初心者必見！Verilogのセンシティビティリストを使いこなす10の具体的な手法

はじめに

はじめまして、皆さんはVerilogのセンシティビティリストをご存知ですか？

Verilogは、電子機器のデジタル回路設計に広く使用されるハードウェア記述言語の一つで、センシティビティリストはその特徴的な要素です。

今回はその使いこなし方を10の具体的な手法とともに詳しく解説します。

●Verilogとは

Verilogはハードウェア記述言語の一つであり、具体的なハードウェアの設計を行うために使われます。

ソフトウェアとは異なり、ハードウェアは物理的な制約があり、その制約に適合しなければなりません。

これを簡単に表現するのがVerilogの役割であり、高度なシミュレーションやテストが可能です。

●センシティビティリストとは

○センシティビティリストの役割

センシティビティリストはVerilogの重要な特徴であり、回路の動作タイミングを制御するためのリストです。

Verilogの記述では、センシティビティリストを通じて、信号の変化に応じた動作を記述することが可能です。

○センシティビティリストの基本形式

センシティビティリストの基本形式は “always @(センシティビティリスト) begin … end” という形です。

これにより、センシティビティリストで指定した信号の変化が生じたときにのみ、”begin” と “end” で囲まれた部分が実行されます。

●Verilogでのセンシティビティリストの作り方

○サンプルコード1：基本的なセンシティビティリスト

このコードでは、基本的なセンシティビティリストの作り方を紹介します。

この例では、信号Aが変化したときに動作するセンシティビティリストを作成します。

module example(input A, output reg B);
always @(A)
begin
  B = ~A;  // Aが変化したとき、BはAの否定となる
end
endmodule

ここで、”always @(A)” は、信号Aの変化を監視し、その変化がある度に次の動作を行うことを表しています。

そして、”B = ~A;” は、信号Aの否定を信号Bに代入することを表しています。

○サンプルコード2：エッジトリガのセンシティビティリスト

次に、エッジトリガ（立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ）を検出するためのセンシティビティリストを作成します。

立ち上がりエッジは “posedge”、立ち下がりエッジは “negedge” を使用します。

module example(input A, output reg B);
always @(posedge A)
begin
  B = 1'b1;  // Aの立ち上がりエッジでBを1にする
end
endmodule

ここでは “always @(posedge A)” が信号Aの立ち上がりエッジを検出し、その瞬間に “B = 1’b1;” を実行し、信号Bを1に設定します。

この2つの例を通じて、基本的なセンシティビティリストの作り方が理解できたかと思います。

●センシティビティリストの使い方と応用例

Verilogのセンシティビティリストを効果的に使用する方法としていくつかの具体例を提供します。

これらの例を通じて、センシティビティリストの基本的な使い方とその柔軟性を理解していただけます。

○サンプルコード3：クロックの立ち上がりエッジを検出する

クロック信号の立ち上がりエッジを検出するためにセンシティビティリストを使用する一例を見てみましょう。

次のVerilogコードは、クロック信号’clk’の立ち上がりエッジが発生したときに、’edge_detected’フラグを設定します。

module EdgeDetect (
    input wire clk,
    output reg edge_detected
);

always @(posedge clk) begin
    edge_detected <= 1'b1;
end

endmodule

このコードでは、’always @(posedge clk)’ブロックがクロック信号’clk’の立ち上がりエッジ（positive edge）を検出します。

その結果、立ち上がりエッジが検出されると、’edge_detected’フラグが立つことになります。

○サンプルコード4：複数の信号に対するセンシティビティリスト

センシティビティリストは、複数の信号に対応することが可能です。

次のサンプルコードでは、クロック’clk’と’reset’信号に対するセンシティビティリストを作成します。

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

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
        out <= 1'b0;
    end else begin
        out <= ~out;
    end
end

endmodule

このコードでは、’reset’信号または’clk’信号の立ち上がりエッジが発生すると、ブロック内のコードが実行されます。

具体的には、リセット信号が立ち上がりエッジを検出すると、’out’信号は0にリセットされます。

それ以外の場合、つまり’clk’信号の立ち上がりエッジが発生すると、’out’信号の状態が反転します。

○サンプルコード5：レベルトリガのセンシティビティリスト

センシティビティリストは、信号レベルの変化にも反応することができます。

次のサンプルコードは、’input_signal’のレベルが変化するたびに、’output_signal’の値を更新します。

module LevelTrigger (
    input wire input_signal,
    output reg output_signal
);

always @(input_signal) begin
    output_signal <= input_signal;
end

endmodule

このコードでは、’input_signal’のレベルが変化するたびに、’always’ブロック内のコードが実行されます。

つまり、’input_signal’のレベルが変わると、’output_signal’が同じ値に更新されます。

○サンプルコード6：センシティビティリストを使ったカウンターの設計

今回は、センシティビティリストを活用したカウンターの設計について具体的に説明します。

このコードはクロックの立ち上がりエッジ毎にカウントを1ずつ増やすという仕組みです。

module Counter(input wire clk, output reg [3:0] count);
  // クロックの立ち上がりエッジでカウントアップ
  always @(posedge clk) begin
    count <= count + 1;
  end
endmodule

