初心者向け！Verilogで多次元配列を扱う10の具体的な手法

はじめに

Verilogは、システムやチップレベルのデザインにおける重要なツールであり、多次元配列はその重要な部分を占めています。

これらの多次元配列は、Verilogプログラムの中で頻繁に見かけるようになり、初心者でもこれらの概念を理解し、適切に使用することが求められます。

本記事では、Verilogでの多次元配列の作成、読み取り、書き込みの方法を具体的なサンプルコードと共に解説します。

●Verilogと多次元配列について

○Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語(HDL)の一つで、デジタル回路の設計や検証に用いられます。

システムレベルからゲートレベルまで、様々な抽象度で記述が可能なため、広範にわたるハードウェアデザインで使用されます。

○多次元配列とは

多次元配列とは、2次元以上のデータを格納するためのデータ構造のことを指します。

例えば、2次元配列は表形式のデータ、3次元配列は立体的なデータを表現するのに適しています。

●多次元配列の作成方法

○基本的な構文

Verilogで多次元配列を作成するための基本的な構文は次のようになります。

reg [width-1:0] array_name [size-1:0];

ここで、widthは各要素のビット幅を指し、sizeは配列の要素数を指します。

○サンプルコード1：基本的な多次元配列の作成

次のサンプルコードは、2×3の2次元配列を作成するものです。

この例では、配列の各要素は8ビット幅を持ち、配列全体は2行3列の形状をしています。

module main;
    reg [7:0] array2D [1:0][2:0];
endmodule

このコードでは、名前がarray2Dの2次元配列を定義しています。

この配列の各要素は8ビット([7:0])で、サイズは2行([1:0])3列([2:0])となります。

●多次元配列の読み取り方法

○基本的な構文

多次元配列から特定の要素を読み取るためには、その要素のインデックスを指定します。

次の構文を用います。

array_name[index1][index2];

○サンプルコード2：多次元配列の読み取り

次のサンプルコードは、前述の2×3の2次元配列から特定の要素を読み取るものです。

module main;
    reg [7:0] array2D [1:0][2:0];
    reg [7:0] read_data;

    initial begin
        read_data = array2D[0][1];
    end
endmodule

このコードでは、array2Dの1行2列目の要素をread_dataに読み込んでいます。

●多次元配列への書き込み方法

○基本的な構文

多次元配列に値を書き込むためには、次の構文を用います。

array_name[index1][index2] = data;

○サンプルコード3：多次元配列への書き込み

次のサンプルコードは、前述の2×3の2次元配列に特定の要素を書き込むものです。

module main;
    reg [7:0] array2D [1:0][2:0];
    initial begin
        array2D[0][1] = 8'hA5;
    end
endmodule

このコードでは、array2Dの1行2列目に16進数で表されたA5という値を書き込んでいます。

●多次元配列を用いた実践的な例

Verilogを用いた多次元配列は、さまざまな実用的な例で活用されています。

具体的な二つの例、行列の掛け算と3次元配列を用いた空間データの操作を挙げます。

○サンプルコード4：行列の掛け算

Verilogを使って、行列の掛け算を実行するためのサンプルコードを紹介します。

この例では、2次元配列を使って行列を表現し、行列の掛け算を行っています。

module matrix_mul;
  integer i, j, k;
  reg [7:0] A [1:3][1:3]; //3x3行列A
  reg [7:0] B [1:3][1:3]; //3x3行列B
  reg [15:0] C [1:3][1:3]; //3x3行列C, AとBの掛け算の結果を保存

  initial begin
    // 行列AとBの初期化
    for(i=1; i<=3; i=i+1)
      for(j=1; j<=3; j=j+1)
        begin
          A[i][j] = i * j;
          B[i][j] = i + j;
        end

    // 行列の掛け算
    for(i=1; i<=3; i=i+1)
      for(j=1; j<=3; j=j+1)
        begin
          C[i][j] = 0;
          for(k=1; k<=3; k=k+1)
            C[i][j] = C[i][j] + A[i][k] * B[k][j];
        end

    // 行列Cの出力
    for(i=1; i<=3; i=i+1)
      for(j=1; j<=3; j=j+1)
        $display("C[%0d][%0d] = %d", i, j, C[i][j]);
  end
endmodule

このコードでは、まず3×3の2つの行列AとBを定義しています。

次に、それぞれの行列を初期化して、行列の掛け算を行っています。最後に、結果行列Cの値を表示しています。

実行すると、行列AとBの各要素の掛け算結果が行列Cに保存され、その値が表示されます。

○サンプルコード5：3次元配列を用いた空間データの操作

次に、3次元配列を用いた空間データの操作例を紹介します。

この例では、Verilogで3次元空間の点群データを扱い、その各点の座標値を出力します。

module point_cloud;
  integer i, j, k;
  reg [7:0] P [1:3][1:3][1:3]; //3x3x3点群P

  initial begin
    // 点群Pの初期化
    for(i=1; i<=3; i=i+1)
      for(j=1; j<=3; j=j+1)
        for(k=1; k<=3; k=k+1)
          P[i][j][k] = i*j*k;

    // 点群Pの出力
    for(i=1; i<=3; i=i+1)
      for(j=1; j<=3; j=j+1)
        for(k=1; k<=3; k=k+1)
          $display("P[%0d][%0d][%0d] = %d", i, j, k, P[i][j][k]);
  end
endmodule

