初心者でも理解できる!Verilog合成の10ステップマスターガイド

Verilog合成の教科書となる10ステップガイドの表紙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合成の知識をゼロから始める初心者の皆さん、こんにちは。

本記事では、「初心者でも理解できる!Verilog合成の10ステップマスターガイド」として、Verilogとその合成について10のステップで解説します。

各ステップで詳細な説明と実際のサンプルコードを交え、実践的な理解を深めていきます。

それでは始めていきましょう。

●Verilogとは

Verilogは、デジタル回路設計とその検証に用いられるハードウェア記述言語の一つです。

より具体的には、電子機器の論理回路やマイクロプロセッサなどのデジタルシステムの設計に役立つ道具と言えます。

○Verilogの特性

Verilogはその柔軟性と効率性から多くのエンジニアに愛されています。

大規模な設計でも管理が容易で、設計と検証を一緒に行うことができるため、製品開発の時間を大幅に短縮することが可能です。

また、言語の特性として、構造的な記述と振る舞いの記述を組み合わせることができます。

○Verilogの歴史

Verilogは1984年にGateway Design Automationによって開発されました。

その後、半導体業界の標準として広く採用され、1995年にはIEEE標準となりました。以降も多くの改訂が行われ、現在に至っています。

●Verilogの基本構造

○データ型とその使い方

Verilogでは、主に次のようなデータ型が使用されます。

  1. ビットベクトル型(reg, wire)
  2. 整数型(integer)
  3. 実数型(real)

ビットベクトル型は、一連のビットを表現するために使用されます。

例えば、reg [3:0] r;とすると、4ビットのレジスタrを宣言することができます。

整数型は、C言語のintと同じく整数を表現します。実数型は、実数を表現します。

○演算子とその使い方

Verilogには様々な演算子が存在しますが、代表的なものは次の通りです。

  1. 算術演算子:+, -, *, /, %
  2. 論理演算子:&&, ||, !
  3. 比較演算子:==, !=, <, >, <=, >=

これらの演算子を使用して、Verilogでの演算を行うことができます。

●Verilog合成とは

合成とは、ハードウェア記述言語で記述された設計を具体的なハードウェア(ゲートレベルの回路)に変換するプロセスを指します。

Verilog合成とは、Verilogで記述されたデザインをゲートレベルの回路に変換することを意味します。

○合成の意味とプロセス

合成プロセスでは、Verilogのコードが一連の論理ゲート(AND、OR、NOTなど)とフリップフロップに変換されます。

このプロセスにより、デザインの動作が具体的なハードウェアレベルで実現されます。

●合成可能なVerilogコードの作り方

○基本的な構造の理解

Verilogの基本的な構造は、モジュールで構成されています。

モジュールは、Verilogのプログラムの最小単位で、ハードウェアの一部を表現します。

モジュール内には、入力・出力ポート、内部ワイヤ、内部レジスタ、それらを制御する振る舞い記述が含まれます。

○サンプルコード1:基本的な合成可能なコード

例えば、2つの入力をANDゲートで論理積を取る簡単なモジュールのVerilogコードです。

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

このコードでは、AndGateという名前のモジュールを作成しています。

input wire a, bとすることで、2つの入力ポートaとbを宣言しています。

また、output wire yとすることで、出力ポートyを宣言しています。

assign y = a & b;は、出力yに対して、入力aとbのAND演算の結果を代入することを示しています。

このコードを合成すると、2つの入力ポートと1つの出力ポートを持つANDゲートの回路が生成されます。

●Verilog合成の詳細な使い方

○サンプルコード2:合成プロセスを通じたモジュールの作成

次に、複雑なモジュールを作成するためのVerilogのサンプルコードを見てみましょう。

ここでは、1ビットの全加算器を設計する例を紹介します。

module FullAdder(input wire a, b, cin, output wire sum, cout);
  assign {cout, sum} = a + b + cin;
endmodule

