Verilogでスイッチ入力をマスター！5つの簡単ステップと10のサンプルコード

はじめに
●Verilogとは
- ○Verilogの基本
- ○Verilogでのスイッチ入力とは
●Verilogでのスイッチ入力の使い方
●Verilogでのスイッチ入力の応用例
●スイッチ入力の注意点と対処法
- ○デバウンスの問題
- ○ノイズ対策
●スイッチ入力のカスタマイズ方法
- ○複数のスイッチを同時に読み取る
- ○スイッチの状態を記憶する
まとめ

はじめに

Verilogでスイッチ入力をマスターするための情報を探している方には、この記事が理想的なガイドになるでしょう。

ここでは、Verilogにおけるスイッチ入力の基本的な使い方から、応用例、注意点、さらにはカスタマイズ方法まで、豊富なサンプルコードと共に詳細に解説します。

これらの情報を駆使して、Verilogでのスイッチ入力をうまく使いこなすスキルを身につけてください。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語（HDL）の一つで、デジタルシステムの設計や検証に使用されます。

高レベルな記述が可能で、機能的な観点から回路を設計できる点が特徴です。

○Verilogの基本

Verilogでは、モジュールと呼ばれる単位で設計を行います。

モジュールは再利用可能な設計単位で、特定の機能を持つ一連の信号、変数、プロセスを含みます。

各モジュールは入力、出力、双方向のポートを持ち、これらのポートを通じて他のモジュールと情報を交換します。

○Verilogでのスイッチ入力とは

スイッチ入力は、Verilogで用いる基本的な入力デバイスの一つです。

スイッチの状態（オンまたはオフ）は、Verilogプログラムによって読み取られ、それに基づいた操作が行われます。

●Verilogでのスイッチ入力の使い方

スイッチ入力の取り扱いは、次の手順で行います。

まず、スイッチをモジュールの入力ポートとして宣言します。

その後、スイッチの状態に基づいて制御を行うためのコードを記述します。

○サンプルコード1：基本的なスイッチ入力

基本的なスイッチ入力の読み取りを行うためのコードを紹介します。

この例ではスイッチの状態を読み取り、それを表示するだけの簡単なコードです。

module switch_input(
    input wire switch, 
    output wire [7:0] LED
);

assign LED = switch ? 8'hFF : 8'h00;

endmodule

このコードでは、スイッチがオンの時にはLEDが全て点灯（8’hFF）し、スイッチがオフの時にはLEDが全て消灯（8’h00）します。

○サンプルコード2：複数のスイッチ入力

次に、複数のスイッチから入力を読み取るコードを紹介します。

この例では二つのスイッチを読み取り、それぞれの状態によってLEDの状態を制御します。

module multi_switch_input(
    input wire [1:0] switch,
    output wire [7:0] LED
);

assign LED = switch[0] ? 8'hFF : 8'h00;
assign LED = switch[1] ? 8'h0F : 8'hF0;

endmodule

このコードでは、switch[0]がオンの時にはLEDが全て点灯、オフの時には全て消灯します。

一方、switch[1]がオンの時にはLEDの半分が点灯（8’h0F）、オフの時には他の半分が点灯（8’hF0）します。

○サンプルコード3：スイッチの状態変更

スイッチの状態変更は非常に一般的な操作であり、Verilogでのプログラミングでは必須の知識です。

これは、あるスイッチが押されたときに何らかの動作を起こすというシナリオを作ることを可能にします。

スイッチの状態が変更されたときにLEDが点滅するVerilogのサンプルコードを紹介します。

module switch_state_change(
    input wire clk, 
    input wire switch, 
    output wire led
);
    reg switch_state;

    always @(posedge clk) begin
        if(switch) begin
            switch_state <= !switch_state;
        end
    end

    assign led = switch_state;
endmodule

このコードでは、switchの入力がHigh(真)になった瞬間、つまりスイッチが押された瞬間にswitch_stateの状態を反転させます。

その結果、switch_stateの状態がLEDの状態と連動します。この例では、スイッチが押されるとLEDが点滅し、再度押されるとLEDが消灯します。

これにより、スイッチの状態に応じてLEDを制御できます。

次に、上記コードの実行結果を考えてみましょう。

このコードがFPGAに書き込まれた状態でスイッチが押されると、LEDが点滅します。

再度スイッチが押されると、LEDが消灯します。

これは、スイッチの状態が反転し、その結果としてLEDの状態も反転するためです。

○サンプルコード4：スイッチによるLED制御

Verilogを使ってスイッチの状態によってLEDの点灯を制御することも可能です。

下記のサンプルコードは、スイッチが押されたときにLEDが点灯し、離されたときに消灯する簡単な例を表しています。

module switch_led_control(
    input wire switch, 
    output wire led
);
    assign led = switch;
endmodule

