【Verilog入門】10のパワフルな引数とその活用法

はじめに
●Verilogとは
●Verilogの引数とは
●Verilogで引数を使う方法
- ○基本的な引数の使い方
●Verilogの引数の活用例
●Verilogの引数使用時の注意点とその対処法
●Verilogの引数のカスタマイズ方法
まとめ

はじめに

Verilogという名前を聞いてピンと来る人は、一部のエンジニアか、電子回路設計に携わる人々でしょう。

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と検証に用いられます。

この記事では、Verilogの「引数」に焦点を当て、その使い方と活用例を10つご紹介します。

Verilogを既にお使いの方もこれから学ぼうとする方も、より効果的なプログラミングを行うための情報を得られることでしょう。

●Verilogとは

Verilogは、1980年代に登場したハードウェア記述言語で、主に集積回路やFPGAの設計に利用されます。

C言語と似た文法を持ちながら、回路の動作と構造を記述することができます。

この特性から、Verilogはシミュレーション、合成、検証といったIC設計の各段階で重宝されています。

●Verilogの引数とは

Verilogにおける引数は、モジュールや関数、タスクなどの定義時に用いられる変数です。

引数を用いることで、コードの再利用性や可読性を高め、設計の効率を向上させることができます。

●Verilogで引数を使う方法

Verilogの引数は、他のプログラミング言語と同じように、関数やタスクの宣言時に指定します。

また、モジュールの宣言時にも引数を用いることが可能です。

○基本的な引数の使い方

引数の基本的な使い方を理解するために、まずは単純な例から見てみましょう。

加算を行う簡単なモジュールの例を紹介します。

module Adder(input [31:0] a, input [31:0] b, output [31:0] sum);
  assign sum = a + b;
endmodule

このコードでは、「Adder」モジュールを定義しています。

このモジュールは、32ビットの二つの入力信号「a」と「b」を引数とし、その和を出力信号「sum」として出力します。

引数はinputやoutputといったキーワードを使って定義します。

●Verilogの引数の活用例

引数はVerilog設計のさまざまな部分で活用することができます。

下記の10の例を通じて、その活用法を探ってみましょう。

○サンプルコード1：基本的な引数の使い方

まず初めに、上記で見た基本的な引数の使い方を、少し詳しく解説します。

module Adder(input [31:0] a, input [31:0] b, output [31:0] sum);
  assign sum = a + b;
endmodule

このコードでは、「Adder」モジュールを定義し、32ビットの二つの入力信号「a」と「b」を引数とし、その和を出力信号「sum」として出力します。

assignキーワードは、連続代入文を表し、右辺の値が左辺に常に代入されることを表します。

これにより、「a」と「b」の和が常に「sum」に反映されます。

○サンプルコード2：引数を使った簡単な回路設計

引数を使用して実際の回路を設計する例を見てみましょう。

module HalfAdder(input a, input b, output sum, output carry);
  assign sum = a ^ b;
  assign carry = a & b;
endmodule

このコードでは、ハーフアダーと呼ばれる回路を設計しています。

ハーフアダーは二つの入力信号に対し、それらの和と桁上がり(carry)を出力する回路です。

「a」と「b」は入力信号を表し、「sum」はその和、「carry」は桁上がりを表します。

このモジュールを利用すれば、Verilogを使った加算器の設計が可能となります。

○サンプルコード3：引数を使ったモジュールの再利用

モジュールは他のモジュールの中で使うことができます。

これにより、一度設計した回路を他の場所でも簡単に再利用することが可能となります。

module FullAdder(input a, input b, input cin, output sum, output cout);
  wire s, c1, c2;
  HalfAdder ha1(a, b, s, c1);
  HalfAdder ha2(s, cin, sum, c2);
  assign cout = c1 | c2;
endmodule

このコードでは、前述のハーフアダーのモジュールを二つ用いて、フルアダーという回路を設計しています。

フルアダーは、ハーフアダーと同様に二つの信号の和を出力するほか、桁上がりの入力(carry in)を考慮した結果を出力します。

モジュール内部で生成したワイヤを引数に指定して、ハーフアダーのモジュールを再利用しています。

○サンプルコード4：引数を使ったテストベンチの作成

Verilogの引数はテストベンチ作成にも活用できます。

テストベンチは、設計した回路が正しく動作するかを確認するためのコードです。

module TestFullAdder;
  reg a, b, cin;
  wire sum, cout;

  initial begin
    $monitor("a=%b, b=%b, cin=%b, sum=%b, cout=%b", a, b, cin, sum, cout);
    a = 0; b = 0; cin = 0; #10;
    a = 0; b = 0; cin = 1; #10;
    a = 0; b = 1; cin = 0; #10;
    a = 0; b = 1; cin = 1; #10;
    a = 1; b = 0; cin = 0; #10;
    a = 1; b = 0; cin = 1; #10;
    a = 1; b = 1; cin = 0; #10;
    a = 1; b = 1; cin = 1; #10;
    $finish;
  end

