初心者のためのVerilogを使ったMIPSプログラミング10選

初心者が学ぶVerilogとMIPSプログラミングのイメージVerilog
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この記事では、プログラム(回路記述)の基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

基本的な知識があればサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を凌駕する現役のプログラマチームによって監修されています。

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はじめに

VerilogとMIPSを使ったプログラミングは、特にハードウェア記述とマイクロプロセッサの設計を学ぶ初心者にとって非常に有用なスキルです。

今回の記事では、VerilogとMIPSの基本的な知識から始め、具体的な10のコードを提供し、それぞれのコードの解説と実行結果を詳しく説明します。

さらに、注意点やカスタマイズ方法も解説します。

これにより、VerilogとMIPSを使ったプログラミングに対する理解を深めることができます。

●Verilogとは

Verilogはハードウェア記述言語の一種で、デジタルシステムの設計と検証を行うために使用されます。

具体的には、集積回路やデジタルシステムの動作を記述するためのツールとして広く使われています。

○Verilogの特性と利点

Verilogの最大の特性はその柔軟性で、抽象的なビヘイビア記述から具体的なゲートレベルの記述まで対応しています。

さらに、テストベンチを用いて設計したハードウェアのシミュレーションも可能です。

そのため、Verilogはハードウェア設計の初期段階から最終的なテストまで、一貫した設計フローを提供します。

●MIPSとは

MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)は、RISC(Reduced Instruction Set Computing)ベースのプロセッサアーキテクチャです。

教育や研究の場でよく使用されており、ハードウェアの理解を深めるための優れたツールです。

○MIPSの特性と利点

MIPSはそのシンプルさと明快さから初心者がコンピューターアーキテクチャを学ぶのに適しています。

命令セットは比較的少なく、その全てが固定の長さ(32ビット)を持っています。

これにより、命令の解析やデコードが容易になります。

●VerilogとMIPSの基本構文

それでは、VerilogとMIPSの基本的なコードを見ていきましょう。

○Verilogの基本構文

Verilogの基本的な構文には、モジュールの宣言、信号の定義、組み合わせ回路と順序回路の記述などがあります。

下記のサンプルコードは、ANDゲートを記述したものです。

// ANDゲートのVerilog記述
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作成しています。

このモジュールには2つの入力信号(a、b)と1つの出力信号(y)が定義されています。

最後の行の「assign y = a & b;」はAND演算を行っており、信号aと信号bが両方とも1であれば出力yも1となります。

○MIPSの基本構文

MIPSの基本的な構文は、ロード/ストア命令、算術/論理命令、分岐/ジャンプ命令などから成り立ちます。

単純な加算を行うMIPSのコードを紹介します。

# 加算のMIPSコード
add $t0, $t1, $t2   # $t1 + $t2 -> $t0

このコードでは、「add」命令を使って$t1と$t2の加算結果を$t0に格納しています。

●VerilogでのMIPSプログラミング10選

ここでは、初心者でも扱いやすいVerilogを用いてMIPSプログラミングを学ぶ10つのサンプルコードを紹介します。

それぞれのサンプルコードは特定の機能や命令に焦点を当て、理解を深めることが目的です。

○サンプルコード1:VerilogでのMIPS命令

まず、基本的なMIPS命令をVerilogで表現することから始めます。

ここで紹介するコードは、「add」命令を表現したものです。

このコードでは、レジスタに格納された2つの値を加算し、結果を別のレジスタに格納します。

module adder(reg [31:0] a, b, output reg [31:0] result);
  always @* begin
    result = a + b; // aとbを加算し、その結果をresultに格納
  end
endmodule

