初心者でも理解可能！Verilogで切り捨て操作をマスターする7つのステップ

はじめに

Verilogという言葉に初めて触れる方も多いと思います。

それもそのはず、Verilogは電子工学や情報工学の領域で広く使われているハードウェア記述言語なのです。

この記事では、Verilogにおける「切り捨て操作」に焦点を当て、その理論から具体的なコード例まで、7つのステップで分かりやすく解説していきます。

一歩一歩踏み込んでいくことで、皆さんにとってVerilogが身近な存在になることを願っています。

●Verilogとは

Verilogはハードウェア記述言語の一つで、電子回路の設計や検証に広く使われています。

特にデジタル回路の設計では不可欠なツールとなっており、CPUやメモリ、FPGA（Field-Programmable Gate Array）などの設計に用いられます。

○Verilogの基本

VerilogはC言語と似た文法を持つため、プログラミングの基本を理解している方は学習が比較的容易です。

主にモジュールという単位で設計を行い、モジュール内で信号の生成や演算、分岐などの処理を記述します。

●切り捨て操作とは

切り捨て操作は、小数点以下の値を「切り捨てる」計算のことを指します。例えば3.7を切り捨てると3になります。

Verilogではこの切り捨て操作が重要な役割を果たします。

○切り捨て操作の理論

切り捨て操作は、特に電子計算において重要です。

これは、電子計算では必然的に誤差が発生し、これを無視すると大きな誤差に繋がる可能性があるからです。

切り捨て操作を行うことで、この誤差を最小限に抑えることができます。

●Verilogにおける切り捨て操作の使い方

切り捨て操作はVerilogでも重要な操作です。

Verilogでは特定の関数を使うことで簡単に切り捨て操作を行うことができます。その使い方を次に紹介します。

○サンプルコード1：基本的な切り捨て操作

まずはVerilogにおける切り捨て操作の基本的な使い方を解説します。

下記のコードは、ある小数点以下の数値を切り捨てる簡単な例です。

module truncate_example();
  real number = 3.7; 
  integer truncated_number;

  initial begin
    truncated_number = integer'floor(number);
    $display("元の数値: %f, 切り捨て後の数値: %d", number, truncated_number);
  end
endmodule

このコードでは3.7という数値を切り捨て操作を行い、結果を表示しています。

具体的には、real型の変数numberに3.7を代入し、その後でinteger型へ変換して切り捨てを行っています。

このコードを実行すると、次のような結果が出力されます。

元の数値: 3.700000, 切り捨て後の数値: 3

このように、Verilogでは小数点以下の数値を簡単に切り捨てることが可能です。

○サンプルコード2：複数の値に対する切り捨て操作

Verilogでは複数の値に対して同時に切り捨て操作を行うことも可能です。

その方法を解説するためのサンプルコードを紹介します。

module truncation_multi_values;
  reg [31:0] values[3:0]; // 4つの32ビット値を保存する配列
  integer i;

  initial begin
    // 配列に値を設定
    values[0] = 32'b1101_1110_0011_1101_0001_1010_1110_1111;
    values[1] = 32'b0101_1010_0111_1001_1001_0010_0111_0111;
    values[2] = 32'b1110_0001_0101_1010_0111_1001_0001_0110;
    values[3] = 32'b0010_1101_1011_0010_0110_0101_1010_0011;

    // 各値を8ビットに切り捨て
    for(i=0; i<4; i=i+1) begin
      values[i] = values[i][7:0];
      $display("Value %d: %b", i, values[i]);
    end
  end
endmodule

このコードでは、valuesという名前の32ビットの配列を宣言しています。

そして、initial beginブロック内で配列の各要素に値を設定しています。これらの値は全て2進数で表現されています。

その後、forループを使って配列の各要素を8ビットに切り捨てています。切り捨て操作は、values[i][7:0]という記述によって行われています。

この記述により、32ビットのうちの下位8ビットのみが残り、それ以外のビットは切り捨てられます。

このコードを実行すると、各値が8ビットに切り捨てられた結果が表示されます。

実行結果は次のようになります。

Value 0: 11101111
Value 1: 01110111
Value 2: 00010110
Value 3: 10100011

○サンプルコード3：条件付き切り捨て操作

さらに、Verilogでは条件を満たすときだけ切り捨て操作を行うといった、条件付きの切り捨て操作も可能です。

下記のコードは、その方法を解説するための例です。

module truncation_conditional;
  reg [31:0] value; // 32ビットの値
  reg [7:0] truncated_value; // 8ビットの値
  wire is_even;

  initial begin
    value = 32'b1101_1110_0011_1101_0001_1010_1110_1111;
    is_even = value[0] == 1'b0; // 下位ビットが0なら偶数

    if(is_even) begin
      truncated_value = value[7:0]; // 偶数の場合は切り捨てを行う
    end else begin
      truncated_value = 8'b0000_0000; // 偶数でない場合は0にする
    end

