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Verilogのurandom関数でランダム数生成！初心者でも簡単10のステップ

初心者向けVerilog urandom関数チュートリアル Verilog
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。

本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。

※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』を満たす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のurandom関数を使ってランダムな数値を生成する方法について詳しく解説します。

Verilogでのプログラミング初心者でも、10ステップのチュートリアルを進めることで、urandom関数の基本的な使い方からカスタマイズまでを理解し、自分のプロジェクトに活用できるようになります。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語（HDL）の1つであり、デジタルシステムの設計と検証のために広く利用されています。

Verilogは、そのシミュレーションの能力と汎用性のため、電子デバイスの開発者に非常に人気があります。

●urandom関数の基本

Verilogのurandom関数は、無作為な整数を生成するための関数です。

この関数は、0から2^32-1までの間の値を生成します。

urandom関数は、テストベンチ作成やデバッグの際などに重宝されます。

●urandom関数の使い方

urandom関数は、次のように使用します。

integer random_number;
random_number = $urandom;

このコードでは、urandom関数を使ってランダムな整数を生成するコードを紹介しています。

この例では、まずinteger型の変数random_numberを宣言し、その後に$urandomを呼び出してランダムな整数を生成し、生成された数値をrandom_numberに代入しています。

○サンプルコード1：基本的なランダム数生成

module urandom_basic;
  initial begin
    integer random_number;
    random_number = $urandom;
    $display("ランダムな数値: %d", random_number);
  end
endmodule

このコードでは、最初にモジュールurandom_basicを宣言します。

次に、初期ブロック内でinteger型の変数random_numberを宣言し、$urandomを使ってランダムな整数を生成します。

最後に、生成されたランダムな数値を表示しています。

このコードを実行すると、ランダムな整数が出力されます。

○サンプルコード2：範囲指定でのランダム数生成

範囲を指定してランダムな数値を生成することも可能です。

module urandom_range;
  initial begin
    integer random_number;
    random_number = $urandom % 100;
    $display("0～99の間のランダムな数値: %d", random_number);
  end
endmodule

このコードでは、urandom関数を使ってランダムな整数を生成した後、100で割った余りを計算しています。

これにより、生成される数値の範囲が0～99となります。

このコードを実行すると、0から99の間のランダムな整数が出力されます。

○サンプルコード3：ランダムな配列生成

urandom関数を使ってランダムな配列を生成することもできます。

下記のサンプルコードを参考にしてください。

module urandom_array;
  initial begin
    integer i;
    integer random_array[10];
    for (i = 0; i < 10; i = i + 1) begin
      random_array[i] = $urandom;
      $display("ランダムな配列の要素%d: %d", i, random_array[i]);
    end
  end
endmodule

このコードでは、まずinteger型の変数iと、ランダムな数値を格納するための配列random_arrayを宣言します。

次に、forループを使って配列の各要素にランダムな数値を代入し、その数値を表示しています。

このコードを実行すると、10個のランダムな整数が出力されます。

●urandom関数の応用例

urandom関数の特性を理解し、基本的な使い方をマスターしたら、より具体的な応用例に移りましょう。

ここでは、ハードウェアテストパターンの生成、信号パターンの生成、初期化パターンの生成といった、一般的によく使われる応用例を取り上げます。

○サンプルコード4：ランダムなハードウェアテストパターン生成

Verilogで開発されたハードウェアのテストパターンを生成するために、urandom関数を使用することができます。

下記のコードは、指定したbit幅のランダムなテストパターンを生成します。

module test;
    reg [31:0] pattern;  // テストパターンを保存するレジスタを定義
    initial begin
        pattern = $urandom;  // ランダムな値を生成してレジスタに保存
        $display("Random Test Pattern: %0d", pattern);  // テストパターンを表示
    end
endmodule

このコードでは、$urandom関数を使って32ビットのランダムなテストパターンを生成しています。

この例では、パターン変数にランダムな値を格納して、その後でディスプレイ関数を使用してそのパターンを表示しています。

このコードを実行すると、32ビットのランダムな整数が表示され、これがテストパターンとなります。

○サンプルコード5：ランダムな信号パターン生成

Verilogでは、デジタル信号のテストパターンをランダムに生成することも可能です。

下記のコードは、指定した周期で信号パターンをランダムに切り替えます。

module test;
    reg signal;  // 信号を保存するレジスタを定義
    always @(posedge clk)  // クロックの立ち上がりエッジで
        signal = $urandom_range(0, 1);  // ランダムな信号を生成
endmodule