このコードでは、まず3×3×3の3次元空間の点群データPを定義しています。

次に、点群の各点の座標値を初期化し、各点の座標値を出力します。

実行すると、各点の座標値が表示されます。

●Verilogでの多次元配列の活用例

Verilogと多次元配列の理解が進んだところで、具体的な活用例について考えてみましょう。

多次元配列は複雑なデータ構造を表現するのに適しており、具体的な問題を解決するためのツールとして有効です。

○ハードウェアシミュレーション

Verilogはハードウェア記述言語として広く使われています。

具体的には、デジタル回路の設計やシミュレーションを行う際に使用されます。

多次元配列はこうしたハードウェアの設計において、回路内部の状態を保存したり、様々なパラメータを管理したりするのに有効です。

例えば、ある種のデジタル回路では、異なる時点での信号の状態を保存しておく必要があります。

これは、過去の状態に基づいて現在の出力を決定するためです。

そのような場合、多次元配列は時系列データの保存に役立ちます。

下記のコードは、4つの時刻の信号を保存するための2次元配列を作成し、それらを更新する様子を示しています。

このコードでは、信号状態を保存する配列として4行2列の2次元配列を用いています。

module test;
    reg [1:0] signal_history[0:3]; // 4つの時刻の信号を保存する2次元配列
    integer i;

    initial begin
        for(i=0; i<4; i=i+1) begin
            signal_history[i] <= 2'b00; // 初期化
        end

        #10; // 10ns待機

        for(i=3; i>0; i=i-1) begin
            signal_history[i] <= signal_history[i-1]; // 配列の内容を1つずつシフト
        end

        signal_history[0] <= 2'b10; // 新しい信号状態を保存

        #10; // 10ns待機

        for(i=0; i<4; i=i+1) begin
            $display("signal_history[%0d] = %b", i, signal_history[i]); // 結果の出力
        end
    end
endmodule

このコードを実行すると、各時刻の信号状態が保存され、新しい信号が来るたびにそれらが更新される様子を確認できます。

このように、多次元配列を使って時系列データを扱うことができます。

○データ処理

Verilogはハードウェアの設計だけでなく、データ処理にも使われます。

例えば、画像や音声のような大量のデータを処理する際には、多次元配列が非常に有効です。

次のコードは、画像データを表す3次元配列（幅、高さ、色チャネル）を作成し、それを操作する様子を表しています。

このコードでは、色情報を表すために3次元配列を使用し、各ピクセルの色を更新する処理を行っています。

module test;
    reg [7:0] image_data[0:319][0:239][0:2]; // 画像データを表す3次元配列
    integer x, y, c;

    initial begin
        for(x=0; x<320; x=x+1) begin
            for(y=0; y<240; y=y+1) begin
                for(c=0; c<3; c=c+1) begin
                    image_data[x][y][c] <= 8'b0; // 初期化
                end
            end
        end

        // 画像データの更新（ここではすべてのピクセルを赤色に設定）
        for(x=0; x<320; x=x+1) begin
            for(y=0; y<240; y=y+1) begin
                image_data[x][y][0] <= 8'b11111111; // 赤色チャネル
                image_data[x][y][1] <= 8'b0; // 緑色チャネル
                image_data[x][y][2] <= 8'b0; // 青色チャネル
            end
        end
    end
endmodule

このコードでは、初めにすべてのピクセルを黒色に初期化し、その後、すべてのピクセルを赤色に更新しています。

画像処理では、このように各ピクセルの色情報を操作することで、画像のフィルタリングや変換などの操作を行うことが可能です。

●注意点と対処法

Verilogによる多次元配列の扱いには、その性質と使い方を理解することが重要ですが、同時に注意すべき点と、それに対応する方法も把握しておくことが求められます。

ここでは、特に配列の大きさと初期化に関連する注意点を中心に解説していきます。

○配列の大きさ

Verilogでは、配列の大きさは宣言時に指定する必要があります。

そして一度定義された配列の大きさを後から変更することはできません。

これは、Verilogがハードウェア記述言語であるため、実際のハードウェアの領域を確保するような形で配列が扱われるからです。

また、大きな配列を作る場合は、その分だけハードウェアリソースを消費することを念頭に置いておきましょう。

したがって、無駄に大きな配列を宣言せず、必要なサイズを慎重に考えてから宣言することが重要となります。

○配列の初期化

Verilogで配列を扱う際にもう一つ重要なのが、配列の初期化です。

配列の各要素は、初期化しないと不定な値となり、これが原因で予期しない挙動を引き起こす可能性があります。

配列の全要素を初期化する方法としては、次のような方法があります。

まず、宣言時に初期値を設定する方法です。

module test;
  integer array[0:3][0:3] = '{'{0,0,0,0},'{0,0,0,0},'{0,0,0,0},'{0,0,0,0}};
  // 初期化済みの2次元配列を宣言します。各要素は全て0で初期化されます。
endmodule

このコードでは、4×4の2次元配列を作成しており、全ての要素を0で初期化しています。

初期化を行うことで、コードの挙動を安定させることができます。

しかし、配列が大きくなると、このように一つずつ値を入力するのは現実的ではありません。

そこで、forループを使って配列の全要素を初期化する方法があります。

module test;
  integer array[0:99][0:99]; // 100x100の2次元配列を宣言
  integer i, j;

  initial begin
    for (i = 0; i < 100; i=i+1) begin
      for (j = 0; j < 100; j=j+1) begin
        array[i][j] = 0;  // 全ての要素を0で初期化
      end
    end
  end
endmodule

このコードでは、100×100の2次元配列を作成し、forループを使って全ての要素を0で初期化しています。

初期化は全ての要素に対して行われるため、配列の大きさに関わらず同様の方法で実行することができます。

これらの例を通じて、配列の大きさと初期化についての注意点と対策を理解いただけたでしょうか。

Verilogにおける多次元配列の扱いは、これらを理解し、適切に対応することでより効果的に活用できます。