このコードでは、4ビットレジスタcountがあり、クロックの立ち上がりエッジ毎にcountの値を1ずつ増やしています。

always @(posedge clk)という記述により、クロックの立ち上がりエッジがセンシティビティリストに指定されています。

このコードを実行すると、クロック信号の立ち上がりエッジ毎にカウンターの値がインクリメントされる結果が得られます。

Verilogにおけるこのようなカウンター設計は非常に一般的であり、頻繁に利用されるパターンです。

●センシティビティリストの注意点と対処法

Verilogでセンシティビティリストを使う際、注意すべきポイントがいくつかあります。

特に初心者の方々がつまずきやすい、センシティビティリストの設定に関する注意点と対処法について説明します。

○間違ったセンシティビティリストの設定

センシティビティリストの設定は、モジュールの動作に大きな影響を与えます。

例えば、必要な信号をリストに含めなかったり、必要でない信号をリストに含めてしまったりすると、モジュールは意図しない動作をする可能性があります。

○対処法とサンプルコード7

例として、カウンターの設計においてセンシティビティリストにcountを追加するとどうなるか考えてみましょう。

module Counter_wrong(input wire clk, output reg [3:0] count);
  // クロックの立ち上がりエッジまたはcountの変化でカウントアップ
  always @(posedge clk or posedge count) begin
    count <= count + 1;
  end
endmodule

このコードでは、always @(posedge clk or posedge count)という記述により、クロックの立ち上がりエッジまたはcountの立ち上がりエッジがセンシティビティリストに指定されています。

しかし、countが変化するたびにカウントアップが発生し、無限ループに陥る可能性があります。

これはセンシティビティリストの設定ミスによる典型的な問題です。

●センシティビティリストのカスタマイズ方法

センシティビティリストはそれ自体が非常に便利なツールであるだけでなく、カスタマイズによりさらにその価値を引き出すことができます。

今回はカスタムセンシティビティリストの作り方と、特定の条件で動作するセンシティビティリストの作り方を解説します。

○サンプルコード8：カスタムセンシティビティリスト

まずは、カスタムセンシティビティリストの作り方を見てみましょう。

この例では、2つの異なるクロック信号に反応するセンシティビティリストを作成しています。

module dual_clock(input logic clk1, input logic clk2, output logic out);
always @(posedge clk1 or posedge clk2) begin
    out <= !out;
end
endmodule

このコードでは、clk1 と clk2 のどちらかが立ち上がりエッジを表した場合、out の出力がトグルするカスタムセンシティビティリストを作成しています。

このような設計は、2つの異なるクロックソースがある場合などに有用です。

このコードを実行すると、clk1 または clk2 の立ち上がりエッジごとに out がトグルします。

つまり、出力 out は clk1 と clk2 のどちらかが立ち上がるたびに値が切り替わります。

○サンプルコード9：特定の条件で動作するセンシティビティリスト

次に、特定の条件下で動作するセンシティビティリストを見てみましょう。

下記のコードは、クロックの立ち上がりエッジと特定の条件（ここでは enable 信号が 1）が揃った時にのみ反応するセンシティビティリストを作成します。

module conditional_counter(input logic clk, input logic enable, output logic [3:0] count);
always @(posedge clk) begin
    if(enable == 1'b1) begin
        count <= count + 1;
    end
end
endmodule

このコードでは、clk の立ち上がりエッジが来るたびに enable 信号をチェックしています。

enable が 1 の場合のみ、4ビットカウンタ count の値が1増えます。

実際にこのコードを実行すると、クロックの立ち上がりエッジごとに enable が 1 であれば count の値が増えることが確認できます。

これは、特定の条件下でのみ動作を変更したいときに有効な手法です。

これらのカスタマイズ例を通じて、センシティビティリストがどのように柔軟に動作を変更できるかを理解していただけたでしょうか。

Verilogではこれらのテクニックを駆使して、具体的な設計要件に対応することが可能です。

まとめ

この記事では、Verilogのセンシティビティリストの作り方、使い方、注意点、そしてカスタマイズ方法を10の具体例とともに紹介しました。

この情報が、Verilogでの設計作業におけるあなたの知識とスキルを深める一助となれば幸いです。