このコードでは、$urandom_range関数を使って0から1の間でランダムな値を生成し、それを信号としています。

この例では、クロックの立ち上がりエッジ毎に信号がランダムに切り替わります。

このコードを実行すると、ランダムに変化する信号パターンが生成されます。

○サンプルコード6：ランダムな初期化パターン生成

urandom関数は、システムを初期化する際のランダムなパターン生成にも役立ちます。

下記のコードは、レジスタの初期化パターンをランダムに生成します。

module test;
    reg [31:0] init_pattern;  // 初期化パターンを保存するレジスタを定義
    initial begin
        init_pattern = $urandom;  // ランダムな値を生成してレジスタに保存
        $display("Random Initialization Pattern: %0d", init_pattern);  // 初期化パターンを表示
    end
endmodule

このコードでは、$urandom関数を使って32ビットのランダムな初期化パターンを生成しています。

この例では、init_pattern変数にランダムな値を格納して、その後でディスプレイ関数を使用してそのパターンを表示しています。

このコードを実行すると、32ビットのランダムな初期化パターンが表示されます。

これはシステムをランダムな状態から始めるための初期化パターンとして利用できます。

●注意点と対処法

Verilogのurandom関数を使ったランダム数生成には、それなりに理解と注意が必要です。

このセクションでは、そのいくつかのポイントについて詳しく説明します。

○urandomのリピートパターン

まず初めに、urandom関数が生成する乱数は、一見すると完全にランダムに見えますが、一定のパターンを持つことを理解しておく必要があります。

これは、「疑似乱数生成器」（PRNG）と呼ばれるものの特性であり、urandom関数もその一種です。

つまり、urandom関数は実際には真のランダム性を持たず、一定のアルゴリズムに基づいて乱数を生成します。

これにより、同じ初期値（シード）を与えれば、同じ乱数のシーケンスが再現可能となります。

これは、一部のテストケースで役立つかもしれませんが、それが望ましくない場合もあります。

その解決策として、urandom関数のシードを設定する$urandom_seed関数を使用することがあります。

この関数には、一意の値（たとえば、現在のUNIXタイムスタンプ）を渡すことで、urandom関数が生成する乱数のパターンを毎回異なるものにすることができます。

この方法を用いたサンプルコードを紹介します。

module main;
  initial begin
    // UNIXタイムスタンプを取得
    integer timestamp;
    timestamp = $time;
    // UNIXタイムスタンプをシードとして使用
    $urandom_seed(timestamp);
    // ランダムな値を生成
    integer rand_val;
    rand_val = $urandom;
    $display("ランダム値: %d", rand_val);
  end
endmodule

このコードでは、UNIXタイムスタンプを使ってurandom関数のシードを設定し、それに基づいてランダム値を生成しています。

これにより、毎回異なる乱数シーケンスを生成することが可能になります。

○乱数の品質

次に、乱数の品質について考えてみましょう。

品質とは、生成された乱数がどれだけランダムに見えるか、すなわち、各乱数が一様に分布しているかを表します。

Verilogのurandom関数は一般的に高品質の乱数を生成しますが、それでも完全な一様分布を期待するのは難しいです。

これに対する一つの対策として、適切な範囲の乱数が必要な場合には、モジュロ演算子（%）を使用して、生成された乱数をその範囲に制約することができます。

ただし、モジュロ演算子を使用すると、乱数の分布が若干偏る可能性があるので注意が必要です。

一般的に、乱数を生成する範囲が2の累乗（つまり、2, 4, 8, 16など）であれば、この問題は発生しません。

モジュロ演算子を使って乱数を範囲内に制約するサンプルコードを紹介します。

module main;
  initial begin
    // 0から99までのランダムな値を生成
    integer rand_val;
    rand_val = $urandom % 100;
    $display("ランダム値: %d", rand_val);
  end
endmodule