このコードでは、switchとledが直接接続されています。

つまり、switchがHigh(真)ならLEDは点灯し、Low(偽)ならLEDは消灯します。

この例では、スイッチが押されている間だけLEDが点灯し、離されると消灯します。

このコードを実行すると、スイッチが押されている間だけLEDが点灯します。

スイッチを離すとLEDは消灯します。

これはswitchとledが直接接続されているため、スイッチの状態が直接LEDの状態に影響を与えるからです。

●Verilogでのスイッチ入力の応用例

Verilogでスイッチ入力をマスターすると、より複雑な操作が可能になります。

それらの一部を紹介するために、ここではスイッチによるカウンタ制御からモータ制御まで、いくつかのサンプルコードを用いて解説します。

○サンプルコード5：スイッチによるカウンタ制御

スイッチ入力を用いることで、Verilogにおけるカウンタ制御も容易に実装できます。

下記のサンプルコードは、スイッチが押されるたびにカウンタがインクリメントされるというシンプルな例です。

module sw_counter (
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire [7:0] sw,
    output reg [7:0] led
);

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n)
        led <= 8'b0;
    else if (sw)
        led <= led + 1'b1;
end

endmodule

このコードでは、スイッチが押されるとカウンタ（LED）が1つずつ増加していきます。

リセットが非アクティブ化されると、カウンタはゼロに戻されます。

クロックの立ち上がりエッジをトリガーに、スイッチが押されるとカウンタがインクリメントされます。

このコードを実行すると、ユーザーがスイッチを押すたびに、LEDが1つずつ増えていきます。

リセットが非アクティブになった時点で、LEDはすべて消灯します。

○サンプルコード6：スイッチによるブザー制御

次に、スイッチを使ってブザーを制御する方法を見てみましょう。

ブザーを制御するためには、適切な周波数のパルスを生成する必要があります。

下記のコードでは、スイッチの状態によってブザーの周波数が切り替わる例を表しています。

module sw_buzzer_control (
    input wire clk,
    input wire [1:0] sw,
    output reg buzzer
);

reg [31:0] counter;
parameter C4 = 19'd398107;
parameter D4 = 19'd335545;
parameter E4 = 19'd282475;

always @(posedge clk) begin
    counter <= counter + 1'b1;
    case (sw)
        2'b00: buzzer <= counter < C4;
        2'b01: buzzer <= counter < D4;
        2'b10: buzzer <= counter < E4;
        default: buzzer <= 1'b0;
    endcase
end

endmodule

このコードでは、スイッチの状態に応じて3つの異なる周波数（C4、D4、E4）を生成します。スイッチが押されていない場合（デフォルト）、ブザーは消音されます。

実際にこのコードを実行すると、ユーザーがスイッチを操作することでブザーの音色を自在に変化させることができます。

スイッチが全て押されていない状態では、ブザーからは何の音も出ません。

○サンプルコード7：スイッチとディスプレイ

Verilogでのスイッチ入力をマスターする上で、スイッチを使ってディスプレイの動作を制御することも一つの大切なスキルです。

ここでは、スイッチの状態に応じてディスプレイに異なる情報を表示するVerilogのコードを紹介します。

ここでは、スイッチがオフの場合には”OFF”、スイッチがオンの場合には”ON”とディスプレイに表示する簡単な例を考えてみましょう。

まずはサンプルコードをご覧ください。

module display_control (
    input wire [0:0] switch_input,
    output reg [6:0] display_output
);

always @(switch_input) begin
    if (switch_input == 1'b0) begin
        // スイッチがオフの場合、"OFF"をディスプレイに表示
        display_output = 7'b1001001;  // 'OFF'の7セグメント表示コード
    end
    else begin
        // スイッチがオンの場合、"ON"をディスプレイに表示
        display_output = 7'b1110000;  // 'ON'の7セグメント表示コード
    end
end

endmodule

このコードでは、1ビットのスイッチ入力を受け取り、7ビットのディスプレイ出力を制御しています。

スイッチがオフ（0）のときは、7セグメントディスプレイで’OFF’を表現するビットパターン（7'b1001001）を、スイッチがオン（1）のときは’ON’を表現するビットパターン（7'b1110000）を出力します。

