初心者必見！Verilogの論理演算子の使い方と応用例8選

はじめに

Verilogというプログラミング言語をご存知でしょうか。

電子回路の設計や検証に使われるハードウェア記述言語（HDL）であり、FPGAやASICの設計などに幅広く活用されています。

この記事では、そんなVerilogの基本的な構成要素である論理演算子の使い方とその応用例について、初心者でも理解できるように詳しく解説します。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語と呼ばれるものの一種で、実際のハードウェアの振る舞いをシミュレートするためのプログラミング言語です。

○Verilogの特徴

Verilogの特徴は、高レベルな抽象化を可能とし、大規模なデジタルシステムの設計と検証を効率的に行えることです。

複雑なデジタルシステムでも、コードで表現することでその動作を理解しやすくすることができます。

●Verilogの論理演算子とは

Verilogでは、一般的なプログラミング言語と同様に、複数のデータに対する論理操作を行うための論理演算子が提供されています。

ここでは、その中でも基本的な論理演算子であるAND、OR、XOR、NOTについて解説します。

○AND論理演算子

VerilogにおけるAND論理演算子は、「&」で表されます。

この演算子は、すべての入力が1（真）のときにのみ1を出力し、それ以外の場合は0（偽）を出力します。

○OR論理演算子

VerilogにおけるOR論理演算子は、「|」で表されます。

この演算子は、少なくとも一つの入力が1のときに1を出力し、すべての入力が0の場合にのみ0を出力します。

○XOR論理演算子

VerilogにおけるXOR論理演算子は、「^」で表されます。

この演算子は、入力された値が奇数個だけ1であるときに1を出力し、それ以外の場合（すなわち、入力が全て0か偶数個の1）は0を出力します。

○NOT論理演算子

VerilogにおけるNOT論理演算子は、「~」で表されます。

この演算子は、単一の入力値を反転する演算子で、1の入力に対しては0を、0の入力に対しては1を出力します。

●論理演算子の使い方

Verilogで論理演算子を使うことにより、ビット演算が可能となります。

これにより、信号のONとOFF、あるいは1と0の判断を行うことができます。

具体的な使い方としては、次の論理演算子の説明を参考にしてください。

○サンプルコード1：AND演算子の使用例

VerilogのAND演算子は、「&」を使います。

2つの入力が共に1のときにのみ出力が1となることが特徴です。

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

上記のコードでは、’a’と’b’の2つの信号をAND演算子(&)で結合し、出力’y’に代入しています。

これにより、’a’と’b’が両方とも1のときのみ’y’が1となる回路を表現しています。

○サンプルコード2：OR演算子の使用例

VerilogのOR演算子は、「|」を使用します。

2つの入力のうち少なくとも1つが1であれば、出力が1となります。

module or_operator(input wire a, input wire b, output wire y);
  assign y = a | b;
endmodule

上記のコードでは、入力信号’a’と’b’をOR演算子(‘|’)で結合し、その結果を出力信号’y’に代入しています。

これにより、’a’か’b’のどちらか一方が1であれば、’y’が1となる回路を表現しています。

○サンプルコード3：XOR演算子の使用例

VerilogのXOR演算子は、「^」を使用します。

2つの入力が異なる値のときにのみ、出力が1となります。

module xor_operator(input wire a, input wire b, output wire y);
  assign y = a ^ b;
endmodule

上記のコードでは、入力信号’a’と’b’をXOR演算子(‘^’)で結合し、その結果を出力信号’y’に代入しています。

これにより、’a’と’b’が異なる値であれば、’y’が1となる回路を表現しています。

○サンプルコード4：NOT演算子の使用例

VerilogのNOT演算子は、「~」を使用します。

入力が1であれば0、0であれば1を出力します。以下にNOT演算子の使用例を示します。

module not_operator(input wire a, output wire y);
  assign y = ~a;
endmodule

上記のコードでは、入力信号’a’にNOT演算子(‘~’)を適用し、その結果を出力信号’y’に代入しています。

これにより、’a’が1であれば’y’が0、’a’が0であれば’y’が1となる回路を表現しています。

●論理演算子の応用例

Verilogの論理演算子の魅力は、それらを組み合わせてより複雑な論理を表現できる点にあります。

ここでは、実際の応用例として、複数の論理演算子を組み合わせた設計や特定の論理回路の設計を取り上げます。

○サンプルコード5：複数の演算子を組み合わせた例

まずは複数の論理演算子を組み合わせてみましょう。

このコードではAND, OR, NOT演算子を使用しています。

module logic_operators(input wire a, b, c, output wire y);
  assign y = (a & b) | ~c;
endmodule