    $display("Truncated Value: %b", truncated_value);
  end
endmodule

このコードでは、まずvalueという32ビットの値を設定しています。

その次にis_evenという条件を設定しています。

この条件は、valueの下位ビットが0であるかどうか、つまりvalueが偶数であるかどうかを判定します。

その後、if文を使って、is_evenが真である場合、つまりvalueが偶数である場合は切り捨てを行い、そうでない場合はtruncated_valueを0にします。

このコードを実行すると、valueが偶数であれば切り捨てられた値が、そうでなければ0000_0000が表示されます。

実行結果は次のようになります。

Truncated Value: 11101111

この例からわかるように、Verilogでは条件を満たす場合のみ切り捨て操作を行うといった処理も容易に行うことができます。

このように、Verilogでは複雑な操作もシンプルな記述で実現することが可能です。

●切り捨て操作の応用例

Verilogでの切り捨て操作をマスターしたあなたは、より複雑な応用例に挑戦する準備が整いました。

本章では、具体的なデータ処理、信号処理、計算処理の例を用いて、切り捨て操作の実践的な応用をご紹介します。

○サンプルコード4：切り捨て操作を用いたデータ処理

さまざまなデータ処理タスクにおいて、切り捨て操作は非常に有用です。

たとえば、特定の精度でデータを処理する必要がある場合、余分なデータを切り捨てることで処理を効率化できます。

下記のコードは、10進数の浮動小数点数を2進数の整数に変換する処理を行うものです。

module float_to_int (
    input [31:0] float_in,  // 入力浮動小数点数
    output [15:0] int_out   // 出力整数
);

assign int_out = $floor(float_in);
endmodule

このコードでは、入力として与えられた32ビットの浮動小数点数（float_in）を、16ビットの整数（int_out）に変換しています。

変換には、先ほど学んだ$floor関数を使用しています。結果として小数部は切り捨てられ、整数部だけが出力されます。

このコードを実行した場合、たとえばfloat_inに’32.768’という値を入力すると、int_outは’32’となります。

○サンプルコード5：切り捨て操作を用いた信号処理

次に、信号処理における切り捨て操作の使用例を見てみましょう。

切り捨て操作は、信号の精度を調整する際に役立ちます。

下記のコードでは、入力信号の小数部を切り捨て、整数部のみを出力する簡単な信号処理を行います。

module signal_processing (
    input wire [15:0] signal_in,  // 入力信号
    output wire [7:0] signal_out  // 出力信号
);

assign signal_out = $floor(signal_in);
endmodule

このコードでは、16ビットの入力信号（signal_in）から小数部を切り捨てて、8ビットの出力信号（signal_out）を生成しています。

この操作は、特定の範囲の信号だけを取り扱いたい場合などに有用です。

このコードを実行すると、たとえばsignal_inに’65.536’という値を入力すると、signal_outは’65’となります。

○サンプルコード6：切り捨て操作を用いた計算処理

最後に、計算処理での切り捨て操作の応用例を見てみましょう。ここでは、除算の結果を整数に切り捨てる計算を行います。

下記のコードは、2つの数値の除算を行い、結果を整数で出力するものです。

module division (
    input [15:0] num1,  // 除数
    input [15:0] num2,  // 被除数
    output [15:0] result // 結果
);

assign result = $floor(num1 / num2);
endmodule

このコードでは、2つの16ビット数値（num1とnum2）の除算を行い、その結果を整数として出力します。

$floor関数により、除算の結果が浮動小数点数になった場合でも、その小数部は切り捨てられます。

このコードを実行すると、たとえばnum1に’10’、num2に’3’を入力すると、結果は’3’となります。

ここで、10/3の真の結果は3.333…ですが、切り捨て操作により、出力は’3’となります。

●Verilogにおける切り捨て操作の注意点と対策法

切り捨て操作をうまくVerilogで実装するためには、何点か留意すべき注意点があります。

それらを理解し、適切な対処法を身につけることで、より効率的なコード作成を実現します。

○注意点1：精度の問題とその対策

Verilogで切り捨て操作を行う際、一番気を付けるべきことは、精度の問題です。

切り捨て操作は小数部分を無視するため、その結果として計算精度が低下します。

これは特に、金融や科学計算などの精度が重要なアプリケーションで問題となります。

では、どのように対策を行えばいいのでしょうか。

まずは、一般的な対策として、小数部分を切り捨てる前に適切な量を加える「丸め操作」が挙げられます。

具体的なサンプルコードで解説します。

module rounding(input wire [15:0] A, output reg [15:0] B);
  always @(A) begin
    B = A + 16'h8000; // Aに0.5を加える（丸め操作）
    B = B & 16'hFF00; // 切り捨て操作
  end
endmodule

