初心者でもOK！Verilogを使ったフリップフロップの作り方と活用法10選

はじめに

今日、私たちはVerilogを使用してフリップフロップを作成する方法について学びます。

この記事は、初心者でも簡単に理解できるように作成されています。

フリップフロップはデジタル回路の基本要素であり、Verilogを使って実装すると、それを使ってより複雑なデジタルシステムを設計できます。

●Verilogとは

Verilogは、デジタルシステムと組み込みシステムの設計と検証を目的としたハードウェア記述言語（HDL）の一つです。

Verilogは1980年代に登場し、その効率性と柔軟性から、エンジニアや学生に広く採用されています。

○Verilogの基本的な特徴

VerilogはC言語に似た構文を持ち、それは初心者が学習しやすい環境を提供します。

また、ハードウェアの振る舞いと構造をモデル化することができ、シミュレーションに必要なテストベンチを作成する能力も持っています。

●フリップフロップとは

フリップフロップは、1ビットの情報を格納する基本的なデジタルメモリ要素です。

一般的には、入力とクロック信号に応じて、その状態（0または1）を変更します。

○フリップフロップの役割と利用場面

フリップフロップは、デジタルエレクトロニクスにおいて、情報を一時的に保存したり、システムの特定の状態を記録したりするために使用されます。

例えば、レジスタ、カウンタ、制御シーケンスロジックなどに使われています。

●Verilogでのフリップフロップの作り方

Verilogを使ってフリップフロップを作成することは、基本的なデジタル設計スキルを磨く上で非常に役立ちます。

ここでは、基本的なフリップフロップと、クロック付きフリップフロップの作り方を学びます。

○サンプルコード1：基本的なフリップフロップ

このコードでは、Verilogを使って最も基本的な形のフリップフロップを作成します。

この例では、フリップフロップの入力を制御し、出力を監視する簡単なテストベンチを作成しています。

module flipflop(input wire D, input wire CLK, output reg Q);
always @(posedge CLK)
  Q <= D;
endmodule

module test;
  reg D;
  reg CLK;
  wire Q;

  flipflop U1 (.D(D), .CLK(CLK), .Q(Q));

  initial begin
    CLK = 0;
    D = 0;
    #10;
    D = 1;
    #10;
    D = 0;
    #10;
    D = 1;
    #10;
    D = 0;
    #20;
    $stop;
  end

  always #10 CLK = ~CLK;
endmodule

このコードを実行すると、テストベンチがフリップフロップのD入力を周期的に切り替えます。

クロックの立ち上がりエッジの時にフリップフロップの出力QがDの状態になります。

○サンプルコード2：クロック付きフリップフロップ

このコードでは、クロック入力付きのフリップフロップを作成します。

このフリップフロップは、クロック信号の立ち上がりエッジでのみ状態を変更します。

module clocked_flipflop(input wire D, input wire CLK, output reg Q);
always @(posedge CLK)
  Q <= D;
endmodule

module test;
  reg D;
  reg CLK;
  wire Q;

  clocked_flipflop U1 (.D(D), .CLK(CLK), .Q(Q));

  initial begin
    CLK = 0;
    D = 0;
    #10;
    D = 1;
    #10;
    D = 0;
    #10;
    D = 1;
    #10;
    D = 0;
    #20;
    $stop;
  end

  always #10 CLK = ~CLK;
endmodule

このコードも実行すると、テストベンチがフリップフロップのD入力を切り替えます。

ただし、出力Qはクロック信号の立ち上がりエッジでのみ変化します。

●Verilogでのフリップフロップの応用例

フリップフロップはデジタルシステムで非常に重要な役割を果たします。それは情報を保存し、タイミングを制御し、状態を追跡します。

ここでは、いくつかの応用例を見てみましょう。

○サンプルコード3：フリップフロップを用いたカウンター

カウンタはフリップフロップの一般的な応用例の一つです。

下記のコードでは、2ビットのバイナリカウンタを作成します。

module counter(input wire CLK, output reg [1:0] Q);
always @(posedge CLK)
  Q <= Q + 1;
endmodule

module test;
  reg CLK;
  wire [1:0] Q;

  counter U1 (.CLK(CLK), .Q(Q));

  initial begin
    CLK = 0;
    #20;
    $stop;
  end

  always #10 CLK = ~CLK;
endmodule

このコードを実行すると、カウンタの出力Qはクロックの各立ち上がりエッジで増加します。

出力は2ビットのバイナリ値で、00から11までの値を順に表示します。

○サンプルコード4：フリップフロップを用いたシフトレジスタ

シフトレジスタはデータを一時的に保持し、一定の方向（左または右）にシフトするデジタル回路です。

下記のコードでは、4ビットの右シフトレジスタを作成します。

module shift_register(input wire [3:0] D, input wire CLK, output reg [3:0] Q);
always @(posedge CLK)
  Q <= {Q[2:0], D[0]};
endmodule

