初心者でも安心！Verilogネット型の使い方と12の具体的な例

はじめに

プログラミングとデジタル回路設計の世界では、ツールとして利用される言語がいくつか存在します。

その中でも、Verilogはその効率性と信頼性から多くのエンジニアに愛用されています。

特に、Verilogの「ネット型」はその表現力と多機能さから、初心者から上級者まで幅広く利用されています。

本記事では、Verilogのネット型の基本から具体的な使い方までを分かりやすく説明します。

●Verilogとは？

Verilogは、デジタルシステムと集積回路の設計に広く使われるハードウェア記述言語です。

Verilogの最大の特長は、シミュレーションから合成、配置配線までを一貫して記述できる点にあります。

これにより、Verilogは、デジタルシステムの開発を効率化する強力なツールとなっています。

○Verilogの特徴

Verilogの特徴は次のとおりです。

①高水準な抽象化

Verilogはデジタルシステムを抽象的に記述することができます。

これにより、設計者はハードウェアの複雑な内部構造を気にすることなく、システムの動作を記述することができます。

②シミュレーションと合成

Verilogはシミュレーションと合成の両方をサポートしています。

シミュレーションを用いて設計の検証を行い、合成を用いてハードウェアに直接実装することが可能です。

③モジュール性

Verilogはモジュール化が可能で、再利用性と可読性を高めています。

個々のモジュールは独立して設計・テストでき、最終的には一つの大きなシステムに統合できます。

●ネット型とは？

Verilogにおける「ネット型」は、ハードウェアの物理的な接続を表現するためのデータ型です。

ネット型は、ハードウェアの配線やバスなどをモデル化します。

これにより、複数のモジュール間で信号を伝達することが可能となります。

○ネット型の種類

Verilogには様々なネット型が存在しますが、次の2つが最も基本的なネット型です。

1. wire：これは最も基本的なネット型で、一つの出力ポートから一つ以上の入力ポートへの接続を表現します。
2. tri：これは三状態バスを表現するためのネット型です。三状態バスは、信号の出力、信号の非出力、そして高インピーダンスの3つの状態を持つことができます。

○ネット型の特徴

ネット型の主な特徴は、ハードウェアの物理的な接続をモデル化する能力にあります。

この特徴により、ネット型はハードウェア設計における信号の伝達や制御を効率的に行うことができます。

また、ネット型はモジュール間での信号伝達を可能にします。

これにより、ネット型はモジュールの独立性を保ちつつ、システム全体としての機能を実現します。

これはVerilogの強力なモジュール性を支える重要な要素です。

●ネット型の基本的な使い方

では、ここで基本的なネット型の使い方について解説します。

まずは、最も基本的なネット型であるwireを使った例から始めましょう。

○サンプルコード1：基本的なネット型の使用例

このコードではwireを使って出力ポートと入力ポートを接続する例を紹介しています。

この例では、入力信号を反転して出力する簡単なモジュールを作成しています。

module NotGate(input wire a, output wire b);
  assign b = ~a;
endmodule

上記のコードは、NotGateという名前のモジュールを定義しています。

このモジュールは、入力aと出力bを持ち、出力bは入力aの反転となります。

ここで、入力aと出力bはともにwire型として宣言されています。これにより、このモジュールは外部との接続を行うことができます。

また、assignキーワードを使って、出力bの値が入力aの反転であることを定義しています。

このように、ネット型は信号の伝達や操作を表現するために使用されます。

このコードを実行すると、入力信号が1の場合、出力信号は0になります。

逆に、入力信号が0の場合、出力信号は1になります。このように、ネット型を使ってハードウェアの動作を簡単にモデル化することができます。

●ネット型の詳細な使い方

次に、もう少し複雑なネット型の使い方について説明します。

ここでは、三状態バスを表現するtri型を用いた例を見てみましょう。

○サンプルコード2：複雑なネット型の使用例

このコードではtriを使って三状態バスを実装する例を紹介しています。

この例では、制御信号に基づいてデータ信号の出力を制御する三状態バスを作成しています。

module TriStateBuffer(input wire data, input wire control, output tri bus);
  assign bus = control ? data : 'Z;
endmodule

