integrado CD4081 em Verilog, realizar o mapeamento dos sinais para os componentes virtuais da C-Board e compilar o projeto com sucesso. Com o suporte da Placa Virtual Pitanga, você pôde vivenciar na prática a experiência de projetar circuitos digitais utilizando Verilog. Vale destacar que este mesmo circuito pode ser implementado em dispositivos lógico-programáveis (FPGAs) ou diretamente em tecnologia de semicondutores — temas que abordaremos em próximos tutoriais.

Referências