この例では、入力aとbのAND演算の結果を入力cのNOT演算の結果とOR演算しています。

aとbが共に1のとき、またはcが0のときに出力yは1になります。それ以外の場合は0になります。

○サンプルコード6：組み合わせ論理回路の設計例

次に、組み合わせ論理回路の設計例を見てみましょう。

これは、特定の入力パターンに応じて出力を変化させる回路です。

下記のコードは3入力ANDゲートの設計例です。

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

このコードでは、入力a、b、cすべてが1のときだけ出力yが1になります。

それ以外の場合は0になります。

このような形で、複数の入力を1つの出力に結連することが可能です。

○サンプルコード7：順序回路の設計例

次に、順序回路の設計例を見てみましょう。

順序回路は、入力だけでなく過去の状態にも依存する回路です。ここではDフリップフロップを設計してみます。

module d_flip_flop(input wire d, clk, reset, output reg q);
  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) q <= 0;
    else q <= d;
  end
endmodule

このコードでは、リセット信号が1のときにqを0にリセットします。

それ以外の場合は、クロックの立ち上がりエッジでdの値をqにセットします。

このようなフリップフロップは、メモリ要素やカウンタなどの基本的な要素として広く使用されます。

○サンプルコード8：デコーダの設計例

最後に、デコーダの設計例を見てみましょう。

デコーダは、入力を特定の出力にマッピングする回路です。ここでは2入力4出力のデコーダを設計してみます。

module decoder2x4(input wire [1:0] a, output wire [3:0] y);
  assign y = 4'b0001 << a;
endmodule

このコードでは、2ビットの入力aに対して4ビットの出力yを生成しています。

例えば、aが2進数で00のときはyは0001、01のときは0010、10のときは0100、11のときは1000となります。

このようなデコーダは、多数の制御信号を効率的に生成するために使用されます。

●注意点と対処法

論理演算子を用いたVerilogの設計にあたっては、いくつか注意すべき点があります。

これらに注意しながら、上手に論理演算子を使用して設計を進めていきましょう。

まず、一番重要な注意点は、Verilogの論理演算子が、ビット単位で働くということです。

ビットベクトルに対して論理演算を行う際、演算は各ビットに対して個別に行われます。

この特性を表す簡単なサンプルコードを紹介します。

module main;
  reg [3:0] a;
  reg [3:0] b;
  reg [3:0] c;

  initial begin
    a = 4'b1010;
    b = 4'b0111;
    c = a & b;  // AND論理演算
    $display(c);
  end
endmodule

このコードでは、4ビットのビットベクトルaとbに対してAND演算を行っています。

結果のcは、各ビットごとのAND演算結果を表しています。実行すると、出力は「4’b0010」になります。

次に注意すべき点は、Verilogの論理演算子は、一部の場合に未定義の値（X）や高インピーダンス（Z）を出力することがあります。

これらの値は、シミュレーションやハードウェア記述で特別な意味を持つため、意図しない挙動を引き起こす可能性があります。

例えば、AND演算子を用いて次のようなコードを書いた場合を考えてみましょう。

module main;
  reg a;
  reg b;
  reg c;

  initial begin
    a = 1'b0;
    b = 1'bz;  // 高インピーダンス状態
    c = a & b;  // AND論理演算
    $display(c);
  end
endmodule

このコードでは、bが高インピーダンス状態（Z）を表しています。

AND演算の結果cは、aとbの両方が1のときのみ1となるはずですが、bがZのため、出力cも未定義（X）となります。

これは、Verilogの論理演算子が4値論理（0, 1, X, Z）をサポートしているためです。

こうした状況を避けるためには、可能な限り未定義の値や高インピーダンスの状態を避けるような設計を心掛けることが重要です。

最後に、論理演算子の順序にも注意が必要です。

Verilogでは、複数の論理演算子を連結して使用する場合、その評価順序が定義されています。

AND、OR、XORなどの演算子は左から順に評価されますが、NOT演算子は評価順序が異なるため注意が必要です。

例えば、「a & ~b」のように書かれた場合、まず「~b」が評価され、その結果がaとANDされます。

こうした規則を理解し、順序を適切に考慮した設計を行うことが重要です。