Verilogで学ぶ！二項演算子10選

はじめに

Verilogはハードウェア記述言語の一つであり、ハードウェアの動作をシミュレートするために使用されます。

その中でも二項演算子は、複雑なロジックを簡単に表現するための重要なツールです。

本記事では、Verilogの二項演算子の使い方、サンプルコード、注意点、カスタマイズ方法を詳しく解説します。

●Verilogとは

Verilogは1980年代に開発されたハードウェア記述言語であり、電子回路やデジタルシステムの設計、シミュレーション、検証に広く使用されています。

C言語のような手続き型言語の構文を持つ一方で、ハードウェアの並行性を記述するための特殊な構文も有しています。

●二項演算子とは

二項演算子とは、2つのオペランドに対して演算を行う演算子のことを指します。

これらの演算子は、論理演算、算術演算、ビット演算など、様々な種類の演算を行うことができます。

●Verilogにおける二項演算子の概要

Verilogにおける二項演算子は主に10種類に分類されます。

それぞれの演算子についての詳細と使用例を後述します。

1. 論理AND
2. 論理OR
3. 論理XOR
4. 論理NAND
5. 論理NOR
6. 論理XNOR
7. ビット単位AND
8. ビット単位OR
9. ビット単位XOR
10. ビット単位NOT

●二項演算子の使い方

それでは、各二項演算子の使い方とサンプルコードを見ていきましょう。

○サンプルコード1：論理AND

論理AND演算子(&&)は、両方のオペランドが真の場合にのみ真を返します。

このコードでは、入力信号AとBの両方が真である場合にのみ、出力信号Yが真となる論理ANDの操作を行います。

module AND_GATE(input wire A, B, output wire Y);
  assign Y = A && B;
endmodule

このコードを実行すると、入力信号AとBが両方とも1のときのみ、出力信号Yが1となります。それ以外の場合、出力信号Yは0となります。

○サンプルコード2：論理OR

論理OR演算子(||)は、少なくとも一方のオペランドが真の場合に真を返します。

このコードでは、入力信号AまたはBが真である場合に、出力信号Yが真となる論理ORの操作を行います。

module OR_GATE(input wire A, B, output wire Y);
  assign Y = A || B;
endmodule

このコードを実行すると、入力信号AまたはBの少なくとも一方が1であるとき、出力信号Yが1となります。

両方が0のときのみ、出力信号Yは0となります。

○サンプルコード3：論理XOR

論理XOR演算子(^)は、オペランドが異なる場合に真を返します。

このコードでは、入力信号AとBが異なる場合にのみ、出力信号Yが真となる論理XORの操作を行います。

module XOR_GATE(input wire A, B, output wire Y);
  assign Y = A ^ B;
endmodule

このコードを実行すると、入力信号AとBが異なるときのみ、出力信号Yが1となります。

AとBが同じ値のとき、出力信号Yは0となります。

○サンプルコード4：論理NAND

このコードでは、Verilogで論理NAND演算子を使って2つの信号の間で論理NAND操作を行う方法を紹介します。

この例では、入力信号AとBを取り、それらの論理NAND出力を得るために論理NAND演算子を使用します。

論理NAND演算子は ‘~&’ で表現され、2つの入力が共に1（真）の場合のみ0（偽）を出力し、それ以外の場合は1を出力します。

module logic_NAND (
    input wire A,
    input wire B,
    output wire Q
);
    assign Q = ~(A & B);  // AとBの論理ANDの否定が論理NAND
endmodule

上記のコードでは、2つの入力AとBに対する論理NANDの結果を出力Qに割り当てています。

ここで重要なのは、Verilogでは論理NAND演算を直接行う演算子は存在しないため、論理AND演算子 ‘&’ と否定演算子 ‘~’ を組み合わせて論理NAND演算を行っている点です。

このコードを実行した結果、AとBの両方が1のときにQは0となり、それ以外の場合はQは1となります。

これは論理NAND演算の基本的な動作原理です。

○サンプルコード5：論理NOR

このコードでは、Verilogで論理NOR演算子を使って2つの信号の間で論理NOR操作を行う方法を示します。

この例では、入力信号AとBを取り、それらの論理NOR出力を得るために論理NOR演算子を使用します。

論理NOR演算子は ‘~|’ で表現され、2つの入力が共に0（偽）の場合のみ1（真）を出力し、それ以外の場合は0を出力します。

module logic_NOR (
    input wire A,
    input wire B,
    output wire Q
);
    assign Q = ~(A | B);  // AとBの論理ORの否定が論理NOR
endmodule

