完全初心者でもマスター可能！Verilogにおけるトップモジュール作成の全手順7選

はじめに
●Verilogとは
●トップモジュールとは
- ○トップモジュールの重要性
- ○トップモジュールの基本構造
●トップモジュールの作り方
●応用例とサンプルコード
- ○サンプルコード2：複数のサブモジュールを組み合わせたトップモジュール
●注意点と対処法
●カスタマイズ方法
- ○カスタマイズ例1：パラメータを使ったトップモジュールのカスタマイズ
まとめ

はじめに

今日は、完全初心者でも取り組める「Verilogでのトップモジュール作成手順」について詳細に解説します。

Verilog学習の新たな一歩となるような内容を心がけ、基本概念から具体的な作成手順、注意点、そしてカスタマイズまでを詳細に解説していきます。

具体的なサンプルコードとともに進めていくので、一緒に学んでいきましょう。

●Verilogとは

Verilogは、電子回路の設計と検証のためのハードウェア記述言語です。

Verilogを使うと、複雑なデジタル回路やシステムを効率的に設計できます。

Verilogがもたらす特徴としては、設計の高速化、再利用可能なモジュールの作成、そして検証とテストの自動化が挙げられます。

●トップモジュールとは

Verilogで作成される電子システムは、複数のモジュールから構成されます。

その中でも最上位に位置するのがトップモジュールです。

○トップモジュールの重要性

トップモジュールはシステム全体の構成を示し、各モジュール間の接続を管理する役割を担っています。

これにより、全体の動作を把握しやすくなり、必要な変更やデバッグを行いやすくなります。

○トップモジュールの基本構造

トップモジュールは主に次の要素から構成されます。

モジュールの宣言
入力/出力の定義
内部信号の宣言
サブモジュールのインスタンス化
内部ロジックの記述

それぞれの要素について、次の節で詳しく見ていきましょう。

●トップモジュールの作り方

それでは、トップモジュールの作成手順を一つずつ見ていきましょう。

○手順1：モジュールの宣言

まずはモジュールを宣言します。

これはトップモジュールを識別するためのもので、モジュール名とパラメータのリストを定義します。

module top_module();

このコードでは、top_moduleという名前のトップモジュールを宣言しています。

○手順2：入力/出力の定義

次に、トップモジュールの入力と出力を定義します。

これにより、他のモジュールとの接続が可能になります。

module top_module(input wire clk, output wire out);

この例では、clkという名前の入力信号とoutという名前の出力信号を定義しています。

○手順3：内部信号の宣言

トップモジュール内で使用される内部信号を宣言します。

これにより、内部ロジックの状態を管理できます。

module top_module(input wire clk, output wire out);
  reg internal_signal;

このコードでは、internal_signalという名前の内部信号を宣言しています。

○手順4：サブモジュールのインスタンス化

必要なサブモジュールをインスタンス化します。

これにより、複数のモジュールを連携して動作させることができます。

module top_module(input wire clk, output wire out);
  reg internal_signal;
  sub_module sm1 (.in(clk), .out(internal_signal));

このコードでは、sub_moduleというサブモジュールをインスタンス化し、入力にclk、出力にinternal_signalを接続しています。

○手順5：内部ロジックの記述

最後に、トップモジュールの内部ロジックを記述します。

これにより、モジュールの動作を定義することができます。

module top_module(input wire clk, output wire out);
  reg internal_signal;
  sub_module sm1 (.in(clk), .out(internal_signal));
  always @(posedge clk)
    out = internal_signal;
endmodule

このコードでは、clkの立ち上がりエッジでoutにinternal_signalの値を出力するように定義しています。

○サンプルコード1：簡単なトップモジュールの作成

これまでの手順を組み合わせた、簡単なトップモジュールの作成例を紹介します。

module top_module(input wire clk, output wire out);
  reg internal_signal;
  sub_module sm1 (.in(clk), .out(internal_signal));
  always @(posedge clk)
    out = internal_signal;
endmodule

