5ステップで理解するVerilogによるアップダウンカウンタの作り方

Verilogのアップダウンカウンタの作り方を説明するイメージ図 Verilog

 

【サイト内のコードはご自由に個人利用・商用利用いただけます】

このサービスはSSPによる協力の下、運営されています。

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。

サイト内のコードを共有する場合は、参照元として引用して下さいますと幸いです

※Japanシーモアは、常に解説内容のわかりやすさや記事の品質に注力しております。不具合、分かりにくい説明や不適切な表現、動かないコードなど気になることがございましたら、記事の品質向上の為にお問い合わせフォームにてご共有いただけますと幸いです。
(送信された情報は、プライバシーポリシーのもと、厳正に取扱い、処分させていただきます。)

はじめに

電子工学やプログラミングに携わる方々にとって、Verilogを理解し、効率的に使用できる能力は必須です。

特に、Verilogによるアップダウンカウンタの作り方はその中でも基礎的なスキルとなります。

今回の記事では、5ステップでVerilogでのアップダウンカウンタの作り方を理解し、さらには応用例も一緒に学んでいきます。

●Verilogとは?

Verilogは、デジタルシステムを記述するためのハードウェア記述言語の1つです。

電子機器のLSI(Large Scale Integration)などを設計する際に使用されます。

C言語に似た文法を持ち、シミュレーションや合成など、設計フローの多くの部分で利用されています。

●アップダウンカウンタとは?

アップダウンカウンタは、その名の通り、値を増加(アップ)させたり減少(ダウン)させたりするカウンタのことを指します。

これはデジタル電子工学でよく見られる装置であり、プログラムの進行状況を管理するのに役立ちます。

●Verilogでのアップダウンカウンタの作り方

○ステップ1:モジュールの作成

まず初めに、Verilogコードの基本構造であるモジュールを作成します。

モジュールはVerilogでシステムを設計するための基本単位で、特定の機能を持つ一連のコードブロックを表します。

アップダウンカウンタのモジュールの例を紹介します。

module up_down_counter (
  input clk,
  input reset,
  input up_down,
  output [7:0] out
);
// コード続き…
endmodule

このコードでは、クロック信号clk、リセット信号reset、上昇・下降信号up_downをインプットとして、8ビットのアウトプットoutを出力します。

○ステップ2:インプットとアウトプットの定義

次に、モジュールのインプットとアウトプットを定義します。

これにより、モジュールがどのような信号を受け取り、どのような信号を出力するのかを明示的に示すことができます。

下記のコードでは、インプットとアウトプットの信号を定義しています。

reg [7:0] counter;
assign out = counter;

このコードでは、8ビットのレジスタcounterを定義し、アウトプットoutとして割り当てています。

○ステップ3:カウンタの実装

次に、カウンタの実装を行います。

これにより、クロック信号に従ってカウンタが動作するようにします。

下記のコードは、カウンタの動作を定義したものです。

always @(posedge clk or negedge reset) begin
  if (~reset) begin
    counter <= 8'h00;
  end
  else if (up_down) begin
    counter <= counter + 1;
  end
  else begin
    counter <= counter - 1;
  end
end

このコードでは、リセット信号がアクティブでない場合(~reset)、カウンタを0にリセットします。

それ以外の場合、up_down信号が真(アップ)であればカウンタを増加させ、偽(ダウン)であればカウンタを減少させます。

これがVerilogによるアップダウンカウンタの基本的な実装方法です。

○ステップ4:アップカウンタのサンプルコード

それでは、具体的なアップカウンタのサンプルコードを見てみましょう。

下記のコードは、アップカウンタを実装した例です。

module up_counter (
  input clk,
  input reset,
  output [7:0] out
);

reg [7:0] counter;
assign out = counter;

always @(posedge clk or negedge reset) begin
  if (~reset) begin
    counter <= 8'h00;
  end
  else begin
    counter <= counter + 1;
  end
end
endmodule

