初心者でもわかる！Verilogと未接続ポートについての全解説

はじめに

ハードウェア記述言語として幅広く利用されているVerilogを理解することは、電子工学やコーディングを学ぶ者にとって必須のスキルと言えます。

特に、未接続ポートの扱いは、初心者がつまずきやすいポイントの一つです。

本記事では、Verilogの基本から未接続ポートの取り扱い方法、そして具体的なコード作成例までを、初心者でも理解が深まるようにステップバイステップで詳しく解説します。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語（HDL）の一つで、主に集積回路やデジタルシステムの設計とシミュレーションを行うために用いられます。

ハードウェアの挙動を高レベルで記述することが可能で、それをもとに物理的なチップ設計が行えます。

○Verilogの基本概念

Verilogでは、ハードウェアの各部分を「モジュール」で表現します。

モジュールは、電子回路の一部を構成する基本的な要素で、それぞれのモジュールが特定の機能を持ちます。

これらのモジュールを組み合わせることで、複雑なハードウェアを構築します。

例えば、次のコードでは、2つの入力信号をAND演算するモジュールを定義しています。

module AND_gate(input wire a, input wire b, output wire y);
assign y = a & b;
endmodule

このコードでは、’AND_gate’という名前のモジュールを定義しています。

入力信号’a’と’b’、出力信号’y’を指定し、’assign’文を用いて出力’y’に対する計算式を記述しています。

この場合、’a’と’b’のAND演算の結果が’y’に割り当てられます。

●未接続ポートとは

未接続ポートとは、モジュールの中で定義されているのに、モジュールを使う側（呼び出し側）から接続されていないポートのことを指します。

つまり、そのポートに対する入力がない、あるいはそのポートからの出力が利用されていない状態を表しています。

未接続ポートが存在すると、意図しない動作やエラーが発生する可能性があります。

それゆえ、未接続ポートの扱いは、Verilogコーディングの際に重要なポイントとなります。

●Verilogのコード作成

○基本的なVerilogコードの書き方

基本的なVerilogのコードを書く上で覚えておきたいのが、モジュールの定義とインスタンス化です。

モジュールを定義するとは、モジュールがどんなポートを持ち、どんな動作をするかを記述することです。一方、インスタンス化とは、定義したモジュールを使用するための宣言です。

XORゲートを定義し、そのインスタンスを作成する例を紹介します。

// XORゲートの定義
module XOR_gate(input wire a, input wire b, output wire y);
assign y = a ^ b;
endmodule

// XORゲートのインスタンス化
module test;
wire in1, in2, out;
XOR_gate U1 (.a(in1), .b(in2), .y(out));
endmodule

‘XOR_gate’という名前のモジュールを定義し、その中で入力信号’a’と’b’、出力信号’y’の動作を定義しています。

次に、’test’というモジュールで、’XOR_gate’のインスタンス’U1’を生成しています。

‘in1’と’in2’を入力として、’out’に結果を出力します。

○未接続ポートを扱うVerilogコードの例1

下記のコードでは、’XOR_gate’モジュールの出力ポート’y’が接続されていません。

つまり、’y’は未接続ポートです。

// XORゲートの定義
module XOR_gate(input wire a, input wire b, output wire y);
assign y = a ^ b;
endmodule

// XORゲートのインスタンス化（出力が接続されていない）
module test;
wire in1, in2;
XOR_gate U1 (.a(in1), .b(in2), .y());
endmodule

この状態でシミュレーションを行うと、’XOR_gate’の出力がどこにも伝わらないため、意図した挙動を確認することができません。

○未接続ポートを扱うVerilogコードの例2

未接続ポートの存在は、Verilogコードに潜むハードウェアバグの一つです。

未接続ポートが問題を引き起こす可能性がありますので、その理解と対処法は重要です。

ここでは、未接続ポートを取り扱う例をさらに進めていきます。

// Verilogのコード例2：モジュール内の未接続ポート
module top_module(input wire clk, input wire reset);
    wire data_in;
    // ここではdata_inが未接続のままです。

    my_module u1(.clk(clk), .reset(reset), .data(data_in));
    // my_moduleではdata_inが必要ですが、上位モジュールでは接続されていません。
endmodule

module my_module(input wire clk, input wire reset, input wire data);
    // 必要な処理
endmodule