上記のコードでは、TriStateBufferというモジュールを定義しています。

このモジュールは、データ信号（data）、制御信号（control）、そして三状態バス（bus）を持ちます。

ここで、busはtri型として宣言されており、これにより三状態バスを表現しています。

また、assignキーワードを使って、busの値を制御信号に基づいて設定しています。

制御信号が1の場合、busの値はデータ信号と同じになります。

一方、制御信号が0の場合、busの値は高インピーダンス状態（’Z）となります。

このように、tri型を用いることで、三状態バスの挙動を簡単にモデル化することができます。

このコードを実行すると、制御信号が1の場合、busの値はデータ信号と同じになります。

一方、制御信号が0の場合、busの値は高インピーダンス状態となります。

これにより、三状態バスの挙動を正確に再現することができます。

●ネット型の応用例

Verilogのネット型はデジタル回路設計のために非常に重要な要素です。

これから具体的な応用例をいくつか紹介します。

○サンプルコード3：ネット型を使ったデジタル回路の設計

ここでは、単純なANDゲートを表現するためにネット型を使う例を紹介します。

module ANDGate(input wire a, input wire b, output wire result);
  assign result = a & b;
endmodule

このコードでは、ANDGateというモジュールを作成しています。

このモジュールは、入力として2つの信号aとbを受け取り、出力として信号resultを返します。

ここで、assignを用いてresultにaとbのAND演算の結果を割り当てています。

このコードを実行すると、入力信号aとbの両方が1の場合にのみ、出力信号resultが1となり、それ以外の場合は0となります。

これはANDゲートの挙動を正確に再現しています。

○サンプルコード4：ネット型を使ったデータ通信

次に、ネット型を使ってデータ通信を模擬する例を見てみましょう。

verilog
module DataComm(input wire data_in, input wire clock, output wire data_out);
  reg buffer;
  always @(posedge clock)
    buffer <= data_in;
  assign data_out = buffer;
endmodule

このコードでは、DataCommというモジュールを作成しています。

このモジュールは、入力データ（data_in）、クロック信号（clock）、そして出力データ（data_out）を持ちます。

ここで、内部的にはbufferというレジスタを用いてデータを一時的に保持します。

always @(posedge clock)ブロックは、クロック信号の立ち上がりエッジが来るたびに実行され、そのタイミングで入力データがbufferにコピーされます。

その後、bufferの値が出力データに割り当てられます。

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ごとに、入力データが出力データにコピーされます。

これにより、クロック同期のデータ通信を模擬することができます。

○サンプルコード5：ネット型を使ったフィルター設計

ここでは、デジタルフィルターの設計にネット型を用いる例を見てみましょう。

module DigitalFilter(input wire [7:0] data_in, output reg [7:0] data_out);
  integer i;
  reg [7:0] buffer[0:4];
  always @(data_in)
    for(i = 4; i > 0; i = i - 1)
      buffer[i] = buffer[i-1];
  assign buffer[0] = data_in;
  assign data_out = (buffer[0] + buffer[1] + buffer[2] + buffer[3] + buffer[4]) / 5;
endmodule

このコードでは、DigitalFilterというモジュールを作成しています。

このモジュールは、8ビットの入力データ（data_in）と8ビットの出力データ（data_out）を持ちます。

また、内部的には5つのバッファ（buffer）を持ち、これらを用いて移動平均フィルターを実装しています。

always @(data_in)ブロックは、入力データが変化するたびに実行され、そのタイミングでバッファの値が更新されます。

その後、5つのバッファの平均値が出力データに割り当てられます。

このコードを実行すると、入力データが更新されるたびに、その過去5サンプルの平均値が出力データとして出力されます。

これにより、移動平均フィルターの動作を模擬することができます。

○サンプルコード6：ネット型を使った状態機械の設計

次に、ネット型を使って状態機械（ステートマシン）を設計する例を見てみましょう。

ステートマシンは、状態を持つシステムをデザインする際の強力なツールです。

module StateMachine(input wire clock, input wire reset, output reg [1:0] state);
  localparam S0 = 2'b00, S1 = 2'b01, S2 = 2'b10;
  always @(posedge clock or posedge reset)
    if (reset) state <= S0;
    else case(state)
      S0: state <= S1;
      S1: state <= S2;
      S2: state <= S0;
    endcase
endmodule

このコードでは、StateMachineというモジュールを作成しています。

このモジュールは、クロック（clock）、リセット信号（reset）、および状態（state）という2ビットの出力信号を持ちます。

また、3つの状態S0、S1、S2を定義しています。

always @(posedge clock or posedge reset)ブロックは、クロックの立ち上がりエッジまたはリセット信号の立ち上がりエッジが来るたびに実行されます。