このコードでは、2つの入力AとBに対する論理NORの結果を出力Qに割り当てています。

Verilogでは論理NOR演算を直接行う演算子は存在しないため、論理OR演算子 ‘|’ と否定演算子 ‘~’ を組み合わせて論理NOR演算を行っている点がポイントです。

このコードを実行した結果、AとBの両方が0のときにQは1となり、それ以外の場合はQは0となります。

これは論理NOR演算の基本的な動作原理を表しています。

○サンプルコード6：論理XNOR

論理XNORは、入力の2つの値が同じならば1を、異なるならば0を出力する論理演算です。

Verilogでの論理XNOR演算子は ‘^~’ や ‘~^’ と記述します。

入力の値が一致すれば1、一致しなければ0を返す、その動作を次のサンプルコードで詳しく見ていきましょう。

module xnor_test;
  reg a, b;
  wire out;

  assign out = a ^~ b; // 論理XNOR

  initial begin
    a = 0; b = 0;
    #10 a = 0; b = 1;
    #10 a = 1; b = 0;
    #10 a = 1; b = 1;
  end

  initial begin
    #5 $display("out = %b", out);
    #10 $display("out = %b", out);
    #10 $display("out = %b", out);
    #10 $display("out = %b", out);
  end
endmodule

このコードでは、論理XNORを使って二つの信号aとbが一致するかどうかを確認しています。

この例では、信号aとbの両者が0のとき、論理XNORの結果は1になります。

それ以外の信号の組み合わせでは、論理XNORの結果は0になります。

このコードを実行すると、次のような結果が出力されます。

out = 1
out = 0
out = 0
out = 1

これにより、信号aとbが一致するときだけ結果が1となり、それ以外の場合は0になることが確認できます。

この論理XNOR演算子は、入力の同一性を確認する際に有用です。

○サンプルコード7：ビット単位AND

ビット単位AND演算子は、各ビットに対してAND演算を適用します。

Verilogでのビット単位AND演算子は ‘&’ です。

入力信号の各ビットが共に1の場合にのみ、結果が1となります。それ以外の場合、結果は0となります。

その動作を次のサンプルコードで詳しく見ていきましょう。

module and_test;
  reg [3:0] a, b;
  wire [3:0] out;

  assign out = a & b; // ビット単位AND

  initial begin
    a = 4'b1010; b = 4'b1100;
    #10 a = 4'b1111; b = 4'b0000;
    #10 a = 4'b1010; b = 4'b1010;
    #10 a = 4'b1111; b = 4'b1111;
  end

  initial begin
    #5 $display("out = %b", out);
    #10 $display("out = %b", out);
    #10 $display("out = %b", out);
    #10 $display("out = %b", out);
  end
endmodule

このコードでは、ビット単位ANDを使って二つの信号aとbの各ビットが共に1であるかどうかを確認しています。

この例では、信号aとbの各ビットが共に1のとき、ビット単位ANDの結果は1になります。

それ以外のビットの組み合わせでは、ビット単位ANDの結果は0になります。

このコードを実行すると、次のような結果が出力されます。

out = 1000
out = 0000
out = 1010
out = 1111

これにより、信号aとbの各ビットが共に1であるときだけ結果が1となり、それ以外の場合は0になることが確認できます。

このビット単位AND演算子は、ビットのマスクや特定のビットを取り出す操作に有用です。

○サンプルコード8：ビット単位OR

ビット単位ORとは、各ビットを個別に比較し、どちらかのビットが1であれば結果も1になる二項演算子です。

Verilogでは、ビット単位ORを表すために ‘|’ 演算子を使用します。

では、ビット単位ORがどのように機能するかを表すサンプルコードを見てみましょう。

module main;
  reg [3:0] a;
  reg [3:0] b;
  reg [3:0] c;
  initial begin
    a = 4'b1010; // aのビットパターンは 1010
    b = 4'b0110; // bのビットパターンは 0110
    c = a | b;   // aとbのビット単位ORを計算
    $display("cのビットパターンは %b", c);
  end
endmodule