このコードでは、FullAdderという名前のモジュールを作成しています。

入力ポートとしてa、b、cinを、出力ポートとしてsumとcoutを宣言しています。

assign {cout, sum} = a + b + cin;という記述は、a、b、cinの3つの入力に対して加算を行い、その結果をsum(和)とcout(桁上げ)にそれぞれ割り当てています。

このコードを合成すると、3つの入力ポートと2つの出力ポートを持つ1ビットの全加算器の回路が生成されます。

●Verilog合成の応用例

○サンプルコード3:複雑なデジタル回路の合成

複雑なデジタル回路の設計にもVerilogは利用できます。

8ビットのリップルキャリア加算器を設計するVerilogのサンプルコードを紹介します。

module RippleCarryAdder(input wire [7:0] a, b, input wire cin, output wire [7:0] sum, output wire cout);
  wire [7:0] c;
  FullAdder fa0 (.a(a[0]), .b(b[0]), .cin(cin), .sum(sum[0]), .cout(c[0]));
  genvar i;
  generate 
    for (i = 1; i < 8; i=i+1) begin : FA
      FullAdder fa (.a(a[i]), .b(b[i]), .cin(c[i-1]), .sum(sum[i]), .cout(c[i]));
    end
  endgenerate
  assign cout = c[7];
endmodule

このコードでは、まず、8ビットの入力ポートa、bと1ビットの入力ポートcinを宣言しています。

次に、8ビットの出力ポートsumと1ビットの出力ポートcoutを宣言しています。

内部的には、FullAdderモジュールを用いて、8ビットのリップルキャリア加算器を実装しています。

各ビット位置に対して、FullAdderをインスタンス化しています。

このコードを合成すると、8ビットのリップルキャリア加算器の回路が生成されます。

●Verilog合成の注意点と対処法

Verilog合成にはいくつかの注意点があります。

それらを理解し、適切に対処することで、より効率的な合成結果を得ることができます。

  1. まず、合成可能なVerilogコードと合成不可能なVerilogコードがあることを理解することが重要です。
    一般に、合成可能なVerilogコードは、ハードウェアとして実現可能な要素のみを含みます。
    一方、合成不可能なコードは、シミュレーションのための要素(例えば、時間の経過を表す#演算子など)を含むことが多いです。
  2. 次に、合成ツールによっては、Verilogの全ての機能をサポートしていない場合があります。
    特に、一部の高度な言語機能は、特定の合成ツールでしかサポートされていない可能性があります。
  3. 最後に、合成結果は合成ツールの設定に大きく依存します。
    最適化レベルやターゲットデバイスの選択など、合成ツールの設定を適切に行うことで、最良の合成結果を得ることができます。

これらの注意点を理解し、適切に対処することで、Verilog合成の利点を最大限に活用することができます。

●Verilog合成のカスタマイズ方法

○サンプルコード4:カスタマイズした合成プロセス

Verilog合成のプロセスは、ユーザの要求に応じてカスタマイズすることができます。

たとえば、特定のパフォーマンス目標を達成するために、合成ツールの設定をカスタマイズすることができます。

特定のクロック速度を達成するために、合成ツールの設定をカスタマイズした例を紹介します。

set create_clock -period 10 [get_ports clk] 
set_max_delay 15 -from [get_ports a] -to [get_ports sum]

このコードは、合成ツールの制約ファイルの一部です。

set_create_clock -period 10 [get_ports clk]という記述は、クロックポートclkの周期を10nsに設定しています。

set_max_delay 15 -from [get_ports a] -to [get_ports sum]という記述は、aポートからsumポートへの最大遅延を15nsに制限しています。

このように、合成ツールの設定をカスタマイズすることで、特定のパフォーマンス目標を達成する合成結果を得ることができます。

まとめ

本ガイドでは、Verilog合成の基本から応用、注意点、カスタマイズ方法までを解説しました。

Verilog合成は、ハードウェア設計のための強力なツールであり、その知識と技術は、デジタルシステムの設計者にとって不可欠です。

このガイドが、Verilog合成の理解と技術習得の一助となれば幸いです。