リセット信号が立ち上がった場合、状態はS0にリセットされます。

そうでなければ、現在の状態に基づいて次の状態が決定されます。

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、状態がS0、S1、S2、S0…と順番に変化します。

リセット信号が立ち上がると、状態はS0に戻ります。

これにより、3つの状態を巡る状態機械の動作を模擬することができます。

○サンプルコード7：ネット型を使った論理演算

論理演算は、デジタル回路設計において非常に重要な要素です。

ここでは、ネット型を使って論理演算を行う例を紹介します。

module LogicOperation(input wire a, input wire b, output wire and_result, output wire or_result);
  assign and_result = a & b;
  assign or_result = a | b;
endmodule

このコードでは、LogicOperationというモジュールを作成しています。

このモジュールは、入力信号aとbを受け取り、2つの出力信号and_resultとor_resultを生成します。

そして、assignを用いて、これらの出力に対してaとbのAND演算の結果とOR演算の結果を割り当てています。

このコードを実行すると、aとbの両方が1の場合、and_resultは1に、それ以外の場合は0になります。

一方、aとbの少なくとも1つが1の場合、or_resultは1に、両方が0の場合は0になります。

これは、AND演算とOR演算の基本的な挙動を正確に再現しています。

○サンプルコード8：ネット型を使ったモジュール接続

次に、ネット型を使ってモジュール間を接続する例を見てみましょう。

module Top;
  wire a, b, and_result, or_result;
  assign a = 1'b1;
  assign b = 1'b0;
  LogicOperation LO1(.a(a), .b(b), .and_result(and_result), .or_result(or_result));
endmodule

このコードでは、Topというモジュールを作成し、その中で先ほど定義したLogicOperationモジュール（LO1と名付けられています）をインスタンス化しています。

また、ネット型のwireを使って、LogicOperationモジュールの入力と出力をTopモジュールの信号a、b、and_result、or_resultに接続しています。

このコードを実行すると、先ほどの論理演算の結果がTopモジュールの信号and_resultとor_resultに割り当てられます。

これにより、モジュール間の信号伝達を実現することができます。

○サンプルコード9：ネット型を使ったテストベンチ作成

テストベンチは、デザインした回路の動作を確認するための重要なツールです。

ここでは、ネット型を使ってテストベンチを作成する例を紹介します。

module TestBench;
  reg a, b;
  wire and_result, or_result;
  LogicOperation LO1(.a(a), .b(b), .and_result(and_result), .or_result(or_result));
  initial begin
    a = 1'b0; b = 1'b0;
    #10 a = 1'b0; b = 1'b1;
    #10 a = 1'b1; b = 1'b0;
    #10 a = 1'b1; b = 1'b1;
  end
endmodule

このコードでは、TestBenchというモジュールを作成し、その中で先ほど定義したLogicOperationモジュールをインスタンス化しています。

そして、initialブロックを用いて、テストパターンを定義しています。

このコードを実行すると、初期状態でaとbの両方が0で、10単位時間ごとにaとbの値が変化し、すべての可能な入力組み合わせが試されます。

これにより、全てのテストケースにおけるロジックオペレーションの挙動を確認することができます。

○サンプルコード10：ネット型を使った実世界の応用例

最後に、ネット型を使った実世界の応用例を紹介します。

ここでは、7セグメントディスプレイのデコーダーを設計する例を見てみましょう。

module SevenSegmentDecoder(input wire [3:0] binary_input, output reg [6:0] seven_segment_output);
  always @(*)
    case(binary_input)
      4'b0000: seven_segment_output = 7'b0111111; // Display '0'
      4'b0001: seven_segment_output = 7'b0000110; // Display '1'
      // Other cases are omitted...
    endcase
endmodule