このコードでは、urandom関数で生成された乱数に対してモジュロ演算子を使用し、0から99までの範囲の乱数を生成しています。

この方法を使用すれば、生成したい乱数の範囲を自由に制御することができます。

○範囲指定でのランダム数生成の注意

最後に、範囲を指定して乱数を生成する場合の注意点について説明します。

前述の通り、モジュロ演算子を使用して乱数の範囲を制約することが一般的ですが、その範囲が2の累乗でない場合、一様分布からの乱数生成に影響を与える可能性があります。

これは、乱数が一定の範囲（例えば、0から99）に制約されると、その範囲の外側にある乱数の出現頻度が減少し、その結果、乱数の分布が一様ではなくなるためです。

この問題を解決するためには、乱数の範囲を2の累乗に制約するか、または特定の範囲外の乱数が生成された場合に再度乱数を生成するといった対策が考えられます。

範囲外の乱数が生成された場合に再度乱数を生成するサンプルコードを紹介します。

module main;
  initial begin
    // 0から99までのランダムな値を生成
    integer rand_val;
    do begin
      rand_val = $urandom;
    end while(rand_val >= 100);
    $display("ランダム値: %d", rand_val);
  end
endmodule

このコードでは、do-whileループを使って100以上の乱数が生成された場合には、再度乱数を生成しています。

これにより、生成される乱数が常に指定した範囲内に収まるようになり、乱数の一様性が保たれます。

●urandom関数のカスタマイズ

Verilogのurandom関数は、そのままでも十分な機能を持っていますが、より高度な乱数生成のニーズに対応するために、この関数をカスタマイズすることも可能です。

ここでは、urandom関数を使用してカスタム乱数生成器を作成する方法を説明します。

○サンプルコード7：カスタム乱数生成器の作成

まずは、urandom関数を用いてカスタム乱数生成器を作成するサンプルコードを紹介します。

module main;
  function automatic integer random_range(int min, int max);
    return min + $urandom() % (max-min+1);
  endfunction

  initial begin
    integer rand_val;
    rand_val = random_range(10, 20);
    $display("範囲指定ランダム値: %d", rand_val);
  end
endmodule

このコードでは、urandom関数を使用して、指定した範囲内の乱数を生成する新たな関数random_rangeを定義しています。

この関数は、最小値（min）と最大値（max）を引数として受け取り、その範囲内のランダムな整数を返します。

初期ブロックでは、この新しい関数を使用して、10から20の範囲のランダムな整数を生成しています。

表示結果は、その範囲内の任意のランダムな整数となるでしょう。

このように、urandom関数を基にして、自分のニーズに合わせたカスタム乱数生成器を作成することが可能です。

これにより、テストパターン生成や、様々なシミュレーション環境でのランダムな値の生成など、さまざまな用途に応じた乱数生成が可能となります。

しかし、ここでも注意点が一つあります。

モジュロ演算子（%）を使用して乱数の範囲を制約する際、その範囲が2の累乗でないと、乱数の一様性が保たれない可能性があるという点です。

そのため、一様性が必要な場合は、範囲の指定方法を工夫するか、2の累乗に近い範囲を指定するなどの対策が必要です。

まとめ

この記事では、Verilogのurandom関数を用いたランダム数生成について、その基本的な使い方から応用、そしてカスタマイズ方法までを一通り解説しました。

この知識を活かして、様々なテストケースの生成や、ランダム性を必要とするシミュレーション環境の設定など、多岐にわたる用途で活用してみてください。

また、urandom関数を使用する際の注意点や、それに対する対処法についても解説しました。

urandom関数の疑似乱数生成器としての特性、生成される乱数の品質と一様性、そして範囲指定による乱数生成の際の配慮点など、これらの要素を理解することで、より効率的で安全な乱数生成が可能となります。

最後に、urandom関数を基にしたカスタム乱数生成器の作成についても触れました。

自分のニーズに応じて乱数生成を制御するための方法を学ぶことで、さらに広範な用途でこの関数を活用できることでしょう。

今後もVerilogやその他のハードウェア記述言語の学習を続ける際には、乱数生成がどのように役立つかを理解し、活用することが重要です。

乱数生成は、テストケース生成やシミュレーション、検証など、ハードウェア設計や検証の過程で欠かせない要素であり、それを効果的に利用するための知識と技術を身につけることで、より高度な設計能力を獲得できるでしょう。