このコードでは、top_moduleというモジュール内に、未接続のdata_inというポートが存在します。

この状態ではdata_inはどの信号にも接続されておらず、my_moduleのインスタンス生成時に、そのまま未接続の状態でmy_moduleに渡されます。

この例では、未接続の信号を扱うことで問題が生じる可能性を示しています。

Verilogのシミュレーションを実行すると、data_inが未接続のままだと警告が表示されます。

しかし、その警告を見落としてしまった場合や、未接続ポートが意図しない動作を引き起こす可能性があります。

そのため、コードを書く段階で、全てのポートが適切に接続されているか確認することが重要です。

さらに、コードを修正して、未接続のdata_inをreset信号に接続してみましょう。

// Verilogのコード例2：未接続ポートを修正
module top_module(input wire clk, input wire reset);
    wire data_in;
    assign data_in = reset; // 未接続ポートを修正しました。

    my_module u1(.clk(clk), .reset(reset), .data(data_in));
endmodule

module my_module(input wire clk, input wire reset, input wire data);
    // 必要な処理
endmodule

この修正により、data_inはreset信号に接続され、未接続ポートの問題は解消されました。

このように、未接続ポートが存在する場合、どの信号に接続すべきか明確にしなければなりません。

未接続ポートを適切に扱うことで、意図しないバグを防ぐことができます。

○未接続ポートを扱うVerilogコードの例3

未接続ポートの問題は、ハードウェアデザインのモジュール間接続で特に顕著になることがあります。

様々な設計要素が複雑に絡み合う大規模なデザインでは、未接続ポートが生じやすいです。

例3では、モジュール間の未接続ポートの例を紹介します。

// Verilogのコード例3：モジュール間の未接続ポート
module top_module(input wire clk, input wire reset);
    wire data_in;
    assign data_in = reset;

    my_module u1(.clk(clk), .reset(reset), .data(data_in), .extra(extra));
    // my_moduleではextraポートが追加されましたが、extraポートは上位モジュールでは接続されていません。
endmodule

module my_module(input wire clk, input wire reset, input wire data, input wire extra);
    // 必要な処理
endmodule

このコードでは、top_moduleからmy_moduleへの接続で、新たなポートextraが追加されました。

しかし、top_moduleのmy_moduleインスタンス生成時に、extraポートは接続されていません。

つまり、extraポートが未接続のままとなります。この例では、モジュール間の接続で未接続ポートが生じる様子を示しています。

Verilogのシミュレーションを行うと、未接続のextraポートについて警告が表示されます。

モジュールを利用する際には、全てのポートが適切に接続されているかを確認し、未接続ポートが生じないように注意が必要です。

次に、未接続のextraポートをreset信号に接続して修正してみましょう。

// Verilogのコード例3：未接続ポートの修正
module top_module(input wire clk, input wire reset);
    wire data_in, extra;
    assign data_in = reset;
    assign extra = reset; // 未接続ポートを修正しました。

    my_module u1(.clk(clk), .reset(reset), .data(data_in), .extra(extra));
endmodule

module my_module(input wire clk, input wire reset, input wire data, input wire extra);
    // 必要な処理
endmodule

この修正により、extraポートもreset信号に接続され、未接続ポートの問題が解消されました。

このように、未接続ポートの存在を見逃さず、すべてのポートが適切に接続されていることを確認することが、信頼性の高いハードウェア設計につながります。

●Verilogでの未接続ポートの扱い方

未接続ポートが発生した際の扱い方について紹介します。

Verilogでの未接続ポートは、主にエラーや警告の出力がないために見逃されることが多く、設計の信頼性に影響を与える可能性があります。

そのため、未接続ポートの扱い方を理解し、それを適切に管理することが重要となります。

まず、未接続ポートが生じる原因として、最も一般的なものは、モジュール定義とモジュールインスタンス生成時のポート接続のミスマッチです。

この場合、未接続ポートの問題は、ポート接続の正確なレビューと、適切な接続によって解消することが可能です。

また、設計レビューやコードレビューのプロセスで、未接続ポートの存在を見つけ出すことができます。

// モジュールの定義
module my_module(input wire clk, input wire reset, input wire data);

// モジュールのインスタンス生成
my_module u1(.clk(clk), .reset(reset), .data());

このコードでは、my_moduleのdataポートが未接続の状態になっています。

そのため、未接続ポートが生じてしまいます。この問題を解決するためには、dataポートに適切な信号を接続すれば良いです。

この問題を見つけ出すためには、コードのレビューが重要となります。

次に、未接続ポートが発生した際の対策として、initialまたはalwaysブロック内でポートを初期化する方法があります。

この方法は、未接続ポートが生じた場合に、そのポートが特定の値に初期化されることを保証するためのものです。

この初期化の動作は、Verilogのシミュレーション時にのみ実行されます。

module my_module(input wire clk, input wire reset, input wire data);
    initial begin
        data = 0; // 未接続ポートを初期化します。
    end
endmodule