このコードでは、4ビットのレジスタaとbを用意し、それぞれのビットパターンに ‘1010’ と ‘0110’ を割り当てています。

次に、ビット単位OR演算子 ‘|’ を用いて a と b のビット単位ORを計算し、結果をレジスタcに格納しています。

この計算では、各ビット位置でaまたはbが1であれば、その位置のcのビットも1になります。

最後に、$display関数を使用してcのビットパターンを出力します。結果は ‘1110’ となります。

このコードを実行すると、次のような結果が出力されます。

cのビットパターンは 1110

これを見ると、計算結果が意図した通りであることが確認できます。

次に、注意点として、ビット単位OR演算では、演算子の両側のオペランドが同じビット幅である必要があります。

Verilogでは、ビット幅が異なる場合、自動的に広いビット幅に合わせるように拡張されますが、この自動拡張は必ずしも望ましい結果をもたらさない場合もあります。

そのため、意図したビット幅で計算を行うように、コードを書くときは注意が必要です。

ビット単位OR演算は、個々のビットを独立して扱う必要がある場合に特に便利です。

例えば、特定のフラグが設定されているかどうかをチェックするときや、複数の信号を一つに結合するときなどに使用します。

ビット単位OR演算を理解して使いこなせば、より柔軟で効率的なコードを書くことができます。

そして、これをさらに応用したサンプルコードを見てみましょう。

例えば、特定のビットフィールドにフラグを設定する場合です。

module main;
  reg [7:0] flags;
  initial begin
    flags = 8'b00000000;    // フラグを初期化
    flags = flags | 8'b00000100; // 第3ビットにフラグを設定
    $display("flagsのビットパターンは %b", flags);
  end
endmodule

このコードでは、8ビットのレジスタflagsを用意し、ビットフィールドをすべて0で初期化しています。

次に、ビット単位OR演算子を用いて、第3ビットにフラグを設定しています。

そして、最後に、$display関数を使用して、flagsのビットパターンを出力しています。

このコードを実行すると、次のような結果が出力されます。

flagsのビットパターンは 00000100

これにより、ビット単位OR演算を使用して特定のビットフィールドにフラグを設定する方法が理解できました。

ビット単位OR演算を理解し、使いこなすことで、より高度なビット操作を行うことが可能になります。

○サンプルコード9：ビット単位XOR

ビット単位の排他的論理和（XOR）演算子は、対応するビットが一致する場合に0を、異なる場合に1を返す特性を持つことから、情報の符号化や誤り検出に利用されることがあります。

Verilogでは、”^”という記号を用いてビット単位XOR演算を行います。

下記のサンプルコードでは、8ビットのバイナリデータaとbに対してビット単位XORを適用し、その結果をcに格納しています。

module bit_xor;
  reg [7:0] a;
  reg [7:0] b;
  wire [7:0] c;

  initial begin
    a = 8'b10101010;
    b = 8'b11001100;
  end

  assign c = a ^ b;

  initial begin
    $monitor("a = %b, b = %b, c = a ^ b = %b", a, b, c);
  end
endmodule

このコードでは、まず8ビットのレジスタaとbを定義し、それぞれに8ビットのバイナリ値を代入しています。

次に、ビット単位XORを計算し、その結果をワイヤcに格納します。

最後に、$monitorを使ってa、b、およびcの値をモニタリングします。

このコードを実行すると、出力結果は次のようになります。

a = 10101010, b = 11001100, c = a ^ b = 01100110

対応するビットが一致する場合0、異なる場合1が出力されることが確認できます。

○サンプルコード10：ビット単位NOT

ビット単位の否定（NOT）演算子は、すべてのビットを反転させる働きをします。0は1に、1は0になります。

Verilogでは “~” という記号を使ってこのビット単位NOT演算を行います。

下記のサンプルコードでは、8ビットのバイナリデータaに対してビット単位NOTを適用し、その結果をbに格納しています。

module bit_not;
  reg [7:0] a;
  wire [7:0] b;

  initial begin
    a = 8'b10101010;
  end

  assign b = ~a;

  initial begin
    $monitor("a = %b, b = ~a = %b", a, b);
  end
endmodule

このコードでは、まず8ビットのレジスタaを定義し、8ビットのバイナリ値を代入しています。

次に、ビット単位NOTを計算し、その結果をワイヤbに格納します。

最後に、$monitorを使ってaとbの値をモニタリングします。

このコードを実行すると、出力結果は次のようになります。

a = 10101010, b = ~a = 01010101

これにより、ビット単位NOTがすべてのビットを反転させていることが確認できます。

●二項演算子の応用例

ここでは、Verilogの二項演算子を用いた具体的な応用例を2つ紹介します。

サンプルコードを通じて、Verilogの二項演算子がどのように日常のプログラミングタスクに役立つのかを理解していきましょう。

○サンプルコード11：2つの信号の一致確認

Verilogの二項演算子を用いて、2つの信号が一致するかどうかを確認する方法を紹介します。

ここではビット単位XOR演算子を使用します。

module test;
    reg [3:0] a, b; 
    wire match; 
    initial 
    begin 
        a = 4'b1010; 
        b = 4'b1010; 
        $monitor("a=%b, b=%b, match=%b", a, b, match);
    end 
    assign match = ~(a ^ b); 
endmodule