このコードでは、まずモジュールtop_moduleを宣言し、入力としてclk、出力としてoutを定義しています。

また、内部信号internal_signalを定義し、sub_moduleをインスタンス化して内部信号に接続しています。

最後に、clkの立ち上がりエッジでinternal_signalをoutへと出力するような内部ロジックを記述しています。

これにより、このトップモジュールは、clkが立ち上がる度に、サブモジュールsub_moduleからの出力internal_signalをoutとして出力します。

●応用例とサンプルコード

Verilogでのトップモジュール作成の基本手順を学びました。次に、より高度な応用例を見てみましょう。

ここでは、複数のサブモジュールを組み合わせたトップモジュールの作成方法を学びます。

○サンプルコード2：複数のサブモジュールを組み合わせたトップモジュール

下記のコードは、sub_module1とsub_module2という2つのサブモジュールを組み合わせて使うトップモジュールの例です。

module top_module(input wire clk, output wire out1, output wire out2);
  reg internal_signal1, internal_signal2;
  sub_module1 sm1 (.in(clk), .out(internal_signal1));
  sub_module2 sm2 (.in(internal_signal1), .out(internal_signal2));
  always @(posedge clk) begin
    out1 = internal_signal1;
    out2 = internal_signal2;
  end
endmodule

このコードでは、まずclkを入力に持ち、out1とout2を出力に持つtop_moduleを宣言しています。

そして、内部信号internal_signal1とinternal_signal2を定義します。

これらの信号は、サブモジュール間でのデータのやり取りに使われます。

次に、2つのサブモジュール、sub_module1とsub_module2をインスタンス化します。

sub_module1はclkを入力に取り、出力はinternal_signal1に接続します。

一方、sub_module2はinternal_signal1を入力に取り、出力はinternal_signal2に接続します。

最後に、内部ロジックを定義します。clkの立ち上がりエッジが来るたびに、internal_signal1とinternal_signal2の値をそれぞれout1とout2へ出力します。

このコードを実行すると、clkの立ち上がりエッジ毎に、sub_module1とsub_module2が順に動作し、その結果がout1とout2へと反映されます。

このように複数のサブモジュールを組み合わせることで、より複雑な動作を持つトップモジュールを作成することができます。

●注意点と対処法

Verilogでトップモジュールを作成する際の注意点としては、次の2点が挙げられます。

サブモジュールのインスタンス化を行う際には、入出力の接続を間違えないように注意することが重要です。
間違った接続を行うと、期待した動作と異なる結果を引き起こす可能性があります。
Verilogは基本的に並列処理を行う言語であるため、複数の信号の更新順序に注意しなければなりません。
例えば、同じclkの立ち上がりエッジで複数の信号を更新する場合、その更新順序が予期せぬ動作を引き起こす可能性があります。

これらの問題を避けるためには、Verilogの基本概念と動作原理をしっかり理解し、適切な設計を行うことが重要です。

●カスタマイズ方法

Verilogのトップモジュールは、要件に応じてさまざまな方法でカスタマイズすることが可能です。

ここでは、パラメータを使用してトップモジュールをカスタマイズする一例を紹介します。

○カスタマイズ例1：パラメータを使ったトップモジュールのカスタマイズ

Verilogではパラメータを使ってモジュールをカスタマイズすることができます。

パラメータは定数のようなもので、モジュールの中で一度設定すると変更することはできません。

下記のコードは、パラメータWIDTHを使用して、出力のビット幅を設定するトップモジュールの例です。

module top_module #(parameter WIDTH = 8) (input wire clk, output wire [WIDTH-1:0] out);
  reg [WIDTH-1:0] internal_signal;
  sub_module #(WIDTH) sm (.in(clk), .out(internal_signal));
  always @(posedge clk) begin
    out = internal_signal;
  end
endmodule

この例では、出力outのビット幅をパラメータWIDTHで設定しています。

また、sub_moduleもWIDTHビット幅の出力を持つようにパラメータ化されています。

このようにパラメータを使用することで、同じ設計を異なる設定で再利用することができます。

このコードを実行すると、clkの立ち上がりエッジ毎に、sub_moduleの出力internal_signalがoutへと出力されます。

この時、outのビット幅はパラメータWIDTHによって定義されます。