初心者でも簡単！Verilogでステートマシンを作成するための5つのステップ

はじめに
●Verilogとは？
●ステートマシンとは？
●Verilogでステートマシンを作るための5つのステップ
●注意点と対処法
●カスタマイズ方法
まとめ

はじめに

プログラミング言語Verilogを使ってステートマシンを作成する方法は、初心者にとっては少し難しいかもしれません。

しかし、その難しさを克服すれば、これからあなたが達成できることは無限大です。

この記事では、Verilogでステートマシンを作るための5つのステップと、それぞれのステップに対応する詳細なサンプルコードを紹介します。

●Verilogとは？

Verilogは、デジタルシステムとASICデザインで広く使用されるハードウェア記述言語（HDL）の一つです。

一般的には、集積回路やデジタルシステムの設計と検証のために使用されます。

●ステートマシンとは？

ステートマシン、またはフィニートステートマシン（Finite State Machine: FSM）は、デジタルロジック回路における抽象的なモデルです。

これは、特定の状態（ステート）の数が有限であるシステムを記述します。

ステートマシンは状態、イベント、遷移を持ち、それぞれの状態は特定の動作を定義し、イベントは状態間の遷移を引き起こします。

●Verilogでステートマシンを作るための5つのステップ

○ステップ1：基本構造を理解する

ステートマシンは「状態」「イベント」「遷移」の3つの基本要素から成り立ちます。

状態とはステートマシンがある一定の状態を指し、イベントとはその状態が変わるきっかけとなる出来事を指し、遷移とは状態が変わることを指します。

○ステップ2：Verilogの基本文法を理解する

Verilogでステートマシンを作るためには、Verilogの基本的な文法を理解することが必要です。

たとえば、Verilogでは、ステートマシンの各ステートを表すためにenumを使用します。

また、case文を用いて、ステートごとの動作を定義します。

○ステップ3：ステートマシンの設計を行う

Verilogでステートマシンを設計する前に、何をしたいのか、どのような機能を持つステートマシンが必要なのかを明確に理解する必要があります。

□サンプルコード1：基本的なステートマシンの設計

下記のコードは、基本的なステートマシンの設計を表しています。

module state_machine(
  input wire clk,
  input wire reset,
  output wire out
);

  typedef enum {STATE0, STATE1, STATE2} State;
  reg State state;

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if(reset) state <= STATE0;
    else begin
      case(state)
        STATE0: state <= STATE1;
        STATE1: state <= STATE2;
        STATE2: state <= STATE0;
      endcase
    end
  end

  always @(state) begin
    case(state)
      STATE0: out = 1'b0;
      STATE1: out = 1'b1;
      STATE2: out = 1'b0;
    endcase
  end
endmodule

このコードではVerilogを使って基本的なステートマシンを設計しています。

この例では、ステートマシンが3つの状態（STATE0, STATE1, STATE2）を持ち、クロック信号の立ち上がりエッジごとに状態が遷移していきます。

○ステップ4：ステートマシンのコーディングを行う

設計図が完成したら、次はVerilogでそれをコーディングします。

ステートマシンの各ステートとそのテートで行われるアクションを定義するためのcase文を活用します。

□サンプルコード2：ステートマシンのコーディング

下記のコードは、設計したステートマシンを実際にコーディングしたものです。

module state_machine(
  input wire clk,
  input wire reset,
  output reg out
);

  typedef enum {STATE0, STATE1, STATE2} State;
  reg State state;

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if(reset) state <= STATE0;
    else begin
      case(state)
        STATE0: state <= STATE1;
        STATE1: state <= STATE2;
        STATE2: state <= STATE0;
      endcase
    end
  end

  always @(state) begin
    case(state)
      STATE0: out = 1'b0;
      STATE1: out = 1'b1;
      STATE2: out = 1'b0;
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、ステートマシンの状態遷移を実装しています。

具体的には、reset信号が立ち上がったとき、またはclk信号の立ち上がりエッジごとに、ステートマシンの状態が遷移します。

○ステップ5：テストベンチを作成し、シミュレーションを行う

作成したステートマシンが正しく動作するかを確認するためには、テストベンチを作成し、シミュレーションを行うことが重要です。

□サンプルコード3：テストベンチの作成とシミュレーション

下記のコードは、作成したステートマシンのテストベンチです。

module tb_state_machine;
  reg clk;
  reg reset;
  wire out;

  // インスタンス化
  state_machine u0 (
    .clk(clk),
    .reset(reset),
    .out(out)
  );

  // クロック生成
  initial begin
    clk = 0;
    forever #10 clk = ~clk;
  end

  // シミュレーション
  initial begin
    reset = 1;
    #20 reset = 0;
    #100 $finish;
  end
endmodule

このコードではテストベンチを作成し、シミュレーションを実行しています。

この例ではクロック信号を生成し、リセット信号を操作してステートマシンの動作を確認しています。

●注意点と対処法

Verilogでステートマシンを作成する際にはいくつか注意点があります。

一つ目は、ステートマシンの各ステートが互いに適切に遷移していることを確認することです。

二つ目は、Verilogのalwaysブロック内で、if文やcase文を使う際には、全ての条件を網羅することが重要です。

これを怠ると、意図しない動作をする可能性があります。

●カスタマイズ方法

ステートマシンはその性質上、様々なカスタマイズが可能です。

例えば、ステートの数を増やしたり、ステート間の遷移を変更したり、ステートで行うアクションを変更したりできます。

□サンプルコード4：カスタムステートマシンの作成

下記のコードは、カスタムステートマシンを作成する例です。

module custom_state_machine(
  input wire clk,
  input wire reset,
  input wire input1,
  output reg out
);

  typedef enum {STATE0, STATE1, STATE2, STATE3} State;
  reg State state;

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if(reset) state <= STATE0;
    else begin
      case(state)
        STATE0: state <= input1 ? STATE1 : STATE0;
        STATE1: state <= STATE2;
        STATE2: state <= STATE3;
        STATE3: state <= STATE0;
      endcase
    end
  end

  always @(state) begin
    case(state)
      STATE0: out = 1'b0;
      STATE1: out = 1'b1;
      STATE2: out = 1'b0;
      STATE3: out = 1'b1;
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、入力信号input1に応じて状態の遷移を制御するカスタムステートマシンを作成しています。

これにより、外部の入力に応じて動作を変更することが可能になります。