このコードでは、入力値Aに対してまず0.5を加えて丸め操作を行い、その後で切り捨て操作を行っています。

なお、この例では固定小数点数を扱っているため、加える値は0.5としています。

このコードを実行した結果、入力値が例えば’16’h1234（実数では1.137）の場合、出力値は’16’h1300（実数では1.188）となり、より元の値に近い結果が得られます。

ただし、切り捨て操作後も小数部分が存在する場合には、その部分がさらに切り捨てられる点には注意が必要です。

○注意点2：データタイプとの兼ね合いとその対策

切り捨て操作を行う際、もう一つ気をつけるべきことは、データタイプとの兼ね合いです。

Verilogでは、実数を扱う場合には、realやrealtimeといったデータ型が用意されています。

しかし、これらのデータ型で切り捨て操作を行おうとすると、エラーが生じることがあります。

この問題を解決するためには、切り捨て操作を行う前にデータを整数型に変換することが一つの方法です。

Verilogでは、integerやbit、logicといった整数型が用意されています。

これらのデータ型への変換は、integerなどのキーワードを使って行うことができます。

下記のサンプルコードは、実数の切り捨て操作を行う際の変換の例を表しています。

module convert_and_floor(input wire [31:0] A, output reg [15:0] B);
  real A_real;
  always @(A) begin
    A_real = $itor(A); // Aを実数に変換
    B = integer(A_real); // 切り捨て操作
  end
endmodule

このコードでは、まず入力値Aを実数に変換し、その後で整数型に変換することで切り捨て操作を行っています。

この変換により、切り捨て操作を正常に行うことが可能となります。

このコードを実行した結果、例えば入力値が’32’h41200000（実数では10.0）の場合、出力値は’16’h000A（実数では10）となります。

このように、データ型の変換を行うことで、実数の切り捨て操作を正常に行うことが可能となります。

●Verilogにおける切り捨て操作のカスタマイズ方法

Verilogでは、標準の切り捨て操作だけでなく、ユーザーが定義した切り捨て操作も実装することが可能です。

これにより、特定の目的やアプリケーションに適した独自の切り捨て操作を設計できます。

ここでは、そのカスタマイズ方法について詳しく見ていきましょう。

○サンプルコード7：独自の切り捨て関数の作成

独自の切り捨て操作をVerilogで実装する一つの方法は、関数を作成することです。

関数を用いることで、再利用可能な切り捨て操作を実装できます。

関数を用いた切り捨て操作のサンプルコードを紹介します。

module my_truncate;
    real input_value; // 入力値
    integer output_value; // 出力値

    function integer my_truncate_func; // 独自の切り捨て関数
        input real input_value;
        begin
            my_truncate_func = integer' (input_value);
        end
    endfunction

    initial begin
        input_value = 3.1415; // 入力値の設定
        output_value = my_truncate_func (input_value); // 切り捨て操作
        $display ("切り捨て結果：%d", output_value); // 結果の表示
    end
endmodule

このコードでは、my_truncate_funcという名前の関数を定義しています。

この関数は入力値を受け取り、その値を整数に切り捨てて返します。

initialブロックで、関数が適用され、結果が表示されます。

コードを実行すると、「切り捨て結果：3」と表示されます。

これは、3.1415が3に切り捨てられた結果です。

○サンプルコード8：切り捨て操作を活用したモジュール設計

Verilogでは、モジュールを設計することで、複雑な切り捨て操作を実装することも可能です。

モジュールを用いた切り捨て操作のサンプルコードを紹介します。

module TruncateOperation #(parameter WIDTH = 8) (input [WIDTH-1:0] real_input, output reg [WIDTH-1:0] integer_output);
    always @(real_input) begin
        integer_output = integer' (real_input);
    end
endmodule

このコードでは、TruncateOperationという名前のモジュールを定義しています。

このモジュールは、実数を入力として受け取り、その値を整数に切り捨てて出力します。

このモジュールは、パラメータWIDTHを持っており、これにより、入力および出力のビット幅を指定できます。

このモジュールを使用すると、任意のビット幅を持つ実数に対して、切り捨て操作を適用することができます。

まとめ

以上がVerilogにおける切り捨て操作の詳細な解説です。

切り捨て操作は、デジタルシステム設計において重要な役割を果たします。

その理論から具体的なコード例、そして応用例、注意点、カスタマイズ方法まで、初心者でも理解しやすい形で解説しました。

これらの知識をもとに、Verilogのプログラミングスキルを一層深めていくことをお勧めします。

Verilogでの切り捨て操作マスターへの道はまだまだ続きますが、この記事がその一助となれば幸いです。