初心者でもわかる！半加算器を作るVerilogの手順と5つのサンプルコード

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2023.08.01
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この記事では、プログラム(回路記述)の基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

基本的な知識があればカスタムコードを使って機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を凌駕する現役のプログラマチームによって監修されています。

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はじめに

Verilogと半加算器について初心者にもわかるように解説します。

記事を読むことで、基本から応用まで、Verilogで半加算器を作る方法を理解することが可能になります。

さらに、5つの詳細なサンプルコードも掲載しますので、理解を深めることができます。

●Verilogとは

Verilogは、デジタル回路の設計や検証を行うためのハードウェア記述言語の一つです。

C言語に似た構文を持っており、学習が容易です。

また、デジタル回路の動作をシミュレーションすることも可能で、実際のハードウェア設計に非常に有用です。

●半加算器とは

半加算器は、デジタル回路の基本的な要素で、2つのビット値の加算とその結果を扱います。

○半加算器の機能

半加算器は2つのビット入力AとBを受け取り、和Sと桁上がりCを出力します。

和Sは入力ビットの排他的論理和（XOR）で、桁上がりCは入力ビットの論理積（AND）です。

○半加算器の論理回路

半加算器の論理回路は次のようになります。

2つの入力AとBがXORゲートとANDゲートに入力され、SとCの2つの出力が得られます。

// 半加算器の論理回路
module half_adder(input A, input B, output S, output C);
    assign S = A ^ B;  // XORゲート
    assign C = A & B;  // ANDゲート
endmodule

このコードでは、Verilogを使って半加算器を作成しています。

この例では、入力信号AとBをXORゲートとANDゲートに入力して、出力信号SとCを生成しています。

●Verilogでの半加算器の記述方法

○Verilogの基本構文

Verilogでデジタル回路を記述するためにはいくつかの基本構文を理解する必要があります。

代表的なものには、module、input、output、assignなどがあります。

moduleは、Verilogのコードをまとめるためのブロックを宣言するためのキーワードです。

inputとoutputは、それぞれ回路の入力と出力を宣言します。assignは、信号の接続や演算を記述します。

○半加算器のVerilogコード

Verilogで半加算器を記述すると次のようになります。

// 半加算器のVerilogコード
module half_adder(input A, input B, output S, output C);
    assign S = A ^ B;  // XORゲート
    assign C = A & B;  // ANDゲート
endmodule

このコードでは、入力AとBを受け取り、和Sと桁上がりCを出力する半加算器を作成しています。

XORゲートとANDゲートを使用して計算を行い、結果を出力します。

●Verilogのサンプルコード集

Verilogを用いた半加算器の作成について、5つのサンプルコードを通じて具体的に解説します。

○サンプルコード1：半加算器の基本的なコード

まずは、半加算器の基本的なコードを紹介します。

// 半加算器の基本的なコード
module half_adder(input A, input B, output S, output C);
    assign S = A ^ B;  // XORゲート
    assign C = A & B;  // ANDゲート
endmodule

このコードでは、半加算器の基本的な動作をVerilogで記述しています。

入力AとBを受け取り、それらのビットの和（S）と桁上がり（C）をそれぞれ算出しています。

このコードを実行すると、入力ビットAとBに応じた和Sと桁上がりCが得られます。

たとえば、A=1、B=0とした場合、Sは1となり、Cは0となります。

○サンプルコード2：テストベンチを用いた半加算器のテスト

次に、テストベンチを用いて半加算器の動作を検証します。

// テストベンチを用いた半加算器のテスト
module testbench;
    reg A, B;
    wire S, C;
    half_adder u1(A, B, S, C);

    initial begin
        $dumpfile("test.vcd");
        $dumpvars(0, testbench);
        #10 A = 0; B = 0;  // 0 + 0 のテスト
        #10 A = 0; B = 1;  // 0 + 1 のテスト
        #10 A = 1; B = 0;  // 1 + 0 のテスト
        #10 A = 1; B = 1;  // 1 + 1 のテスト
        #10 $finish;
    end
endmodule

このコードでは、テストベンチを用いて半加算器の動作を検証しています。

半加算器に異なる入力を与え、出力が正しく得られるかをチェックしています。

このコードを実行すると、各入力ビットの組み合わせに対する和Sと桁上がりCの結果を確認することができます。

出力結果はVCDファイル（test.vcd）に記録され、波形表示ソフトで視覚的に確認することも可能です。

○サンプルコード3：2ビット半加算器の作成

次に、2ビットの半加算器のVerilogコードを紹介します。

// 2ビット半加算器の作成
module half_adder2bit(input [1:0] A, input [1:0] B, output [2:0] S);
    wire C;
    half_adder u1(A[0], B[0], S[0], C);
    half_adder u2(A[1], B[1], S[1], C);
    assign S[2] = C;
endmodule

