Verilog初心者がマスターできる！継続代入の詳細解説と10の活用例

はじめに

デジタル回路の設計を行う際に欠かせないハードウェア記述言語、それがVerilogです。

本日はそのVerilogにおける重要な要素、継続代入について、初心者でも理解できるよう詳しく解説します。

具体的なサンプルコードとともに、基本的な使い方から応用例、カスタマイズ方法まで一挙公開します。

●Verilogとは

Verilogとは、デジタル回路の設計や検証に用いられるハードウェア記述言語の一つです。

C言語に似た記述法を持つため、学習しやすいと言われています。

その特徴の一つに、継続代入という概念があります。

●継続代入とは

継続代入とは、Verilogにおける基本的な代入方法の一つです。

右辺の値が変わると、それに連動して左辺の値もすぐに変わるという特性があります。

これにより、複雑なデジタル回路を効率的に記述することが可能になります。

●継続代入の基本的な使い方

継続代入の基本的な使い方を説明します。

継続代入では、’=’記号を用いて代入を行います。

右辺が変わると左辺も即座に更新される特性を持つため、回路の挙動をリアルタイムで反映させることができます。

○サンプルコード1：基本的な継続代入の使用例

では、基本的な継続代入の使い方を次のサンプルコードで見てみましょう。

このコードでは、信号aを信号bに継続代入しています。

module sample1;
  wire a, b;
  assign b = a;
endmodule

この例では、信号aの値が変化すると、それに連動して信号bの値もすぐに変わります。

●継続代入の詳細な使い方

継続代入の使い方は、基本的な代入だけでなく、複雑な条件付きの代入や、複数の信号への同時代入も可能です。

それではその詳細な使い方を、サンプルコードと共に見ていきましょう。

○サンプルコード2：条件付き継続代入

下記のサンプルコードでは、信号selによって信号aと信号bからどちらを信号outに代入するかを切り替えています。

module sample2;
  wire a, b, sel, out;
  assign out = sel ? a : b;
endmodule

この例では、信号selが1のときは信号a、0のときは信号bが信号outに継続代入されます。

○サンプルコード3：複数の信号への継続代入

次に、一つの信号を複数の信号に同時に継続代入する例を見てみましょう。

下記のコードでは、信号aを信号bと信号cに同時に継続代入しています。

module sample3;
  wire a, b, c;
  assign b = a;
  assign c = a;
endmodule

この例では、信号aの値が変化すると、それに連動して信号bと信号cの値もすぐに変わります。

●継続代入の注意点とその対処法

継続代入は非常に便利な機能ですが、使用する際には注意点も存在します。

注意しなければならないのは、継続代入は「非同期」であるという点です。

つまり、右辺の信号が変化した瞬間に左辺の信号も変化するため、回路全体のタイミングを考慮しながら使用する必要があります。

○サンプルコード4：継続代入の注意点を示すコード例

下記のサンプルコードでは、信号aと信号bがほぼ同時に変化した場合の信号outの挙動を見ることができます。

module sample4;
  wire a, b, out;
  assign out = a & b;
endmodule

この例では、信号aと信号bの両方が同時に変化した場合、信号outの値がどのように変化するかは、信号aと信号bの変化が完全に同時であれば予想可能ですが、微妙にタイミングがずれた場合、意図しない結果を招く可能性があります。

●継続代入のカスタマイズ方法

継続代入はその特性を理解していれば、さまざまな方法でカスタマイズして利用することが可能です。

次のサンプルコードでは、複数の信号を組み合わせて新たな信号を生成するカスタマイズ方法を紹介します。

○サンプルコード5：カスタマイズした継続代入の使用例

下記のサンプルコードでは、信号a、b、cの3つの信号を組み合わせて、新たな信号outを生成しています。

module sample5;
  wire a, b, c, out;
  assign out = a & b | c;
endmodule

この例では、信号aと信号bの論理積と信号cの論理和を信号outに継続代入しています。

これにより、複雑な論理演算も一行で表現することが可能になります。

●継続代入の応用例

ここでは、具体的な応用例として、Verilogでよく用いられる回路設計における継続代入の活用方法を見ていきます。

○サンプルコード6：継続代入を用いたモジュールの作成例

下記のサンプルコードでは、継続代入を用いて2入力ANDゲートのモジュールを作成します。

module and_gate(input wire a, input wire b, output wire out);
  assign out = a & b;
endmodule

この例では、継続代入を用いて信号aと信号bの論理積を信号outに代入することで、2入力ANDゲートを実現しています。

○サンプルコード7：継続代入を用いた複雑な論理回路の記述

下記のサンプルコードでは、継続代入を用いて複雑な論理回路を記述します。

module complex_logic(input wire a, input wire b, input wire c, output wire out);
  assign out = (a & b) | (~a & c);
endmodule

この例では、信号aが1の場合は信号b、0の場合は信号cを出力する複雑な論理回路を実現しています。

○サンプルコード8：継続代入を用いたカウンタの作成例

次のサンプルコードでは、継続代入を用いて4ビットのカウンタを作成します。

module counter(input wire clk, input wire reset, output wire [3:0] count);
  reg [3:0] temp;
  always @(posedge clk or posedge reset)
    if (reset)
      temp <= 4'b0000;
    else
      temp <= temp + 1;
  assign count = temp;
endmodule

この例では、信号clkの立ち上がりエッジ毎に信号tempをインクリメントし、それを信号countに継続代入しています。

リセット信号が来た場合は、信号tempを0にリセットします。

○サンプルコード9：継続代入を用いたレジスタバンクの作成例

下記のサンプルコードでは、継続代入を用いてレジスタバンクを作成します。

module reg_bank(input wire clk, input wire [3:0] data_in, input wire [1:0] addr, output wire [3:0] data_out);
  reg [3:0] reg_array [3:0];
  always @(posedge clk)
    reg_array[addr] <= data_in;
  assign data_out = reg_array[addr];
endmodule

この例では、信号clkの立ち上がりエッジ毎に指定されたアドレスのレジスタにデータを書き込み、その値を信号data_outに継続代入しています。

○サンプルコード10：継続代入を用いた状態遷移マシンの作成例

最後のサンプルコードでは、継続代入を用いて状態遷移マシンを作成します。

module fsm(input wire clk, input wire reset, output wire out);
  reg [1:0] state, next_state;
  always @(posedge clk or posedge reset)
    if (reset)
      state <= 2'b00;
    else
      state <= next_state;
  always @*
    case (state)
      2'b00: next_state = 2'b01;
      2'b01: next_state = 2'b10;
      2'b10: next_state = 2'b00;
    endcase
  assign out = (state == 2'b10);
endmodule

この例では、信号clkの立ち上がりエッジ毎に信号next_stateの値を信号stateに継続代入しています。

リセット信号が来た場合は、信号stateを初期状態に戻します。

まとめ

Verilogの継続代入は、ハードウェア記述における重要な概念であり、信号の関連性を明示的に示すことができます。

基本的な使い方から複雑な論理回路、モジュール、状態遷移マシンの作成など、さまざまな場面で使用することができます。

ここで紹介したサンプルコードは、その応用の一部に過ぎません。

自身のニーズに合わせて、継続代入を使いこなし、より効率的で可読性の高いVerilogコードを書くことができるようになりましょう。