5ステップでVerilogのインスタンス化を完全理解！

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2023.07.29
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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。

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はじめに

Verilogのインスタンス化を理解し、適切に使用できるようになることは、ハードウェア記述言語のプログラミング能力を高める上で極めて重要です。

この記事では、Verilogのインスタンス化を5つのステップで徹底解説します。

初心者の方でも理解できるように、基本から応用までわかりやすく説明します。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語の一つで、デジタルシステムの設計や検証に広く使用されています。

特に、集積回路やFPGAの設計において、Verilogは重要なツールとなっています。

Verilogで記述されたコードは、シミュレーションで動作を検証することができ、また、合成ツールを使用して物理的なハードウェアに変換することも可能です。

●Verilogのインスタンス化とは

Verilogのインスタンス化は、定義済みのモジュールを再利用することを指します。

モジュールはVerilogの基本的な構成要素で、複雑なデジタルシステムを作るための「ブロック」のようなものです。

インスタンス化により、これらのモジュールを再利用し、新しい構造を形成することができます。

○Verilogインスタンス化の基本概念

Verilogのインスタンス化では、既存のモジュールが複数回使用される場合、そのモジュールを何度も書くのではなく、一度定義したモジュールをインスタンス化することで再利用します。

これはモジュールを一種の「テンプレート」として扱い、それを必要なだけ「コピー」して使用するという考え方です。

●Verilogインスタンス化の使い方

Verilogのインスタンス化は、基本的にはモジュール名とインスタンス名、そして入出力接続を指定することで行います。

○サンプルコード1：基本的なインスタンス化

下記のコードでは、前もって定義したモジュール「myModule」をインスタンス化する例を表します。

この例では、myModuleが二つの入力aとb、一つの出力yを持つモジュールとして定義されているものとします。

module top;
  wire a, b, y;

  myModule u1 (.a(a), .b(b), .y(y));
endmodule

このコードでは、topモジュール内でmyModuleの一つのインスタンスが作られています。

このインスタンスは「u1」という名前が付けられ、入力と出力はそれぞれa、b、yに接続されています。

○サンプルコード2：パラメータを持つモジュールのインスタンス化

次に、パラメータを持つモジュールのインスタンス化の例を見てみましょう。

下記のコードでは、パラメータWIDTHを持つモジュール「myParamModule」をインスタンス化しています。

module top;
  wire [7:0] a, y;

  myParamModule #8 u1 (.a(a), .y(y));
endmodule

ここで、myParamModuleはWIDTHパラメータを持ち、aとyはそれぞれWIDTHビットのワイヤとして定義されているとします。

この場合、myParamModuleのインスタンス化の際に、パラメータWIDTHの値を8に設定しています。

したがって、u1のaとyはそれぞれ8ビットとなります。

●Verilogインスタンス化の応用例

これまでの基本的なインスタンス化の例を元に、より応用的な使用例を見ていきましょう。

○サンプルコード3：多くのインスタンスを生成する

複数のインスタンスを作成する場合は、次のようにforループを使用します。

この例では、myModuleの10個のインスタンスを生成しています。

module top;
  wire [9:0] a, b, y;

  generate
    for (genvar i = 0; i < 10; i=i+1) begin : gen_myModule
      myModule u (.a(a[i]), .b(b[i]), .y(y[i]));
    end
  endgenerate
endmodule

ここで、a、b、yはそれぞれ10ビットのワイヤとし、各myModuleインスタンスの各入力と出力は、これらのワイヤの各ビットに接続されています。

○サンプルコード4：条件によって異なるモジュールをインスタンス化

条件によって異なるモジュールをインスタンス化する場合は、次のようにif文を使用します。

module top #(parameter USE_ALTERNATE = 0);
  wire a, b, y;

  generate
    if (USE_ALTERNATE) begin : gen_myAltModule
      myAltModule u (.a(a), .b(b), .y(y));
    end else begin : gen_myModule
      myModule u (.a(a), .b(b), .y(y));
    end
  endgenerate
endmodule

ここで、topモジュールはパラメータUSE_ALTERNATEを持ち、その値によってインスタンス化するモジュールがmyModuleかmyAltModuleかが決まります。

●インスタンス化の注意点と対処法

Verilogのインスタンス化を使用する際には、次のような注意点を把握しておくと良いでしょう。

  1. インスタンス名はユニークである必要があります。
    同一のモジュール内で同じインスタンス名を使用するとエラーとなります。
  2. インスタンス化するモジュールの入出力接続は、そのモジュールの宣言と一致していなければなりません。接続の数や型、順序が一致しないとエラーとなります。
  3. パラメータを持つモジュールのインスタンス化では、パラメータの値を明示的に設定する必要があります。

これらの問題は、コードの見直しやデバッグを行うことで解決することができます。

●Verilogインスタンス化のカスタマイズ方法

Verilogのインスタンス化は、多くの点でカスタマイズすることが可能です。

例えば、インスタンスの数や接続、パラメータの値などを動的に制御することが可能です。

○サンプルコード5：カスタマイズされたインスタンス化

下記のコードでは、パラメータNUM_INSTANCESに基づいてmyModuleのインスタンスの数を動的に変更します。

module top #(parameter NUM_INSTANCES = 10);
  wire [NUM_INSTANCES-1:0] a, b, y;

  generate
    for (genvar i = 0; i < NUM_INSTANCES; i=i+1) begin : gen_myModule
      myModule u (.a(a[i]), .b(b[i]), .y(y[i]));
    end
  endgenerate
endmodule

この例では、topモジュールのパラメータNUM_INSTANCESの値により、myModuleのインスタンスの数が変わります。

まとめ

Verilogのインスタンス化は、ハードウェア記述言語のプログラミングにおいて重要なスキルです。

この記事を通じて、その基本から応用、そしてカスタマイズ方法まで理解できたことと思います。

この知識を活かし、より効率的で再利用可能なVerilogのコードを書くことができるようになりましょう。