このコードでは、2ビットの半加算器を作成しています。

1ビット半加算器を2つ用いて、2ビット同士の加算を行う仕組みを構築しています。

このコードを実行すると、2ビットの入力に対して、適切な2ビットの和と1ビットの桁上がりが出力されます。

例えば、入力Aが2’b01（ビット表記で01）、Bが2’b11（ビット表記で11）の場合、出力Sは3’b100（ビット表記で100）となります。

○サンプルコード4：半加算器を用いたフル加算器の作成

次に、半加算器を用いてフル加算器を作成します。

// 半加算器を用いたフル加算器の作成
module full_adder(input A, input B, input Cin, output S, output Cout);
    wire S1, C1, C2;
    half_adder u1(A, B, S1, C1);
    half_adder u2(Cin, S1, S, C2);
    assign Cout = C1 | C2;
endmodule

このコードでは、2つの半加算器とORゲートを用いてフル加算器を作成しています。

フル加算器は、2つの入力ビットと前の位からの桁上がりを加算する回路です。

このコードを実行すると、入力ビットAとB、そして桁上がり入力Cinに対する和Sと桁上がりCoutが出力されます。

例えば、A=1、B=1、Cin=1の場合、Sは1となり、Coutは1となります。

○サンプルコード5：半加算器を用いた4ビット加算器の作成

最後に、半加算器を用いて4ビットの加算器を作成します。

// 半加算器を用いた4ビット加算器の作成
module adder4bit(input [3:0] A, input [3:0] B, output [4:0] S);
    wire [3:0] C;
    full_adder u1(A[0], B[0], 0, S[0], C[0]);
    full_adder u2(A[1], B[1], C[0], S[1], C[1]);
    full_adder u3(A[2], B[2], C[1], S[2], C[2]);
    full_adder u4(A[3], B[3], C[2], S[3], C[3]);
    assign S[4] = C[3];
endmodule

このコードでは、4ビットの加算器を作成しています。

1ビットフル加算器を4つ用いて、4ビット同士の加算を行う仕組みを構築しています。

このコードを実行すると、4ビットの入力に対して、適切な4ビットの和と1ビットの桁上がりが出力されます。

例えば、入力Aが4’b0101、Bが4’b1101の場合、出力Sは5’b10010となります。

●Verilogの半加算器作成時の注意点と対処法

半加算器のVerilogコード作成にあたり、次の点に注意が必要です。

  • Verilogでは、同一モジュール内で同名の信号を宣言することはできません。
    各信号にはユニークな名前を付けることが求められます。
  • XORやANDなどの論理演算はビット単位で行われます。
    よって、複数ビットの信号に対してこれらの演算を行うと、各ビットごとに演算が適用されます。
    注意が必要です。

上記を踏まえ、次のサンプルコードでは2ビット半加算器の作成について詳細に説明します。

// 2ビット半加算器の作成
module half_adder2bit(input [1:0] A, input [1:0] B, output [2:0] S);
    wire C

0, C1;
    half_adder u1(A[0], B[0], S[0], C0);
    half_adder u2(A[1], B[1], S[1], C1);
    assign S[2] = C0 | C1;
endmodule

このコードでは、1ビット目と2ビット目の桁上がりをそれぞれC0とC1として別々に宣言しています。

これにより、各位の桁上がりを正確に求めることができます。

また、最終的な桁上がりはC0とC1の論理和を取ることで求めています。

このコードを実行すると、2ビットの入力に対して、適切な2ビットの和と1ビットの桁上がりが出力されます。

●Verilogコードのカスタマイズ方法

Verilogのコードは高度にカスタマイズ可能です。

例えば、次のように半加算器のコードを改変し、3つの入力を持つ特殊な半加算器を作成することも可能です。

// 3つの入力を持つ半加算器の作成
module special_half_adder(input A, input B, input C, output S, output Cout);
    wire S1, C1, C2;
    half_adder u1(A, B, S1, C1);
    half_adder u2(C, S1, S, C2);
    assign Cout = C1 | C2;
endmodule

このコードでは、通常の半加算器に更に1ビットの入力を加え、3つの入力の加算を行う特殊な半加算器を作成しています。

このコードを実行すると、入力ビットA、B、Cに対する和Sと桁上がりCoutが出力されます。

まとめ

この記事では、初心者でも理解できるように、半加算器の作成方法とVerilogの基本的な使い方について説明しました。

また、具体的なサンプルコードを5つ紹介し、それぞれのコードの機能と実行結果について詳しく解説しました。

これを通じて、Verilogで半加算器を作成する方法を基本から応用まで理解できたことと思います。

注意点や応用例、カスタマイズ例を参考に、自分だけのオリジナルなデジタル回路を作ってみてください。

さらなる理解を深めるためには、実際にサンプルコードを書き換えて実行したり、新たな機能を追加してみると良いでしょう。

Verilogはその柔軟性と強力な機能から、幅広いデジタル回路設計に応用できます。

これからもVerilogの学習を続け、より複雑な回路の設計に挑戦してみてください。