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Verilogで順序回路を作る10の手順 – 初心者でも簡単に理解できる！

Verilogで順序回路を作成する手順のイラスト Verilog
2023.08.03
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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。

本記事の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ので、是非ご活用ください。

※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』を満たす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

デジタルロジック設計の世界では、順序回路が不可欠な役割を果たしています。

今回は、ハードウェア記述言語の一つであるVerilogを使用して順序回路を作成する手順について、初心者でも理解しやすい形で詳しく解説します。

理解から応用まで、一つひとつを丁寧に説明していきます。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語(HDL)の一つで、デジタルシステムの設計や検証を効率化するために用いられます。

その表現力と効率性から、プロのエンジニアから学生まで幅広い層に利用されています。

●順序回路とは

順序回路は、デジタルロジック設計の基本的な要素の一つで、現在の出力が過去の入力と現在の入力の両方に依存する特性を持つ回路です。

順序回路はその特性から、情報を保存したり前の状態に基づいた動作を制御することが可能で、例えばカウンターやレジスタなどとして使われます。

●Verilogでの順序回路の基本的な記述方法

Verilogで順序回路を表現する基本的な方法は、alwaysブロックとフリップフロップを用いることです。

Dフリップフロップを例に詳細に説明します。

○サンプルコード1：Dフリップフロップ

module DFF (input D, input CLK, output Q);
    always @(posedge CLK)
    begin
        Q <= D;
    end
endmodule

このコードではmoduleを使ってDフリップフロップを定義しています。

この例では、inputにDとCLK（クロック）が指定され、outputにQ（出力）が指定されています。

そして、always @(posedge CLK)でクロックの立ち上がりエッジを検出し、そのタイミングでDの値をQに代入します。

つまり、このコードはクロックの立ち上がりエッジのたびに、入力Dの値を出力Qに伝えるDフリップフロップを表現しています。

●順序回路の応用例

順序回路はさまざまなデジタルロジックデバイスの設計に活用されます。

ここでは、順序回路の応用例としてカウンターとシフトレジスタを取り上げます。

○サンプルコード2：カウンター

module counter(input CLK, output [3:0] Q);
    reg [3:0] count;

    always @(posedge CLK)
    begin
        count <= count + 1'b1;
    end

    assign Q = count;
endmodule

このコードでは、4ビットのカウンターを作成しています。

ここでは、reg [3:0] countで4ビットのレジスタcountを宣言し、always @(posedge CLK)でクロックの立ち上がりエッジを検出したときに、レジスタcountの値を1増加させています。

その結果を出力Qに代入することで、4ビットのカウンターを実現しています。

○サンプルコード3：シフトレジスタ

module shift_reg(input CLK, input D, output [3:0] Q);
    reg [3:0] shift;

    always @(posedge CLK)
    begin
        shift <= {shift[2:0], D};
    end

    assign Q = shift;
endmodule

このコードでは4ビットのシフトレジスタを作成しています。

シフトレジスタshiftの各ビットは、クロックの立ち上がりエッジごとに一つずつ右にシフトされ、新たな値Dが左端に挿入されます。

これにより、4ビットのシフトレジスタが実現されています。

●順序回路のテストベンチ作成

順序回路を正しく動作させるためには、設計した順序回路をテストすることが必要です。

テストベンチを作成することで、順序回路の振る舞いをシミュレートし、期待する動作をしているか確認できます。

下記のサンプルコードは、上で作成したDフリップフロップのテストベンチの例です。

○サンプルコード4：テストベンチの例

module testbench;
    reg D;
    reg CLK;
    wire Q;

    DFF dut(D, CLK, Q);

    initial
    begin
        CLK = 0;
        forever #10 CLK = ~CLK;
    end

    initial
    begin
        D = 0;
        #20 D = 1;
        #20 D = 0;
        #20 D = 1;
        #20 D = 0;
    end
endmodule

このコードでは、Dフリップフロップ（DFF）の動作をテストします。

初期状態ではDとCLKを0に設定しています。その後、CLKは10単位時間ごとに値が反転します。

また、Dの値は20単位時間ごとに0と1が切り替わるように設定されています。

これにより、Dフリップフロップが正しく動作するかを確認することができます。

●順序回路のシミュレーション

テストベンチを用いたシミュレーションにより、順序回路の動作確認を行うことができます。

シミュレーションはVerilogの開発環境であるEDAツールを使用して行います。

シミュレーションのサンプルコードを紹介します。

○サンプルコード5：シミュレーションの例

module testbench;
    reg D;
    reg CLK;
    wire Q;

    DFF dut(D, CLK, Q);

    initial
    begin
        CLK = 0;
        forever #10 CLK = ~CLK;
    end

    initial
    begin
        D = 0;
        #20 D = 1;
        #20 D = 0;
        #20 D = 1;
        #20 D = 0;
        #20 $finish;
    end
endmodule

このコードは先程のテストベンチに、シミュレーション終了を示す$finishを追加したものです。

ここではDの値が2回目に0に戻った後、20単位時間後にシミュレーションを終了します。

このようにシミュレーションを行うことで、設計した順序回路が期待した通りに動作するかを確認することができます。

●注意点と対処法

順序回路の設計においては、いくつか注意すべきポイントがあります。

具体的には、時刻制御とイベント制御、初期化の重要性、信号の立ち上がりと立ち下がりなどがあります。

○時刻制御とイベント制御

Verilogでは、時刻制御とイベント制御を用いて順序回路の動作を制御します。

時刻制御は絶対的な時間を指定することで動作を制御し、イベント制御は特定の条件（例えば、信号の変化）に基づいて動作を制御します。

○初期化の重要性

順序回路を設計する際には、レジスタの初期化が非常に重要です。

未初期化のレジスタが存在すると、予期しない動作を引き起こす可能性があります。

○信号の立ち上がりと立ち下がり

順序回路の動作は、クロック信号の立ち上がり（posedge）や立ち下がり（negedge）に同期することが多いです。

設計する際には、これらのエッジに注意しながら記述することが必要です。

●Verilogのコーディング規約

Verilogでの順序回路の設計においては、可読性と保守性を考慮したコーディング規約を遵守することが推奨されます。

特に、変数名はわかりやすく、モジュールは一つの機能に集中するように作成すること、コメントを積極的に活用してプログラムの理解を助けることが重要です。

まとめ

以上、初心者でも理解できるように、Verilogを用いて順序回路を作成する手順を解説しました。

これらの基本的な概念を理解し、サンプルコードを手本に自分で順序回路を作成してみることで、より深い理解と実践的なスキルを身につけることができます。

また、テストベンチを作成しシミュレーションを行うことで、設計した順序回路が正しく動作することを確認しましょう。

順序回路の設計はデジタルロジック設計の重要な部分であり、これらの知識を基にさらなる学習を進めていくことをお勧めします。