  FullAdder fa(a, b, cin, sum, cout);
endmodule

このコードでは、テストベンチとして「TestFullAdder」モジュールを定義しています。

全ての可能な入力組み合わせについて、フルアダーの出力結果をモニタします。

テストの各ステップでは、特定の入力を設定し(a = 0; b = 0; cin = 0;など)、その後に遅延時間#10を設けて次のステップへ進みます。

これにより、フルアダーが期待通りの動作をするかを確認できます。

○サンプルコード5：引数を使った時計生成

Verilogの引数を使うことで、クロック信号を生成するモジュールを作ることもできます。

クロック信号は、デジタル回路におけるタイミングを制御するために重要な役割を果たします。

module ClockGen(input wire clk, output reg clk_out);
  initial clk_out = 0;
  always @(posedge clk) clk_out = ~clk_out;
endmodule

このコードでは、クロックジェネレータというモジュールを定義しています。

入力クロック信号clkの立ち上がりエッジ(0から1への変化)毎に、出力クロックclk_outの状態を反転させます。

これにより、入力クロックの半分の周波数を持つクロックを生成します。

○サンプルコード6：引数を使った信号のディレイ

Verilogの引数を使って、信号の遅延を表現することも可能です。

これは、信号伝播の遅延をモデル化する際に便利です。

module Delay(input wire d_in, output wire d_out);
  assign #(10) d_out = d_in;
endmodule

このコードでは、Delayモジュールを定義し、入力信号d_inを出力信号d_outに10時間単位で遅延させて転送しています。

#(10)という記述が遅延を表しています。

○サンプルコード7：引数を使ったデータ型の宣言

Verilogでは、引数に対するデータ型を宣言することが可能です。

データ型は信号のビット幅を制御するために用います。

module DataWidth(input [7:0] data_in, output [15:0] data_out);
  assign data_out = {8'b0, data_in};
endmodule

このコードでは、DataWidthモジュールを定義し、8ビットの入力データdata_inを16ビットの出力データdata_outに拡張しています。

ここでは、{8'b0, data_in}という記述で、上位8ビットを0で埋め、下位8ビットに入力データを配置しています。

○サンプルコード8：引数を使ったシフト演算

引数を用いて、シフト演算を行うモジュールを作成することもできます。

module Shifter(input [7:0] data_in, input [2:0] shift_amt, output reg [7:0] data_out);
  always @(data_in, shift_amt) data_out = data_in << shift_amt;
endmodule

このコードでは、Shifterモジュールを定義し、8ビットの入力データdata_inを指定したビット数shift_amtだけ左にシフトしています。

シフト演算は、データの倍増や半減、ビット位置の調整などに用いられます。

○サンプルコード9：引数を使ったマルチスレッド処理

Verilogの引数は、マルチスレッド処理を表現する際にも用いられます。

module Multithread;
  reg [7:0] counter1, counter2;

  initial begin
    counter1 = 8'b0;
    counter2 = 8'b0;
    while (counter1 < 8'b100) begin
      counter1 = counter1 + 1;
      counter2 = counter2 - 1;
      #10;
    end
  end
endmodule

このコードでは、Multithreadモジュールを定義し、2つのカウンターcounter1とcounter2を同時に動作させています。

counter1はインクリメント、counter2はデクリメントされます。

○サンプルコード10：引数を使った同時処理

引数を用いることで、複数の処理を同時に行うコードも作成できます。

module ParAdder(input [7:0] a, b, output reg [7:0] sum, carry);
  always @(a, b) begin
    sum = a + b;
    carry = (a + b) > 8'b11111111;
  end
endmodule

このコードでは、パラレルアダーというモジュールを定義しています。

2つの8ビット入力aとbの和を計算し(sum = a + b;)、その結果が8ビットを超える場合には、キャリーを出力します。