このコードでは、クロックの立ち上がりエッジ(posedge clk)でカウンタが増加するように実装されています。

リセット信号がアクティブでない場合、カウンタは0にリセットされます。

○ステップ5:ダウンカウンタのサンプルコード

次に、ダウンカウンタのサンプルコードを見てみましょう。

下記のコードは、ダウンカウンタを実装した例です。

module down_counter (
  input clk,
  input reset,
  output [7:0] out
);

reg [7:0] counter;
assign out = counter;

always @(posedge clk or negedge reset) begin
  if (~reset) begin
    counter <= 8'hFF;
  end
  else begin
    counter <= counter - 1;
  end
end
endmodule

このコードでは、クロックの立ち上がりエッジでカウンタが減少するように実装されています。

リセット信号がアクティブでない場合、カウンタは8'hFF(255)にリセットされます。

●アップダウンカウンタの応用例

○応用例1:ビットパターンの生成

アップダウンカウンタは、特定のビットパターンを生成するために使用できます。

例えば、LEDライトの明滅パターンを制御するために使用することができます。

下記のサンプルコードは、特定のビットパターンを生成するアップダウンカウンタの実装例です。

module pattern_generator (
  input clk,
  input reset,
  output [7:0] pattern
);

reg [7:0] counter;
assign pattern = counter;

always @(posedge clk or negedge reset) begin
  if (~reset) begin
    counter <= 8'h00;
  end
  else if (counter == 8'hFF) begin
    counter <= 8'h00;
  end
  else begin
    counter <= counter + 1;
  end
end
endmodule

このコードでは、カウンタが8'hFF(255)に達したら、カウンタを0にリセットしてビットパターンを生成します。

○応用例2:プログラムのタイミング制御

また、アップダウンカウンタはプログラムのタイミングを制御するためにも使用されます。

例えば、特定のイベントを一定時間後に発生させるためにタイマーとして使用することができます。

下記のサンプルコードは、タイマーとして使用するためのアップダウンカウンタの実装例です。

module timer (
  input clk,
  input reset,
  output reg done
);

reg [31:0] counter;
assign done = (counter == 32'h0000_0000) ? 1'b1 : 1'b0;

always @(posedge clk or negedge reset) begin
  if (~reset) begin
    counter <= 32'hFFFF_FFFF;
  end
  else begin
    counter <= counter - 1;
  end
end
endmodule

このコードでは、32ビットのカウンタが0になったときにdone信号を立ち上げます。

これにより、一定時間後にイベントを発生させることができます。

●注意点と対処法

Verilogでアップダウンカウンタを実装する際には、いくつかの注意点があります。

その一つは、オーバーフローとアンダーフローです。

これらはカウンタが許容範囲を超えたとき、または許容範囲よりも下に行ったときに発生します。

この問題を避けるためには、カウンタが上限または下限に達したときにリセットするか、逆方向にカウントするように設定することが一般的です。

また、レジスタにランダムな初期値が設定される可能性もあります。

この問題を避けるためには、リセット信号を使用してレジスタを適切な初期値にリセットすることが推奨されます。

●カスタマイズの方法

Verilogでのアップダウンカウンタのカスタマイズ方法はいくつかあります。

その一つは、カウンタのビット幅を変更することです。

例えば、16ビットや32ビットのカウンタを作成することができます。

また、カウントアップとカウントダウンの間隔を変えることも可能です。

例えば、2つのクロック周期で1回カウントアップし、3つのクロック周期で1回カウントダウンするといったカウンタを作成することができます。

さらに、カウンタのリセット値を変更することも可能です。

これにより、カウンタが特定のパターンを生成するように設定することが可能となります。

まとめ

以上がVerilogによるアップダウンカウンタの作り方です。

基本的なモジュールの作成から、実際のカウンタの動作、そして応用例までを詳しく解説しました。

また、注意点やカスタマイズの方法も紹介しました。

Verilogを使ってアップダウンカウンタを作成することは、デジタルシステム設計の基本的なスキルです。

この記事を参考に、自分自身でアップダウンカウンタを作成してみてください。

アップダウンカウンタの概念理解とプログラミング能力を向上させる良い経験になるでしょう。