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Verilog入門！5ステップでカウンタを作成する方法

Verilogを用いてカウンタを作成する方法を表す図解 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初心者にとって、ハードウェア記述言語であるこの言語を理解し、カウンタを作成するのは一見難しく思えます。

しかし、ここではその手順を5つのステップに分けて詳しく解説します。

サンプルコードも提供し、理解を深めます。

●Verilogとは何か?

Verilogは、1980年代に登場したハードウェア記述言語（HDL）の一つです。

HDLとは、電子回路やデジタル論理回路の設計とシミュレーションに使用される特殊なプログラミング言語を指します。

Verilogは主に集積回路の設計に使用され、システムの設計やテストなどを行います。

○Verilogの基本

Verilogは、その名前の通り、ハードウェアを記述するための言語です。

一般的なプログラミング言語とは異なり、時間の概念を持ち、同時に多くの処理を記述することが可能です。

また、ビット単位での操作が可能で、ハードウェアの挙動を詳細にモデル化することができます。

●カウンタとは何か?

カウンタは、デジタル信号処理で頻繁に使用される概念で、基本的には特定の数までカウントする機能を持ったモジュールです。

カウンタは、一定間隔ごとにカウントを進めるクロック信号を入力とし、そのカウント値を出力します。

○カウンタの種類とその機能

基本的には2種類のカウンタが存在します。

一つはアップカウンタで、クロック信号が来るたびにカウントが1増えます。

もう一つはダウンカウンタで、クロック信号が来るたびにカウントが1減ります。

これらのカウンタは、ハードウェア設計で頻繁に使用されます。

●Verilogでカウンタを作成するステップ

Verilogでカウンタを作成するには、次の5つのステップを行います。

○ステップ1：Verilogコードの基本構造

Verilogのコードはモジュールという単位で構成されます。

これは一種のブラックボックスとも言える部品で、入力と出力を持ちます。

□サンプルコード1：Verilogコードの基本構造

module MyCounter(input clk, output reg [3:0] count);
// ここにカウンタのロジックを記述
endmodule

このコードは、クロック信号clkを入力とし、4ビットのカウンタcountを出力するモジュールMyCounterを定義しています。

inputは入力ポートを、output regは出力用のレジスタを定義するキーワードです。

[3:0]は4ビット幅を表しています。

○ステップ2：レジスタの宣言

次に、カウンタの値を保持するためのレジスタを宣言します。

レジスタは一種の記憶装置で、Verilogではregキーワードを使用して宣言します。

□サンプルコード2：レジスタの宣言

module MyCounter(input clk, output reg [3:0] count);
reg [3:0] count_reg;
// ここにカウンタのロジックを記述
endmodule

ここではcount_regという名前の4ビットレジスタを宣言しました。

このレジスタはカウンタの値を一時的に保持するために使用します。

○ステップ3：カウンタのロジックを記述

カウンタのロジックは、クロック信号が立ち上がった瞬間にカウンタの値を更新します。

この処理はalwaysブロックを用いて記述します。

□サンプルコード3：カウンタのロジック記述

module MyCounter(input clk, output reg [3:0] count);
reg [3:0] count_reg;
always @(posedge clk) begin
  count_reg = count_reg + 1;
end
assign count = count_reg;
endmodule