このコードはレジスタaとbの値を加算し、その結果をレジスタresultに格納します。

Verilogのレジスタは32ビット長を持つことを示しています。

○サンプルコード2:レジスタの設定と読み出し

次に、レジスタへの値の設定とその読み出しを行うコードを見てみましょう。

このコードでは、値の設定と読み出しを行う基本的な方法を表しています。

module register_file(input [4:0] read_reg1, read_reg2, write_reg,
                     input [31:0] write_data,
                     input write_enable,
                     output [31:0] read_data1, read_data2);
  reg [31:0] registers [31:0];

  always @(posedge clk) begin
    if(write_enable) begin // write_enableが真の場合、write_dataをwrite_regに書き込みます
      registers[write_reg] <= write_data;
    end
  end

  assign read_data1 = registers[read_reg1]; // read_reg1とread_reg2の値を読み出します
  assign read_data2 = registers[read_reg2];
endmodule

ここでは、レジスタへの値の書き込みと読み出しを行います。

具体的には、write_enableが真の場合にはwrite_dataをwrite_regに書き込み、一方でread_data1とread_data2にはそれぞれread_reg1とread_reg2の値を出力します。

○サンプルコード3:ALUの設定と操作

次に、Verilogを使用して算術論理演算ユニット(ALU)を設定し、操作する方法について紹介します。

ALUはCPUの心臓部とも言える部分で、全ての算術演算と論理演算が行われます。

ALUの基本的な設定を行うVerilogコードの一部を紹介します。

module ALU (input [31:0] a, input [31:0] b, input [5:0] ALUControl, output reg [31:0] result);
    always @(*) begin
        case(ALUControl)
            6'b001000: result = a + b; // 加算
            6'b001010: result = a - b; // 減算
            6'b000000: result = a & b; // 論理積
            6'b000001: result = a | b; // 論理和
            default: result = 32'hX;   // 不明な命令
        endcase
    end
endmodule

このコードでは、32ビットの入力値aとbを受け取り、6ビットのALUControlに基づいて操作を選択しています。

例えば、ALUControlが6'b001000の場合、結果はaとbの加算になります。

同様に、他の値を設定することで、減算、論理積、論理和といった基本的な算術演算と論理演算を行うことができます。

このコードのポイントは、case文を使用して、異なるALUControlの値に基づいて異なる操作を選択できるようにすることです。

これにより、MIPS命令セットの一部を簡単に模倣することが可能になります。

実際に上記のコードを実行すると、ALUControlの値によって異なる操作が適用され、その結果が出力されます。

例えば、a=3、b=2、ALUControl=6'b001000(加算)を入力すると、出力結果は5になります。

一方、a=3、b=2、ALUControl=6'b001010(減算)を入力すると、出力結果は1になります。

○サンプルコード4:データパスの設定と操作

VerilogとMIPSを使ってデータパスを設定し、操作することで、プログラムがデータをどのように扱うか、どのようにデータがシステムを通過するかを制御することができます。

それでは具体的なコードを見てみましょう。

// データパスの設定と操作
module datapath(input [31:0] data_in, input [4:0] path_sel, output [31:0] data_out);
  wire [31:0] paths[31:0];
  assign paths[0] = data_in + 1;
  assign paths[1] = data_in - 1;
  // 追加のデータパス設定
  for (i = 2; i < 32; i = i+1)
    assign paths[i] = paths[i-1] + paths[i-2];
  assign data_out = paths[path_sel];
endmodule

このコードでは、入力データ(data_in)とデータパスの選択(path_sel)を入力として受け取り、選択されたデータパスによって変換されたデータ(data_out)を出力します。