このコードでは、SevenSegmentDecoderというモジュールを作成しています。

このモジュールは、4ビットの二進数入力を受け取り、それを7セグメントディスプレイに表示するための7ビットの出力を生成します。

入力に応じて適切な出力パターンを生成するために、case文を使用しています。

このコードを実行すると、例えば二進数の入力が’0000’の場合、7セグメントディスプレイに’0’が表示されます。

このように、Verilogとネット型を使用して、具体的で実用的なデジタルデザインを構築することができます。

●ネット型の注意点と対処法

Verilogでネット型を使うときには注意すべきポイントがいくつかあります。

このセクションではそれらの注意点と、それらを適切に管理するための対処法を説明します。

①非同期に更新されるネット型

ネット型の値は、連続的な代入（continuous assignment）やゲートの出力によって動的に更新されます。

したがって、同じネット型に複数のドライバ（出力ソース）がある場合、予期しない結果が発生する可能性があります。

○対処法

同じネット型に複数のドライバを持たせないことが最良の解決策です。

必要ならば、ネット型を追加して、各ドライバの出力を個別に管理するようにします。

例えば、次のサンプルコードでは、wire型のwに対して、2つの異なるソースから値を割り当てています。

module Top;
  wire w;
  assign w = 1'b0;
  assign w = 1'b1;
endmodule

このコードは、wに対する代入が競合するため、エラーが発生します。

これを解決するためには、各assign文に対して別々のネット型を割り当てる必要があります。

①トライステートロジック

Verilogは、トライステートロジックをサポートしています。

これは、ネット型の出力が’0’、’1’、または’Z’（高インピーダンス状態）のいずれかになることを意味します。

しかし、’Z’状態を正しく扱うことは難しく、予期しない結果を引き起こす可能性があります。

○対処法

可能な限り、高インピーダンス状態を避けることが最良の解決策です。

また、ネット型が高インピーダンス状態になる可能性がある場合は、その状態を適切に管理するロジックを設計することが重要です。

次のサンプルコードでは、output wire型のzが高インピーダンス状態になる例を表しています。

module Top(input wire a, output wire z);
  assign z = a ? 1'b1 : 1'bz;
endmodule

このコードでは、入力aが1の場合、zは1になり、aが0の場合、zは高インピーダンス状態（’Z’）になります。

しかし、zの値がどこからも参照されていない場合、zが’Z’状態になると予期しない結果を引き起こす可能性があります。

●ネット型のカスタマイズ方法

Verilogのネット型は基本的な使い方や詳細な使い方だけではなく、自分の目的に応じてカスタマイズすることも可能です。

しかし、カスタマイズするには基本的な使い方や詳細な使い方を理解していることが前提となります。

そこで、ここでは一般的なネット型のカスタマイズ方法と、その方法を活用したサンプルコードを紹介します。

一般的に、ネット型のカスタマイズは2つの方法があります。

①モジュールレベルでのカスタマイズ

モジュール内部でネット型の振る舞いを定義する方法です。

これにより、モジュールごとに異なる振る舞いを持つネット型を作成することができます。

②システムレベルでのカスタマイズ

Verilogのシステム関数を使ってネット型の振る舞いを定義する方法です。

これにより、システム全体で統一した振る舞いを持つネット型を作成することができます。

○サンプルコード11：モジュールレベルでのネット型のカスタマイズ

module MyModule(input wire a, b, output wire y);
    assign y = a & b;  // ANDゲートの動作を定義
endmodule

module top;
    wire a, b, y;
    MyModule M(a, b, y);  // MyModuleを使ってネット型の振る舞いをカスタマイズ
    initial begin
        a = 1'b0; b = 1'b0;  // a, bの初期値を設定
    end
endmodule

このコードでは、MyModuleというモジュール内部でネット型の振る舞いを定義しています。

具体的には、入力aとbのANDゲートの動作を出力yに割り当てています。

そして、topモジュール内でMyModuleをインスタンス化することで、ネット型の振る舞いをカスタマイズしています。

○サンプルコード12：システムレベルでのネット型のカスタマイズ

module top;
    wire a, b, y;
    assign y = $and(a, b);  // システム関数$andを使ってネット型の振る舞いをカスタマイズ
    initial begin
        a = 1'b0; b = 1'b0;  // a, bの初期値を設定
    end
endmodule

このコードでは、システム関数$andを使ってネット型の振る舞いをカスタマイズしています。

具体的には、入力aとbのANDゲートの動作を出力yに割り当てています。

これらのカスタマイズ方法を理解することで、ネット型を自由に扱うことができ、より複雑なデジタル回路の設計やシステムの設計が可能になります。

それぞれの方法にはメリットとデメリットがありますので、自身の設計目標に最適な方法を選択してください。

まとめ

今回はVerilogのネット型について詳しく解説しました。

ネット型の基本的な使い方から詳細な使い方、さらには応用例やカスタマイズ方法までを一通り学びました。

これらの知識を活用することで、初心者であってもVerilogのネット型を効率的にコーディングできるようになるでしょう。

この記事が、あなたのプログラミング学習に少しでも役立てば幸いです。