このコードを実行すると、ハードウェア上のスイッチの状態に応じてディスプレイに”OFF”または”ON”が表示されます。

これにより、物理的なスイッチ操作とディスプレイ表示との間に直感的な連動性をもたらします。

このサンプルコードは基本的な形状ですが、ディスプレイが表示する内容を増やしたり、複数のスイッチに対応させるなど、応用は無限大です。

例えば、異なるスイッチがオンになったときに異なるメッセージを表示するように改良することも可能です。

○サンプルコード8：スイッチによるロータリーエンコーダ制御

次に、スイッチ入力を用いてロータリーエンコーダ（回転角度センサ）の制御を行う例を見てみましょう。

ここでは、スイッチがオンのときだけロータリーエンコーダの値を読み取り、それ以外の場合はエンコーダの値を無視するシステムを考えます。

そのためのVerilogコードを紹介します。

module rotary_encoder_control (
    input wire [0:0] switch_input,
    input wire [31:0] rotary_encoder_input,
    output reg [31:0] encoder_output
);

always @(switch_input, rotary_encoder_input) begin
    if (switch_input == 1'b1) begin
        // スイッチがオンの場合、エンコーダの値を読み取る
        encoder_output = rotary_encoder_input;
    end
    else begin
        // スイッチがオフの場合、エンコーダの値を無視（0にリセット）
        encoder_output = 32'b0;
    end
end

endmodule

このコードでは、スイッチの入力がオン（1）のときにのみ、ロータリーエンコーダの入力値を出力します。

それ以外の場合（スイッチがオフの場合）、出力は0にリセットされます。

このコードを適用すると、スイッチがオンのときだけエンコーダの角度情報を得ることができ、それ以外の場合は角度情報がリセットされるという動作を確認できます。

これにより、ユーザーが意図的に情報を取得したいときだけエンコーダを有効化することが可能になります。

このような制御は、パワーセーブや選択的な情報取得、特定の操作に対する反応など、多くの応用シーンで利用できます。

○サンプルコード9：スイッチによるセンサデータの制御

Verilogでスイッチ入力を使ってセンサデータを制御する方法を紹介します。

このコードでは、スイッチの状態によってセンサの読み取りを開始または停止します。

module switch_sensor_control(
    input wire switch,
    input wire clk,
    input wire [7:0] sensor_data,
    output reg [7:0] out_data
);

    always @(posedge clk) begin
        if (switch == 1'b1) begin
            out_data <= sensor_data;
        end
    end
endmodule

このコードでは、スイッチがオンのとき、つまりswitchが1のときにセンサデータ(sensor_data)をout_dataへと出力します。

クロック(clk)の立ち上がりエッジでこの処理が行われるため、スイッチの状態に応じてリアルタイムにセンサデータの制御が可能です。

また、センサデータと出力データは8ビットのバスで表現されています。

この例では、スイッチによってセンサデータを制御し、それを出力しています。

このコードを実行すると、スイッチがオンの状態ではセンサのデータが直接出力に接続されます。

スイッチがオフの場合、前回スイッチがオンだった時点のセンサデータが保持されます。

これにより、スイッチによってセンサの読み取りを制御することが可能になります。

○サンプルコード10：スイッチによるモータ制御

続いて、スイッチでモータを制御する例を紹介します。

この例では、スイッチの状態によってモータの回転を開始または停止します。

module switch_motor_control(
    input wire switch,
    input wire clk,
    output reg motor_control
);

    always @(posedge clk) begin
        if (switch == 1'b1) begin
            motor_control <= 1'b1;  // モータON
        end else begin
            motor_control <= 1'b0;  // モータOFF
        end
    end
endmodule

このコードでは、スイッチがオンのとき、つまりswitchが1のときにモータ制御信号(motor_control)を1にします。

これは、モータを回転させる信号を意味します。スイッチがオフのときは、モータ制御信号を0にします。

これは、モータの停止を意味します。

この操作も、クロックの立ち上がりエッジで行われます。

このコードを実行すると、スイッチがオンのときにモータが回転を開始し、スイッチがオフのときにモータが停止します。

このように、スイッチの状態を利用してモータの制御を行うことが可能です。

●スイッチ入力の注意点と対処法

Verilogでスイッチ入力を制御する際には、いくつかの注意点が存在します。

ここでは、それらの問題とその対処法について説明します。

○デバウンスの問題

まず、デバウンスの問題です。

デバウンスとは、スイッチがオン・オフの状態を切り替える際に発生する、瞬間的な振動のことを指します。

この振動により、短時間でスイッチが何度もオン・オフを繰り返し、予期しない挙動を引き起こす可能性があります。

これを防ぐための一例として、次のサンプルコードを紹介します。

このコードでは、スイッチの状態が変化した後、一定時間（ここでは10ms）経過するまで新たな変化を受け付けないようにしています。

module debounce (
    input wire clk,
    input wire switch_in,
    output reg switch_out
);
    reg [15:0] counter;
    always @(posedge clk) begin
        if (switch_in != switch_out) begin
            counter <= counter + 1;
            if (counter >= 50000) begin // 10ms
                switch_out <= switch_in;
                counter <= 0;
            end
        end else begin
            counter <= 0;
        end
    end
endmodule

