初心者でもわかる！Verilogでダウンカウンタを作成する7つのステップ

はじめに

Verilogでダウンカウンタを作成したいと思っている初心者の方へ、この記事はぴったりです。

Verilogを使ってダウンカウンタを作成する具体的な手順と、そのためのサンプルコードを一つ一つ丁寧に解説していきます。

基礎から応用まで、全てを詳細に解説しますので、初めての方でも安心して学んでいきましょう。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語の一つで、主にデジタル回路の設計や検証に使用されます。

ソフトウェアプログラミングとは異なり、ハードウェア記述言語は物理的なハードウェアの動作を記述します。

○Verilogの基本

Verilogでは、モジュールという単位で回路を設計します。

モジュールは、入力と出力を持ち、その間で行われる処理を記述します。

このモジュールを組み合わせて、より複雑な回路を設計することが可能です。

○ダウンカウンタとは

ダウンカウンタは、ある設定値から0まで順にカウントダウンするデジタル回路の一種です。

例えば、設定値が10の場合、ダウンカウンタは10から始まり、9, 8, 7, …とカウントダウンしていき、0になると再び設定値からカウントダウンを開始します。

●Verilogでのダウンカウンタの作成方法

○環境の準備

Verilogを使用するためには、シミュレータが必要です。

本記事では、オープンソースのシミュレータであるIcarus Verilogを使用します。

下記の手順でIcarus Verilogをインストールします。

sudo apt update
sudo apt install -y iverilog

上記のコマンドは、Ubuntuのパッケージ管理システムaptを使用してIcarus Verilogをインストールするコマンドです。

まず初めにパッケージリストを更新し、その後でIcarus Verilogをインストールします。

○コードの概要

ダウンカウンタを作成するためには、まずカウンタのモジュールを作成し、その後でテストベンチを作成して動作確認を行います。

テストベンチでは、ダウンカウンタが正しくカウントダウンしているかを確認します。

○サンプルコード1：ダウンカウンタのモジュール作成

まず、下記のコードでダウンカウンタのモジュールを作成します。

module down_counter(
    input wire clk,
    output reg [3:0] count
);
    always @(posedge clk) begin
        if(count > 0) begin
            count <= count - 1'b1;
        end else begin
            count <= 4'b1111;
        end
    end
endmodule

このコードでは、ダウンカウンタのモジュールを作成しています。

この例では、4ビットのダウンカウンタを作成し、クロックの立ち上がりエッジでカウントダウンします。

カウント値が0より大きい場合にはカウント値を1減らし、カウント値が0になった場合にはカウント値を15(4’b1111)に戻します。

○サンプルコード2：テストベンチの作成

次に、下記のコードでダウンカウンタのテストベンチを作成します。

module tb_down_counter();
    reg clk;
    wire [3:0] count;

    down_counter u0(
        .clk(clk),
        .count(count)
    );

    initial begin
        clk = 1'b0;
        forever #10 clk = ~clk;
    end

    initial begin
        $monitor("At time %d: count = %b", $time, count);
    end
endmodule

このコードでは、ダウンカウンタのテストベンチを作成しています。

この例では、10単位時間ごとにクロックを切り替え、ダウンカウンタの動作を確認します。

$monitor関数を使用して、カウント値が変わるたびにその値を表示します。

○コードの解説

それぞれのサンプルコードについて、詳細な解説を行います。

まず、ダウンカウンタのモジュールでは、入力としてクロック（clk）を受け取り、出力としてカウント値（count）を返します。

alwaysブロック内では、クロックの立ち上がりエッジ（posedge clk）をトリガーとして、カウント値の更新を行います。

カウント値が0より大きい場合、カウント値を1減らし（count <= count – 1’b1）、カウント値が0になった場合、カウント値を15にリセットします（count <= 4’b1111）。

次に、テストベンチでは、ダウンカウンタのモジュールをインスタンス化しています（down_counter u0）。

ここで、クロックとカウント値をダウンカウンタのモジュールに接続します。その後、initialブロック内でクロック信号を生成します。

ここでは、10単位時間ごとにクロック信号を切り替えることで、ダウンカウンタの動作をシミュレートしています。

また、別のinitialブロックでは、$monitor関数を使用して、シミュレーション時間とカウント値を監視し、表示します。

これらのコードを実行すると、ダウンカウンタが正しくカウントダウンする様子を確認できます。

●ダウンカウンタの応用例

ダウンカウンタはその単純な動作ながら、多様な応用例があります。

○サンプルコード3：複数のダウンカウンタの同時操作

Verilogでは、複数のダウンカウンタを同時に操作することも可能です。以下のコードはその一例です。

module multi_down_counter();
    reg clk;
    wire [3:0] count1, count2;

    down_counter u0(
        .clk(clk),
        .count(count1)
    );

    down_counter u1(
        .clk(clk),
        .count(count2)
    );

    initial begin
        clk = 1'b0;
        forever #10 clk = ~clk;
    end

    initial begin
        $monitor("At time %d: count1 = %b, count2 = %b", $time, count1, count2);
    end
endmodule

