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。
まとめ
Verilogでステートマシンを作成するための5つのステップを理解すれば、初心者でも簡単にステートマシンを作成することができます。
基本構造の理解、Verilogの基本文法の理解、ステートマシンの設計、コーディング、そしてシミュレーション。
これらのステップを一つずつ丁寧に踏むことで、あなたもVerilogでのステートマシン作成の達人になることができます！