例えば、path_selが0の場合、出力はdata_in + 1となります。データパスの選択が1の場合は、出力はdata_in - 1となります。

このように、Verilogを使用して様々なデータパスを設定し、それを選択することで、入力データを必要な形に変換することができます。

このコードを実行すると、データパスの選択により、入力データが様々な形で出力されます。

例えば、data_inが5、path_selが0の場合、出力は6になります。

また、data_inが5、path_selが1の場合、出力は4になります。このように、データパスの設定と操作を通じて、データの変換と制御を行うことが可能です。

○サンプルコード5:分岐命令の設定と操作

次に、VerilogとMIPSを使って分岐命令を設定し、操作する例を見てみましょう。

分岐命令は、プログラムの実行フローを制御します。

特定の条件が満たされたときに、プログラムが異なる実行パスに「分岐」するように指示します。

それでは、具体的なコードを見ていきましょう。

// 分岐命令の設定と操作
module branch(input [31:0] data_in, input [31:0] comp, input branch_on_equal, output reg branch_taken);
  always @(data_in or comp or branch_on_equal) begin
    if (branch_on_equal)
      branch_taken = (data_in == comp) ? 1 : 0;
    else
      branch_taken = (data_in != comp) ? 1 : 0;
  end
endmodule

このコードでは、入力データ(data_in)と比較データ(comp)を入力として受け取り、両者が等しいか否かを比較します。

そして、branch_on_equalが真(1)である場合、data_incompが等しい場合に分岐を取ります。

branch_on_equalが偽(0)の場合は、data_incompが等しくない場合に分岐を取ります。

このコードを実行すると、入力データと比較データ、および分岐条件に基づいて分岐が行われます。

例えば、data_inが5、compが5、branch_on_equalが1の場合、出力branch_takenは1になり、分岐が行われます。

また、data_inが5、compが4、branch_on_equalが0の場合、出力branch_takenは1になり、分岐が行われます。

このように、VerilogとMIPSを使って、プログラムの制御フローを柔軟に管理することができます。

○サンプルコード6:ジャンプ命令の設定と操作

MIPSのプログラミングでは、ジャンプ命令が非常に重要な機能を果たします。

これは一般に、プログラムの制御を異なる命令に転送する際に使用されます。

このジャンプ命令はVerilogでの設定と操作が可能で、下記のサンプルコードにより、その方法を説明します。

module jump_instruction(input [31:0] instruction, input [31:0] pc, output [31:0] address);
    wire [25:0] jump_address;
    assign jump_address = instruction[25:0];
    assign address = {pc[31:28], jump_address, 2'b00};
endmodule

このサンプルコードでは、ジャンプ命令の設定と操作を行っています。

ここでは、32ビットの指令(instruction)とプログラムカウンタ(pc)を入力として受け取り、ジャンプ先のアドレス(address)を出力します。

指令の下位26ビット(instruction[25:0])がジャンプ先のアドレス(jump_address)を表し、これを最終的なアドレス生成に使用します。

最終的なジャンプ先のアドレスは、プログラムカウンタの上位4ビット(pc[31:28])、ジャンプアドレス、そして下位2ビットが0の2ビット(2’b00)を連結したものとなります。

これはMIPSアーキテクチャの特性を反映したもので、ジャンプアドレスを4バイト単位で扱うために下位2ビットを0に設定します。

このコードを実行すると、入力として与えられた命令とプログラムカウンタに基づいて、ジャンプ先のアドレスが正しく生成されます。

○サンプルコード7:メモリの設定と操作

メモリはプログラミングの根幹となる部分であり、VerilogとMIPSを使用したプログラミングでもその重要性は変わりません。

下記のサンプルコードでは、Verilogを用いたMIPSのメモリ設定と操作を実装しています。

module memory(input [31:0] address, input [31:0] write_data, input mem_write, input mem_read, output [31:0] read_data);
    reg [31:0] mem [0:255]; // 256 words memory
    integer i;
    initial for(i = 0; i < 256; i = i + 1) mem[i] = 32'h00000000;
    always @(posedge clk) if(mem_write) mem[address] = write_data;
    assign read_data = (mem_read) ? mem[address] : 32'hzzzzzzzz;
endmodule

このコードでは、32ビットのメモリアドレス(address)、書き込むデータ(write_data)、メモリ書き込みフラグ(mem_write)、メモリ読み取りフラグ(mem_read)を入力として受け取り、読み出したデータ(read_data)を出力します。