module test;
  reg [3:0] D;
  reg CLK;
  wire [3:0] Q;

  shift_register U1 (.D(D), .CLK(CLK), .Q(Q));

  initial begin
    CLK = 0;
    D = 4'b0001;
    #40;
    D = 4'b0010;
    #40;
    D = 4'b0100;
    #40;
    D = 4'b1000;
    #40;
    $stop;
  end

  always #10 CLK = ~CLK;
endmodule

このコードを実行すると、シフトレジスタの入力Dは各クロックサイクルで右にシフトします。

シフトレジスタの出力Qは、Dの値を反映します。

○サンプルコード5：フリップフロップを用いた周波数分周器

周波数分周器は、クロック信号の周波数を分割して、低い周波数のクロック信号を生成します。

フリップフロップはこの分割操作の中心的な要素であり、それが1つのクロックエッジから次のエッジまでの状態を保持する能力を利用しています。

具体的には、以下のコードではTフリップフロップを用いて2分周器を作成します。

この例ではTフリップフロップの出力を反転して再度入力にフィードバックすることで、入力クロックの周波数を半分にする機能を実現しています。

module T_flip_flop (input wire T, input wire CLK, output reg Q);
  always @(posedge CLK)
    if(T == 1)
      Q <= ~Q;
endmodule

module frequency_divider (input wire CLK, output wire Q);
  wire T = 1; 
  T_flip_flop U1 (.T(T), .CLK(CLK), .Q(Q));
endmodule

module test;
  reg CLK;
  wire Q;

  frequency_divider U1 (.CLK(CLK), .Q(Q));

  initial begin
    CLK = 0;
    #100;
    $stop;
  end

  always #10 CLK = ~CLK;
endmodule

このコードを実行すると、frequency_divider モジュールは、元のクロック信号がどんな周波数であれ、それを半分にする役割を果たします。

出力Qは入力クロックの周波数の半分の周波数でトグルします。

フリップフロップを用いた周波数分周器は、デジタル回路における時計信号の生成や、デジタル信号のサンプリングレートの変更など、多くのアプリケーションで使用されます。

さらに、複数のフリップフロップを組み合わせることで、より複雑な分周比を実現することも可能です。

○サンプルコード6：フリップフロップを用いたデータレジスタ

さて次に、フリップフロップを活用してデータレジスタを作成する方法について詳しく見ていきましょう。

データレジスタとは、一時的にデータを保持するためのデジタル回路です。

これは、例えばCPUが計算を行うときに、一時的にデータを保持するための場所として用いられます。

下記のサンプルコードでは、8ビットのデータレジスタを作成しています。

このコードではフリップフロップを使って8つのデータを保存するレジスタを作成しています。

module data_register(
    input wire clk,
    input wire [7:0] data_in,
    output reg [7:0] data_out
);
    always @(posedge clk) begin
        data_out <= data_in;
    end
endmodule

このコードの主要な部分は、alwaysブロック内のデータ転送です。

ここで、「posedge clk」という条件が指定されており、これはクロックの立ち上がりエッジ（0から1に変わる瞬間）を表しています。

このタイミングで、入力データが出力データにコピーされます。

このコードを実行すると、入力データはクロックの立ち上がりエッジで出力データに反映されます。

その結果、出力データは入力データを1クロック遅れて追跡します。

これがフリップフロップを用いたデータレジスタの基本的な動作です。

○サンプルコード7：フリップフロップを用いたバイナリカウンタ

フリップフロップの一般的な応用例として、バイナリカウンタを挙げることができます。

バイナリカウンタは、入力されたクロック信号の数を二進数でカウントするデジタル回路です。

次のサンプルコードでは、4ビットのバイナリカウンタを作成しています。

このコードでは、クロック信号が立ち上がる度にカウンタの値が1増えます。

module binary_counter(
    input wire clk,
    input wire reset,
    output reg [3:0] count
);
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset)
            count <= 0;
        else
            count <= count + 1;
    end
endmodule