always @(posedge clk)は、クロック信号clkの立ち上がりエッジ（0から1への変化）が来るたびに動作することを意味します。

その後のbeginとendで囲まれた部分が、そのタイミングで実行される処理を表します。

ここではcount_regに1を加えています。

assignキーワードは連続代入を行うためのもので、ここではレジスタcount_regの値を出力countに連続的に代入しています。

○ステップ4：クロック信号とリセット信号を実装

ハードウェア設計では、リセット信号も重要な役割を果たします。

リセット信号が立ち上がったとき、カウンタは初期状態に戻ります。これを実装します。

□サンプルコード4：クロック信号とリセット信号の実装

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

ここではリセット信号resetを追加しました。

alwaysブロックがクロック信号clkまたはリセット信号resetの立ち上がりエッジで動作するようになりました。

リセット信号が立ち上がると、カウンタcount_regは0にリセットされます。

リセット信号がない場合は、カウンタは1ずつ増えます。

○ステップ5：シミュレーションとデバッグ

最後に、作成したカウンタが正しく動作するか確認するためのシミュレーションを行います。

これはテストベンチと呼ばれる別のVerilogコードで行います。

□サンプルコード5：シミュレーションコード

module MyCounter_tb;
reg clk;
reg reset;
wire [3:0] count;
MyCounter u0(.clk(clk), .reset(reset), .count(count));
initial begin
  clk = 0;
  reset = 1;
  #10;
  reset = 0;
  #100;
  $finish;
end
always #5 clk = ~clk;
endmodule

このコードは、MyCounterモジュールのシミュレーションを行うテストベンチです。

initialブロック内でシミュレーションの初期設定を行い、その後リセット信号を解除し、シミュレーションを100タイムステップ進めて終了します。

always #5 clk = ~clk;により、5タイムステップごとにクロック信号clkを反転させています。

このコードをシミュレーションすると、カウンタが正しく動作するかを確認することができます。

以上で、Verilogでカウンタを作成する基本的なステップが終わります。

しかし、実際にはカウンタの設計には注意が必要です。次に、それについて詳しく説明します。

●Verilogでカウンタを作成する際の注意点と対処法

カウンタ設計においては、オーバーフローやアンダーフローといった問題が発生する可能性があります。

オーバーフローはカウンタが許容できる最大値を超えてしまうこと、アンダーフローは最小値を下回ってしまうことを指します。

これらの問題を解決するためには、カウンタが一定の範囲内でしか動作しないように制御する必要があります。

また、カウンタの動作はクロック信号に強く依存します。

クロック信号の周期やデューティ比（ON時間とOFF時間の比率）が不適切だと、カウンタの動作が不安定になる可能性があります。

そのため、クロック信号の設計や選択にも注意を払う必要があります。

さらに、ハードウェアは物理的な限界があるため、高速に動作しすぎるとハードウェアが正しく動作しなくなることもあります。

カウンタの動作速度は、使用するハードウェアの制約内で設定することが重要です。

●カウンタの応用例とその作成方法

基本的なカウンタの設計方法を理解したら、それをベースに様々な応用例を作成することができます。

以下では、可変カウンタとデバイドカウンタの作成方法を解説します。

○応用例1: 可変カウンタ

可変カウンタは、カウンタの最大値を動的に変更できるカウンタです。

これを実現するには、最大値を格納する追加のレジスタと、その最大値に達したらカウンタをリセットするロジックが必要です。

□サンプルコード6：可変カウンタの作成

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

このコードでは、入力maxを追加しました。

maxはカウンタの最大値を指定します。

カウンタがmaxに達すると、カウンタは0にリセットされます。

○応用例2：デバイドカウンタ

デバイドカウンタは、クロック信号の周波数を分割するカウンタです。

例えば、クロック信号の周波数が高すぎる場合には、デバイドカウンタを使って周波数を下げることができます。

□サンプルコード7：デバイドカウンタの作成

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

ここでは、入力divideを追加しました。divideは分割する数を指定します。

カウンタがdivideに達すると、カウンタは0にリセットされます。

これにより、クロック信号の周波数がdivideで指定した数値だけ分割されます。

まとめ

今回は、ハードウェア記述言語Verilogを使ってカウンタを作成する方法を紹介しました。

この基本的な知識を持っていれば、もっと複雑なハードウェアの設計にも取り組むことができます。

カウンタはデジタル回路設計の基本的な要素であり、その知識は多くの場面で役立つでしょう。

また、注意点や応用例を交えて、カウンタ設計の幅広い側面を探求しました。

これらを参考にして、自分自身の設計を改善し、新たなハードウェアを作成してみてください。