この例では256ワードのメモリを確保しており、初期状態では全てのメモリの値を0に設定します。

メモリ書き込みフラグが立っている場合、クロックの立ち上がりエッジで指定されたアドレスにデータを書き込みます。

また、メモリ読み取りフラグが立っている場合、指定されたアドレスのデータを読み出します。

このコードを実行すると、指定された操作に従ってメモリの読み書きが行われます。

ただし、Verilogでは実際のメモリはシミュレーションの一部であるため、実際のハードウェア上での動作を想定する場合は、適切なメモリモジュールを使用する必要があります。

○サンプルコード8:シフト命令の設定と操作

シフト命令は、数値データのビット位置を右または左に移動させるものです。

シフト命令は算術演算と比べて非常に効率的で、高速な乗除算やビットフィールドの操作などによく用いられます。

このコードではVerilogを使ってシフト命令を実装する方法を紹介します。

この例ではレジスタの値を右にシフトして新たな値を作成しています。

ここで使用されるMIPS命令は「srl」です。

module shift_instruction(input [31:0] data_in, input [4:0] shamt, output reg [31:0] data_out);
    always @(*) begin
        data_out = data_in >> shamt; // 右シフト命令
    end
endmodule

このコードでは、「data_in」を入力として32ビットのデータを受け取り、「shamt」を入力として5ビットのシフト量を受け取っています。

「data_out」は右シフトした結果のデータを出力します。

シフト命令の結果は、データをシフトする方向とシフトするビット数によります。

このコードでは「shamt」の値によって「data_in」のビットを右にシフトしています。

したがって、もし「data_in」の値が8 (二進数で1000) で、「shamt」の値が2ならば、シフト後の「data_out」の値は2 (二進数で10) になります。

注意点として、このシフト命令はロジカルシフトと呼ばれるもので、左にシフトすると右端から0が追加され、右にシフトすると左端から0が追加されます。

そのため、符号付き整数をシフトする場合には期待した結果が得られないことがあります。

符号付き整数のシフトには算術シフト命令を用いることが推奨されます。

○サンプルコード9:ループと条件分岐の設定と操作

次に、Verilogを使ったMIPSのプログラム作成で重要なループと条件分岐の設定と操作について学びましょう。

これらはプログラムの流れをコントロールする基本的な機能で、特に条件によってプログラムの実行を切り替える分岐や、一定の処理を繰り返すループはプログラミングにおいて必須の概念となります。

module loop_branch(input wire clk, reset, output reg [31:0] counter);

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if(reset)
            counter <= 32'h0;
        else if(counter == 32'hFF)
            counter <= 32'h0;
        else
            counter <= counter + 32'h1;
    end

endmodule

このコードでは、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でカウンターの値を制御しています。リセット信号が活性化された場合、カウンターは初期化されます。

それ以外の場合では、カウンターの値が上限値に達したら再度0に戻し、それ以外ではカウンターをインクリメントします。

この例では、状態と入力に応じて異なる動作を行う分岐と、一定の処理を繰り返すループを実装しています。

このコードを実行した場合、リセット信号がオンになるとカウンターは0にリセットされ、リセット信号がオフになると、毎クロックでカウンターはインクリメントされ、上限値に達したら0に戻ります。

これにより、ループと条件分岐の設定と操作を行う基本的なプログラムが完成します。

次に、このループと条件分岐の応用例として、特定のカウンター値で特定の動作を行うプログラムを考えてみましょう。

例えば、カウンターが特定の値に達したらLEDを点滅させるという機能を追加することが考えられます。

module loop_branch(input wire clk, reset, output reg led, output reg [31:0] counter);