ここでは、「reset」信号が立ち上がった時にカウンタがリセットされ、それ以外の時にはカウンタが1増える動作を実装しています。

「reset」信号は、通常、システムを一時停止または初期状態に戻すために使用されます。

このコードを実行すると、クロックの立ち上がりエッジでカウントが増加し、reset信号が立ち上がるとカウントが0にリセットされます。

これがフリップフロップを用いたバイナリカウンタの基本的な動作です。

○サンプルコード8：フリップフロップを用いたステートマシン

私たちの次の旅はステートマシンへと進みます。

これは、プログラムが持つべき状態を表現する強力なツールです。

フリップフロップは、これらの状態を追跡し、様々な状態に応じてプログラムの振る舞いを変えるのに役立ちます。

Verilogを使用してフリップフロップを基にしたステートマシンを設計する方法を見ていきましょう。

module state_machine(input wire clk, input wire reset, output reg [1:0] state);
    // 状態を表すためのエンコード
    parameter S0 = 2'b00, S1 = 2'b01, S2 = 2'b10;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            state <= S0;  // リセット時は初期状態へ
        end else begin
            case(state)
                S0: state <= S1;  // 状態S0からS1へ遷移
                S1: state <= S2;  // 状態S1からS2へ遷移
                S2: state <= S0;  // 状態S2からS0へ遷移
            endcase
        end
    end
endmodule

このコードでは、3つの状態S0、S1、S2を持つステートマシンを実装しています。

フリップフロップを用いてこれらの状態を保持し、クロックの立ち上がりエッジごとに次の状態へと遷移します。

リセット信号がアクティブになると、ステートマシンは初期状態S0に戻ります。

このサンプルコードをシミュレーションしてみると、リセット信号が立ち上がった時点でステートマシンが初期状態S0に設定され、その後、各クロックサイクルでS0からS1、S1からS2、そしてS2からS0へと順番に遷移することが観察できます。

これらの状態遷移は、デジタルデザインにおいて非常に一般的であり、Verilogとフリップフロップを使用することで、様々な複雑な状態遷移を表現することができます。

例えば、電子機器のオン・オフ状態や、通信プロトコルの各ステップなど、実世界の多くのシナリオがこのステートマシンの概念によって表現できます。

これで、ステートマシンの概念と、それをVerilogとフリップフロップを使ってどのように実装するかが理解できたと思います。

ステートマシンは、実際のハードウェア設計で頻繁に使用される重要な概念なので、しっかりと理解しておきましょう。

○サンプルコード9：フリップフロップを用いたジョンソンカウンタ

Verilogでジョンソンカウンタを作る方法について説明します。

ジョンソンカウンタは、回転またはシフトカウンタの一種で、二進数ではなく直列データを使用します。

ジョンソンカウンタの特徴的な部分は、値が一周するとすぐに次のカウントに移るという点です。

Verilogでのジョンソンカウンタの作り方を確認していきましょう。

// ジョンソンカウンタ
module johnson_counter (
  input clk,
  input reset,
  output reg [3:0] count
);
  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
      count <= 4'b0000; //リセット時は全てのビットを0にする
    end else begin
      count <= {count[2:0], ~count[3]}; //ジョンソンカウンタの実装部分
    end
  end
endmodule

このコードではジョンソンカウンタを作っています。

ジョンソンカウンタは特に、周期的な信号生成や特定のパターンを作り出すときに有用です。

4ビットのジョンソンカウンタの場合、出力は8種類の異なるパターンを順番に生成します。

カウンタの主要部分は、「count <= {count[2:0], ~count[3]};」の行で実装されています。

これは、count[2:0]（カウント値の下3ビット）を左にシフトし、最上位ビットcount[3]を反転して、新たな最下位ビットとして追加します。

これがジョンソンカウンタの特性を作り出しています。

リセット時には、全てのビットが0に設定されます。

これにより、カウンタは任意のタイミングでリセットできます。

このコードを実行すると、クロック信号の各立ち上がりエッジでジョンソンカウンタが次の状態に遷移します。

具体的な出力パターンは ‘0000’→’1000’→’1100’→’1110’→’1111’→’0111’→’0011’→’0001’→’0000′ と続きます。

このカウンタは最小化したデザインを使用しているため、初心者でもVerilogでフリップフロップを用いて実装することが可能です。

基本的なVerilogの文法を理解しているなら、このジョンソンカウンタの実装コードは手軽に試してみることができます。

次に、このジョンソンカウンタの応用例を見てみましょう。

例えば、周期的なLEDの点滅パターンを作るために使用することができます。

カウンタの出力をLEDへ接続すれば、LEDが特定のパターンで点滅することになります。

さらに進んだ使い方として、独自のデータ暗号化スキームを作るために、ジョンソンカウンタの特性を利用することも可能です。

○サンプルコード10：フリップフロップを用いたハーフアダー

デジタルロジック設計の中で、ハーフアダーは重要な要素であり、2ビットの二進数の加算を実行します。

これは、Verilogとフリップフロップを使用して簡単に実装することができます。

// ハーフアダーを作成するVerilogコード
module half_adder(input a, b, output sum, carry);
  assign sum = a ^ b;  // XORゲートで和を計算
  assign carry = a & b;  // ANDゲートでキャリーを計算
endmodule