このコードでは、dataポートが未接続の場合でも、initialブロック内でdataを0に初期化することで、未接続ポートの問題を回避しています。

●未接続ポートの対処法

Verilogでの未接続ポートに関する議論を進める前に、それが何であるかを理解することは重要です。

未接続ポートとは、モジュール宣言時に指定されているポートの一部が、そのモジュールがインスタンス化された際に接続されていない状態を指します。

これは設計者の意図によるものか、あるいは単純なミスかもしれません。

その一方で、Verilogでは未接続ポートは認められています。

しかし、それらが一体どのように動作するのか、それは実際のハードウェアやシミュレーションツールによります。

一部のハードウェアでは、未接続ポートはハイ・インピーダンス状態（Z状態）として動作し、他のハードウェアでは未定義（X状態）として動作するかもしれません。

そのため、未接続ポートが期待した振る舞いを示さない可能性があります。

これを避けるための基本的な対処法として以下の2つを紹介します。

①未接続ポートを明示的に接続する

これは最も直接的な方法です。

可能な限りすべてのポートを適切に接続することで、未接続ポートが引き起こす問題を避けることができます。

②未接続ポートをデフォルト値に設定する

Verilogでは、ポートが未接続の場合にデフォルト値を提供することができます。

これは特に、ポートがオプションである場合や、特定の状況でのみ接続される場合に有用です。

デフォルト値を設定するコードの例を紹介します。

module my_module (
  input wire [7:0] data_in = 8'b0,  // デフォルト値として0を設定
  output wire [7:0] data_out
);

// モジュールの内部実装

endmodule

このコードでは、入力ポート’data_in’が未接続の場合、その値はデフォルト値として’8’b0’（8ビットの0）に設定されます。

つまり、未接続のポートがある場合でも安全にモジュールを使用することができます。

この例を応用すると、未接続ポートが存在する場合でもVerilogコードが期待通りに動作するように、さまざまなシナリオで対処することができます。

ただし、これらのテクニックは必ずしもすべての問題を解決するわけではなく、最終的には設計者の責任になります。

設計者はモジュールの設計と使用方法を理解し、適切な接続を確保しなければなりません。

●Verilogのカスタマイズ方法

Verilogでは、ユーザ定義のモジュールや関数を使用してコードをカスタマイズすることができます。

これにより、一般的なロジックや操作を再利用することができ、設計の効率性と信頼性を向上させることができます。

例えば、下記のコードでは、’add’という名前のユーザ定義関数を作成しています。

この関数は2つの8ビット入力を受け取り、それらの合計を計算します。

module my_module (
  input wire [7:0] a,
  input wire [7:0] b,
  output wire [7:0] sum
);

  assign sum = add(a, b);

  function [7:0] add;
    input [7:0] x, y;
    begin
      add = x + y;  // 入力の合計を計算
    end
  endfunction

endmodule

この例では、’add’関数を使って入力’a’と’b’の合計を計算し、その結果を’output sum’に割り当てています。

これは、同じ足し算のロジックを複数回使用する必要がある場合に特に有用です。関数を使うことでコードが整理され、読みやすくなります。

●応用例とサンプルコード

Verilogで回路設計を行う場合、応用例があると実際の設計に役立ちます。

ここでは、複雑な回路設計と独自のモジュール作成の2つの応用例について、具体的なサンプルコードとともに詳しく解説します。

○応用例1：複雑な回路設計

まずは、複雑な回路設計の例として、4ビットの加算器を設計してみましょう。

このコードでは、2つの4ビットの入力を受け取り、その和を出力します。

module adder4bit(A, B, S);
  input [3:0] A, B;
  output [3:0] S;
  assign S = A + B;
endmodule