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if(reset) begin
            counter <= 32'h0;
            led <= 1'b0;
        end else if(counter == 32'hFF) begin
            counter <= 32'h0;
            led <= ~led;
        end else
            counter <= counter + 32'h1;
    end

endmodule

このコードでは、カウンターが上限値に達した際にLEDの状態を反転させることで、特定のタイミングでLEDを点滅させる動作を追加しています。

これにより、ループと条件分岐を活用して、より複雑な動作をプログラムに組み込むことができることを表しています。

○サンプルコード10:全体の組み立てとテスト

私たちがこれまで学んできたすべての概念を応用して、簡単なMIPSプログラムをVerilogで構築する時が来ました。

下記のコードでは、初めに設定されたレジスタ値を用いて、簡単な算術命令を実行し、その結果をメモリに保存します。

// Verilogで書かれたMIPSプログラム
module mips_program;
    reg [31:0] mem [0:1023]; // 1Kのメモリ
    reg [31:0] regfile [0:31]; // 32のレジスタ

    initial begin
        regfile[1] = 10; // レジスタ1に10をセット
        regfile[2] = 20; // レジスタ2に20をセット

        // レジスタ1と2を足す(結果はレジスタ3に保存)
        regfile[3] = regfile[1] + regfile[2];

        // レジスタ3の値をメモリのアドレス0に保存
        mem[0] = regfile[3];
    end
endmodule

このコードでは、レジスタファイルとメモリをシミュレーションします。

初期ブロックでは、レジスタ1とレジスタ2にそれぞれ値10と20を設定し、それらを加算した結果をレジスタ3に保存します。

その後、メモリのアドレス0にレジスタ3の値が保存されます。

このように、レジスタとメモリを扱い、簡単な算術操作を実行することで、MIPSアーキテクチャの基本的な操作を理解することができます。

●注意点と対処法

プログラミングは、慎重さと注意深さを必要とするタスクであり、特にハードウェア記述言語のVerilogやMIPSのような低レベルの言語ではなおさらです。

これらの言語は、コンピューターアーキテクチャの深層を操作するため、誤った使用は思わぬ結果をもたらす可能性があります。

○Verilogの注意点

Verilogでは、変数の型と範囲を明確に定義することが重要です。

ビット幅を超える値を代入した場合や、未定義の変数を使用した場合にはエラーが発生します。

また、ブロック内で初期化されない変数は、未定義の状態になり、その値は0でも1でもない”X”と表示されます。

○MIPSの注意点

MIPSでは、特定の命令が特定のレジスタを期待している場合があります。

たとえば、システムコール命令はv0レジスタの値を見て、どのサービスを呼び出すかを決定します。

そのため、レジスタの役割と命令セットを理解することが重要です。

●VerilogとMIPSのカスタマイズ方法

VerilogとMIPSを使用して、より複雑なプログラムを記述するためには、基本的な概念を理解した上で、それらを拡張する方法を学ぶことが重要です。

○Verilogのカスタマイズ方法

Verilogは、モジュールの概念を用いて複雑なハードウェアシステムをモデル化します。

一連のレジスタ、ワイヤ、ゲートを含むモジュールを定義し、それを別のモジュール内でインスタンス化することで、大規模なハードウェア設計を実現できます。

○MIPSのカスタマイズ方法

MIPSでは、手続き呼び出し規約を理解することで、関数や手続きを効果的に使用することができます。

これには、引数のパス方法、返り値の扱い方、レジスタの保存方法などが含まれます。

まとめ

この記事では、Verilogを使ったMIPSプログラミングの基本的な概念を説明し、10のサンプルコードを通じて具体的な実装方法を表しました。

これらの基本的な概念と実装方法を理解すれば、初心者でもVerilogとMIPSを使って基本的なプログラムを作成することが可能になります。

また、この知識を基に、より複雑なプログラムを作成するためのスキルも身につけることができるでしょう。

ハードウェア記述言語の一つであるVerilogと、低レベルのアーキテクチャ言語であるMIPSを理解することで、コンピュータの動作の基本を理解し、より高度なプログラミングスキルを磨くための基礎を築くことができます。