このコードでは、switch_inとswitch_outが異なる場合、すなわちスイッチの状態が変化したときに、カウンタを増加させています。

そして、カウンタが一定値（ここでは50000、つまり約10ms）に達したときに、switch_outを更新し、カウンタをリセットしています。

これにより、スイッチの状態変化から一定時間が経過するまでの間に生じる、瞬間的な振動（デバウンス）を無視することができます。

○ノイズ対策

次に、ノイズ対策について説明します。

電子回路では、外部からのノイズが入力信号に影響を与えることがあります。

特にスイッチ入力では、スイッチの状態が変化する際にノイズが混入しやすいです。

ノイズ対策としては、ハードウェア的な手段が一般的ですが、ソフトウェアでの対策も可能です。

例えば、次のサンプルコードでは、過去数回の入力値が全て同じであった場合のみ、スイッチの状態を更新する方法を採用しています。

module noise_filter (
    input wire clk,
    input wire switch_in,
    output reg switch_out
);
    reg [2:0] prev_inputs;
    always @(posedge clk) begin
        prev_inputs <= {prev_inputs[1:0], switch_in};
        if (prev_inputs[2] & prev_inputs[1] & prev_inputs[0]) begin
            switch_out <= 1;
        end else if (~prev_inputs[2] & ~prev_inputs[1] & ~prev_inputs[0]) begin
            switch_out <= 0;
        end
    end
endmodule

このコードでは、3ビットのレジスタprev_inputsを用いて、直近3回のスイッチ入力値を保存しています。

そして、これら3回の入力が全て1であった場合、または全て0であった場合にのみ、switch_outを更新しています。

この結果、瞬間的なノイズによるスイッチの状態変化を無視することができます。

●スイッチ入力のカスタマイズ方法

Verilogを用いてスイッチ入力をカスタマイズする方法を学ぶことで、より柔軟な制御や効果的な情報処理が可能になります。

ここでは、複数のスイッチを同時に読み取る方法や、スイッチの状態を記憶する方法を解説します。

○複数のスイッチを同時に読み取る

特定のアプリケーションでは、複数のスイッチの状態を同時に読み取ることが求められます。

たとえば、操作パネルや制御システムで同時に複数のスイッチが押される可能性があります。

Verilogを用いれば、これらのスイッチの状態を同時に判別し、それに応じて適切なアクションを起こすことが可能です。

module multiple_switches(input [3:0] switch_input, output reg [3:0] led_output);
always @(switch_input) begin
    led_output = switch_input;
end
endmodule

このコードでは4つのスイッチを使って4つのLEDを制御するコードを紹介しています。

この例ではswitch_inputを使ってled_outputを制御しています。

この場合、各スイッチはそれぞれ一つのLEDに関連付けられ、そのスイッチがオンであれば対応するLEDが点灯します。

このコードを実行した結果、各スイッチの状態に応じて対応するLEDが点灯します。

それぞれのスイッチが独立して動作し、各スイッチのオン/オフが直接各LEDの点灯/消灯を制御することを確認できます。

○スイッチの状態を記憶する

次に、スイッチの状態を記憶し、その情報を後の処理に利用する方法を学びましょう。

これは、例えば一度スイッチが押された後に特定の動作を続けさせたい場合などに役立ちます。

module switch_memory(input switch_input, output reg led_output);
reg switch_state;
always @(switch_input) begin
    if(switch_input) begin
        switch_state = ~switch_state;
    end
    led_output = switch_state;
end
endmodule

このコードではスイッチ入力を使ってLEDの点灯/消灯を制御するコードを紹介しています。

この例ではswitch_inputを使ってswitch_stateを反転させ、その結果をled_outputに出力しています。

このコードを実行した結果、スイッチが押されるとLEDの状態が反転します。

スイッチを離してもLEDの状態はそのまま保持され、再度スイッチを押すと再びLEDの状態が反転します。

つまり、スイッチの状態が記憶され、その情報が後の処理に利用されていることを確認できます。

これらのカスタマイズ例を試してみることで、Verilogを用いたスイッチ入力の使い方についてより深く理解することができます。

その結果、Verilogのスイッチ入力の力をより効果的に引き出すことが可能になります。