この例では、”adder4bit”という名前のモジュールを作成しています。

input AとBはそれぞれ4ビットの入力を受け取り、output Sはそれらの和を出力します。

assign文を用いてAとBの和をSに割り当てています。

このコードを実行すると、入力AとBに任意の4ビットの二進数を入力すると、その和が出力Sとして出力されます。

例えば、Aに0011、Bに0101を入力した場合、Sは1000となります。

○応用例2：独自のモジュール作成

次に、Verilogでは自分で独自のモジュールを作成し、それを他のコードで再利用することが可能です。

ここでは、2つの信号をANDゲートで論理積するモジュールを作成してみましょう。

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

このコードでは、”my_and”という名前のモジュールを作成しています。

input AとBはそれぞれ1ビットの入力を受け取り、output Yはそれらの論理積を出力します。

assign文を用いてAとBの論理積をYに割り当てています。

このコードを実行すると、入力AとBに任意の1ビットの二進数を入力すると、その論理積が出力Yとして出力されます。

例えば、Aに1、Bに0を入力した場合、Yは0となります。

これらの例のように、Verilogでは様々な複雑な回路設計や独自のモジュール作成が可能です。

未接続ポートという概念を理解し、適切に対処することで、より効果的にVerilogを使いこなすことができます。

●注意点と対策

初心者がVerilogで未接続ポートの扱いについて学ぶ際、次のような注意点があります。

①ポートの名前を間違えている

Verilogは、ポートの名前がモジュール定義と一致していないと未接続と見なされます。

これは、単純なタイプミスが原因であることが多いです。

②使用していないポートがある

特定の条件下でのみ使用するポートなど、コード内で使用されていないポートは未接続と見なされます。

必要ない場合は、モジュール定義からそのポートを削除することが推奨されます。

それらの注意点を解消するための一つの方法は、Verilogのシミュレーションツールを使ってコードをテストすることです。

これにより、未接続ポートによるエラーや警告を早期に発見し、適切に対処することができます。

Verilogのシミュレーションツールを使って未接続ポートを見つける例を表します。

下記のコードは、未接続の出力ポート “o” を持つ簡単なANDゲートのモジュールです。

module AndGate(input a, b, output o);
    assign o = a & b;
endmodule

module Testbench;
    reg a, b;
    wire o;
    AndGate u1(.a(a), .b(b), .y(o)); // ".y(o)" は存在しないポートで、正しくは ".o(o)" のはずです。

    initial begin
        $dumpfile("test.vcd");
        $dumpvars(0, Testbench);

        #5 a=0; b=0; #5 a=0; b=1; #5 a=1; b=0; #5 a=1; b=1;
        #5 $finish;
    end
endmodule

このコードでは、テストベンチモジュール “Testbench” の中でANDゲートのモジュール “AndGate” をインスタンス化しています。

しかし、ANDゲートの出力ポート “o” への接続が “.y(o)” と間違って記述されているため、シミュレーション時に警告が出て、未接続ポートの存在が検出されます。

このコードを実行すると、シミュレーションツールは出力ポート “o” が未接続であることを警告します。

そして、出力のwaveformを見ても、出力 “o” は変化せず、常に未定義 (X) のままであることが確認できます。

これが、未接続ポートの問題を示しています。

コードの修正後：

module AndGate(input a, b, output o);
    assign o = a & b;
endmodule

module Testbench;
    reg a, b;
    wire o;
    AndGate u1(.a(a), .b(b), .o(o)); // ".o(o)" と修正した

    initial begin
        $dumpfile("test.vcd");
        $dumpvars(0, Testbench);

        #5 a=0; b=0; #5 a=0; b=1; #5 a=1; b=0; #5 a=1; b=1;
        #5 $finish;
    end
endmodule

修正後のコードを実行すると、シミュレーションツールは警告を出さず、出力のwaveformを見ると、出力 “o” が入力 “a” と “b” のAND操作の結果に正しく追随していることが確認できます。

これにより、未接続ポートの問題が正しく解決されたことが確認できます。

まとめ

今回の記事では、初心者でも理解できるようにVerilogと未接続ポートについて解説しました。

Verilogの基本的な概念から、未接続ポートの取り扱い方法、そして具体的なコード作成例までをステップバイステップで説明していきました。

Verilogは、デジタルシステムを設計するためのハードウェア記述言語であり、具体的な機能や回路を形成するために、その基本的な概念や書き方を理解することは不可欠です。

また、未接続ポートはしばしば問題となりますが、その適切な扱い方を知っておくことで、エラーや予期せぬ挙動を未然に防ぐことができます。

記事内では、基本的なVerilogのコードの書き方から、未接続ポートを扱うための具体的なコード例までを詳細に説明しました。

それぞれのコードについては、その構成要素とその動作を理解するための詳細な解説を提供しました。

さらに、Verilogで未接続ポートを適切に扱う方法や、一般的な対処法についても紹介しました。

また、自身のニーズに合わせてVerilogをカスタマイズするためのヒントやテクニックについても探りました。

また、応用例として複雑な回路設計や独自のモジュール作成についても解説しました。