このコードでは、4ビットの信号aとbを定義し、それらが一致するかどうかを確認しています。

ビット単位XOR演算子を用いると、対応するビットが異なる場合にのみ1を返すため、その結果を否定すれば2つの信号が一致しているかどうかが得られます。

上記のコードを実行すると、次の結果が得られます。

a=1010, b=1010, match=1

これは、信号aとbが一致していることを表しています。

次に、信号aとbが一致しない場合のコードを見てみましょう。

module test;
    reg [3:0] a, b; 
    wire match; 
    initial 
    begin 
        a = 4'b1010; 
        b = 4'b1100; 
        $monitor("a=%b, b=%b, match=%b", a, b, match);
    end 
    assign match = ~(a ^ b); 
endmodule

このコードを実行すると、次の結果が得られます。

a=1010, b=1100, match=0

これは、信号aとbが一致していないことを表しています。

このように、Verilogの二項演算子を用いて、2つの信号の一致確認を簡単に行うことができます。

○サンプルコード12：信号の反転

次に、Verilogの二項演算子を用いて信号を反転する方法を紹介します。

ここではビット単位NOT演算子を使用します。

module test;
    reg [3:0] a, b; 
    initial 
    begin 
        a = 4'b1010;
        b = ~a; 
        $monitor("a=%b, b=%b", a, b);
    end 
endmodule

このコードでは、4ビットの信号aを定義し、その信号を反転して信号bに割り当てています。

ビット単位NOT演算子を用いると、各ビットを反転することができます。

上記のコードを実行すると、次の結果が得られます。

a=1010, b=0101

これは、信号bが信号aの反転した結果であることを表しています。

このように、Verilogの二項演算子を用いて、信号の反転などの操作を簡単に行うことができます。

これらの演算子は、複雑な回路設計やアルゴリズムの実装においても非常に有用です。

これらの応用例を通じて、Verilogの二項演算子の使用方法とその強力さを理解することができたでしょうか。

しかし、二項演算子を使用する際には注意点もあります。

●二項演算子の注意点と対処法

Verilogで二項演算子を使う上で気をつけなければならない点はいくつか存在します。

ここでは、その中でも特に重要なポイントと対処法を説明します。

まず一つ目の注意点は、オペランドのビット幅の不一致です。

二項演算子を使用する際、左辺と右辺のオペランドのビット幅が一致していないと、意図しない結果を引き起こす可能性があります。

この問題は、ビット幅の明示的な指定や、必要に応じてゼロ拡張や符号拡張を行うことで解決可能です。

次に、演算の結果の型に注意が必要です。

たとえば、論理演算子の結果は1ビットの真偽値となりますが、ビット単位の演算子の結果はオペランドと同じビット幅を持つことになります。

このような型の違いは、結果を格納する変数の型を適切に設定することで対応可能です。

最後に、未定義の値（’x’や’z’）を含むオペランドを使用したときの挙動について理解しておくことが重要です。

‘x’や’z’を含む計算は、予想外の結果を引き起こす可能性があります。

これは、明確な初期化や未定義値のチェックによって防ぐことが可能です。

●二項演算子のカスタマイズ方法

基本的な二項演算子の使い方を理解したら、次はそれらを自身のプロジェクトに合わせてカスタマイズする方法を学びましょう。

Verilogでは、自分自身で演算子を定義することはできませんが、既存の二項演算子を組み合わせて、新たな演算を定義することは可能です。

例えば、ビット単位のNAND演算を定義したい場合、ビット単位のAND演算とビット単位のNOT演算を組み合わせることで実現できます。

次に、そのカスタマイズした演算子の使用例を示します。

module custom_operator(input [3:0] a, b, output [3:0] y);
  assign y = ~(a & b); // ビット単位のNAND演算
endmodule

このコードでは、4ビットの入力信号’a’と’b’に対してビット単位のAND演算を行い、その結果に対してビット単位のNOT演算を適用しています。

この例では、ビット単位のNAND演算を行っています。

このように、既存の二項演算子を組み合わせることで、様々な演算を自由に表現できます。

このようなカスタマイズの技術は、自分のニーズに合わせてハードウェアの挙動を詳細に制御したいときに特に有効です。

まとめ

この記事では、Verilogの二項演算子の基本的な使い方から、応用例、注意点、そしてカスタマイズ方法までを詳しく解説しました。

これらの知識を使えば、Verilogでのハードウェア記述がより柔軟で効率的になることでしょう。

Verilog初心者の方でも、この記事を読めば二項演算子の使用に自信を持てるはずです。

それでは、あなた自身のプロジェクトに二項演算子を活用し、より効果的なハードウェア設計を行いましょう。