このコードでは、Verilogのビルトイン関数を用いてハーフアダーを作成しています。

この例では、二つの入力信号aとbをXORゲート(^)とANDゲート(&)に入力し、それぞれの出力結果をsumとcarryに代入しています。

出力のsumは二つの入力信号の和を、carryはキャリー出力（つまり、入力信号aとbが両方とも1のときに発生する）を表しています。

このコードを実行すると、2ビットの二進数の加算結果が得られます。

たとえば、入力信号aとbがともに1の場合、sumは0となり、carryは1となります。

これは、二進数の加算で「1 + 1 = 10」（2進数表記）となることを反映しています。

一方、aとbが異なる値（つまり、一方が0で他方が1）の場合、sumは1となり、carryは0となります。

これは、二進数の加算で「1 + 0 = 1」または「0 + 1 = 1」を意味しています。

●Verilogでのフリップフロップの注意点と対処法

フリップフロップを使ったVerilog設計にはいくつかの注意点があります。

特に、タイミングハザードとセットアップ時間・ホールド時間の管理は重要な課題となります。

○タイミングハザードへの対策

デジタルロジック設計では、タイミングハザードが問題となることがあります。

これは、システムの異なる部分が同期して動作しないときに起こる問題です。

たとえば、フリップフロップが予期しないタイミングで状態を変更すると、システム全体の動作に影響を与える可能性があります。

タイミングハザードを回避する一つの方法は、全てのフリップフロップが同じクロック信号で動作するように設計することです。

また、システムの各部分が適切な順序で動作するように、必要に応じて追加のフリップフロップやディレイを使用することもあります。

○セットアップ時間とホールド時間の重要性

セットアップ時間とホールド時間は、フリップフロップの正確な動作を保証するために重要な要素です。

セットアップ時間は、フリップフロップのクロック信号が立ち上がる前に、入力データが安定していなければならない最小時間を指します。

一方、ホールド時間は、クロック信号が立ち上がった後に入力データが安定していなければならない最小時間を指します。

これらの時間を遵守しないと、フリップフロップは正しく動作せず、システム全体の動作に影響を与える可能性があります。

そのため、Verilog設計では、これらの時間を満たすように回路を設計することが重要です。

●フリップフロップのカスタマイズ方法

基本的なフリップフロップだけでなく、Verilogでは、フリップフロップの動作をカスタマイズすることも可能です。

これにより、特定の応用に適したフリップフロップを設計することができます。

○カスタムフリップフロップの設計

リセット可能なD型フリップフロップのVerilogコードを紹介します。

このフリップフロップは、リセット信号が有効になったとき（rstが1のとき）に出力を0にリセットします。

// リセット可能なD型フリップフロップのVerilogコード
module d_flip_flop(input wire d, clk, rst, output reg q);
  always @(posedge clk or posedge rst)  // クロックまたはリセットの立ち上がりエッジで動作
    if (rst)
      q <= 0;  // リセット信号が有効のとき、出力を0にリセット
    else
      q <= d;  // リセット信号が無効のとき、D入力をQ出力にコピー
endmodule

このコードでは、alwaysブロックを使ってクロック信号clkまたはリセット信号rstの立ち上がりエッジで動作するように指定しています。

その中で、リセット信号rstが有効（1）の場合には出力qを0にリセットし、無効（0）の場合にはD入力dをQ出力にコピーします。

このようなカスタムフリップフロップは、システム全体を一度にリセットするような場面で役立ちます。

リセット信号をフリップフロップに接続することで、必要に応じてフリップフロップの出力を一度に0にすることができます。

まとめ

Verilogでフリップフロップを使うことで、様々なデジタルロジックを効率的に設計することができます。

しかし、正確な動作を保証するためには、タイミングハザードの回避やセットアップ時間・ホールド時間の管理など、注意すべき点がいくつかあります。

この記事で紹介した基本的なフリップフロップやハーフアダー、さらにはカスタムフリップフロップの設計方法を利用して、あなた自身のデジタルロジック設計のスキルを向上させてください。

それぞれのサンプルコードを理解し、自分のプロジェクトに適用することで、より高度なデジタルロジックの設計が可能となるでしょう。