このコードでは、2つのダウンカウンタのモジュールを作成し、同じクロック信号によって両方を同時にカウントダウンさせています。

ここで、各ダウンカウンタのカウント値は別々に監視され、表示されます。

○サンプルコード4：動的なカウントダウンタイマー

ダウンカウンタを用いて、動的に時間を設定できるカウントダウンタイマーを作成することも可能です。

module dynamic_timer();
    reg clk;
    reg [3:0] set_time;
    wire [3:0] count;

    down_counter u0(
        .clk(clk),
        .set_time(set_time),
        .count(count)
    );

    initial begin
        clk = 1'b0;
        set_time = 4'b1010;  // Set timer to 10.
        forever #10 clk = ~clk;
    end

    initial begin
        $monitor("At time %d: count = %b", $time, count);
    end
endmodule

このコードでは、ダウンカウンタのモジュールに時間設定の入力（set_time）を追加し、その値に基づいてカウントダウンを開始します。

ここでは、set_timeに10を設定して10からカウントダウンするタイマーを作成しています。

●注意点と対処法

Verilogでダウンカウンタを作成する際にはいくつか注意点が存在します。

それらについて詳しく見ていきましょう。

①カウンターがオーバーフローやアンダーフローを起こす可能性

ある一定のビット幅を持つカウンターは、その範囲を超える値を持つことはできません。

例えば、4ビットのダウンカウンタは0から15までの値しか持つことができません。

それ以上の値を持つことは不可能ですし、その範囲を超えるとアンダーフローやオーバーフローを引き起こす可能性があります。

この問題は、適切なリセット条件を設定することで解決可能です。

サンプルコードにおけるダウンカウンタのリセット条件は、カウント値が0になったときに15にリセットします。

これにより、カウンタのアンダーフローを防ぎます。

②クロック信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの違い

クロック信号は周期的に立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを繰り返しますが、その両方のエッジでカウンタの値を更新すると、期待しない結果を引き起こす可能性があります。

クロックの立ち上がりエッジでのみカウンタを更新するように注意することが重要です。

この問題は、クロック信号の立ち上がりエッジ（posedge）でのみカウンタの更新をトリガするように設定することで解決します。

サンプルコードでは、’always @(posedge clk)’ を使用してこれを実現しています。

③合成可能なコードの記述

Verilogでは、論理合成を可能にするために、ある一定のルールを守る必要があります。

例えば、合成可能なコードでは、非同期リセットや非同期セットは推奨されません。

また、ループや浮動小数点数などの構造も避ける必要があります。

サンプルコードでは、このような問題を回避するために、基本的な構文と合成可能なコードのみを使用しています。

●カスタマイズ方法

○サンプルコード5：カウント値の変更

ダウンカウンタのカウント値を変更するには、ダウンカウンタのモジュールでリセット条件を変更します。

下記のコードは、カウント値が0になったときに7にリセットするダウンカウンタの一例です。

module down_counter (
    input wire clk,
    output reg [2:0] count
);
    always @(posedge clk) begin
        if (count == 0) begin
            count <= 3'b111;  // Reset to 7.
        end else begin
            count <= count - 1'b1;
        end
    end
endmodule

このコードでは、3ビットのダウンカウンタを使って0から7までのカウントを行います。

この例では、countが0になったときにリセット値を7（3’b111）に設定しています。

このコードを実行すると、ダウンカウンタは0から7までの値を持つようになり、カウントダウンが7から始まり、0に到達したときに再び7にリセットされます。

○サンプルコード6：カウント速度の調整

ダウンカウンタのカウント速度を調整するには、クロック信号の周期を変更します。

下記のコードは、クロック信号の周期を20単位時間に設定する一例です。

module testbench();
    reg clk;
    wire [3:0] count;

    down_counter u0(
        .clk(clk),
        .count(count)
    );

    initial begin
        clk = 1'b0;
        forever #20 clk = ~clk;  // Change clock period to 20 time units.
    end

    initial begin
        $monitor("At time %d: count = %b", $time, count);
    end
endmodule

このコードでは、’forever #20 clk = ~clk;’ を使用して、クロック信号の周期を20単位時間に設定しています。

このコードを実行すると、ダウンカウンタのカウント速度が半分になり、それぞれのカウント値が2倍の時間継続するようになります。

まとめ

Verilogでダウンカウンタを作成する方法は、基本的なVerilogの知識と、ダウンカウンタの基本的な原理を理解すれば容易です。

また、ダウンカウンタはその単純な動作から、多種多様な応用が可能であり、複雑なデジタルシステムを構築する際の重要な要素です。

この記事では、Verilogでダウンカウンタを作成する手順、そのカスタマイズ方法、そして注意点を詳しく解説しました。

初心者の方もこれらの知識をもとに、自分自身でダウンカウンタを作成し、その応用にチャレンジすることができるでしょう。

Verilogの学習は、ダウンカウンタの作成から始めることで、より深い理解を得られるでしょう。

何事も最初は難しいものですが、手を動かしながら学習を進めていけば、必ず理解できるようになります。

それでは、ダウンカウンタの作成に挑戦し、プログラミングの世界をさらに深く探求していきましょう。