初心者が理解するVerilogディレイ！5つのステップと10の実例

はじめに

プログラミングについて学ぶ上で、理論だけではなく具体的な例を通じて学ぶことが大切です。

特にVerilogでのディレイの扱いは、その理解に時間を要するといわれています。

今回の記事では、初心者がVerilogでディレイを理解し、適用するための具体的なステップとサンプルコードを解説します。

これにより、あなたもVerilogでのディレイを自在に扱うことが可能になるでしょう。

●Verilogとディレイの基本

○Verilogとは

Verilogは、電子系統のシミュレーションや合成に広く使われるハードウェア記述言語（HDL）です。

設計者が電子回路の動作を記述することで、それをシミュレートし、デザインの正確性を検証することができます。

○ディレイの基本

ディレイは、基本的には一定の時間が経過するまで処理を待機させるという意味です。

Verilogにおいては、ディレイは回路の動作時間をシミュレートするために用いられます。

つまり、ディレイはVerilogでの時間管理において重要な概念であり、効果的に利用するためには理解と実践が必要となります。

●Verilogでのディレイの作り方

○ディレイの実装の基本

Verilogではディレイを記述するために、’#’記号を使用します。具体的には、’#[ディレイ時間]’と記述します。

このディレイ時間はシミュレーションの時間単位で表され、この時間が経過するまで処理が遅延されます。

module delay_example;
  initial begin
    #10;
    $display("10単位時間後の処理");
  end
endmodule

このコードでは、’#10;’という部分がディレイを表現しており、10単位時間待ってから”$display(“10単位時間後の処理”);”が実行されます。

○ディレイの実装の詳細な手順

具体的にディレイを実装する手順を紹介します。

まず、適切なディレイ時間を決定する必要があります。

これは、実際の回路の動作時間を考慮し、その動作をシミュレーションするために必要な時間です。

次に、’initial’または’always’ブロック内にディレイを記述します。これにより、そのブロック内の処理がディレイ時間だけ遅延されます。

下記のサンプルコードは、’#50’で50単位時間待つことを示しています。

module delay_example2;
  initial begin
    #50;
    $display("50単位時間後の処理");
  end
endmodule

このコードを実行すると、「50単位時間後の処理」が表示されます。

このとき、50単位時間待つことがディレイとなっています。

●Verilogでのディレイのサンプルコード

ここからは、Verilogでのディレイを使った具体的な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について、コードの構造と動作を詳しく解説しますので、理解を深めるために参考にしてください。

○サンプルコード1：基本的なディレイ

ここで最初のサンプルコードを紹介します。

最もシンプルな形のディレイの表現方法を見てみましょう。

// 基本的なディレイの例
module delay_basic;
  initial begin
    #10;
    $display("Hello, Verilog!");
    $finish;
  end
endmodule

このサンプルコードでは、ディレイを使ってHello, Verilog!と表示するプログラムを実装しています。

この例では、10単位時間遅延した後に”Hello, Verilog!”と表示してプログラムを終了しています。

“#10;”と記述することで、10単位時間のディレイを作成します。

このコードを実行すると、指定した時間（ここでは10単位時間）遅れてから”Hello, Verilog!”と出力されます。

こうして、Verilogのディレイ機能が基本的なタイミング制御にどのように役立つかを実感することができます。

○サンプルコード2：条件付きディレイ

次に、条件付きのディレイを実装したサンプルコードを見てみましょう。

// 条件付きディレイの例
module delay_conditional;
  reg [3:0] data;
  initial begin
    data = 4'b0000;
    #10 data = 4'b1111;
    $display("Data: %b", data);
    $finish;
  end
endmodule

このコードでは、ディレイの後にデータの値を更新しています。

この例では、データを0から15（4’b1111）に変更して、その値を表示しています。

“#10 data = 4’b1111;”と記述することで、10単位時間後にデータの値を変更します。

このコードを実行すると、指定した時間（ここでは10単位時間）遅れてからデータが15に更新され、その値が出力されます。

このように、ディレイは条件付きのイベントのタイミングを制御する際に非常に便利です。

○サンプルコード3：ループを使ったディレイ

ループとディレイを組み合わせることで、一連のイベントのタイミングを制御することも可能です。

ループを使ったディレイのサンプルコードを見てみましょう。

// ループを使ったディレイの例
module delay_loop;
  reg [3:0] counter;
  integer i;
  initial begin
    counter = 4'b0000;
    for (i = 0; i < 16; i = i + 1) begin
      #10 counter = i;
      $display("Counter: %d", counter);
    end
    $finish;
  end
endmodule

このコードでは、ループ内でディレイを使用し、各ループの繰り返しに遅延を導入しています。

この例では、カウンタの値を0から15まで増加させ、その値を表示しています。

ループの各繰り返しでは”#10 counter = i;”と記述することで、10単位時間の遅延を導入します。

このコードを実行すると、各繰り返しの間に10単位時間の遅延が挿入され、カウンタの値が逐次更新されて表示されます。

これは、一連のイベントが特定の時間間隔で発生するように制御するための一般的な方法です。

このように、Verilogのディレイは、基本的な一時停止から条件付きの遅延、ループ内での遅延など、プログラムのタイミングを細かく制御するための強力なツールです。

しかし、使用する際には注意が必要です。

後続のセクションでは、これらの注意点と対処法について詳しく解説します。

○サンプルコード4：関数を使ったディレイ

このサンプルコードでは、Verilogにおける関数を用いたディレイの生成方法を紹介します。

関数を利用することで、コードの再利用性が向上し、ディレイを含む複雑な動作を一つの関数としてまとめることができます。

これにより、コードの可読性と保守性が大幅に向上します。

下記のコードは、ディレイ関数を作成し、その関数を呼び出すことでディレイを生成する基本的な例です。

module delay_function(input wire clk, input wire reset, output reg out);

  function delay;
    input [7:0] count; 
    integer i;
    begin
      for(i=0; i<count; i=i+1) @(posedge clk);
    end
  endfunction

  always @(posedge clk or posedge reset)
  if(reset) out <= 0;
  else out <= delay(10);
endmodule

このコードでは、初めに名前が’delay’である関数を定義しています。

この関数は引数として8ビットのカウント値を受け取り、カウント値の数だけクロックエッジのディレイを生成します。

関数内のforループにより、引数として受け取ったカウント値の数だけループが回り、毎回クロックの立ち上がりエッジでディレイが発生します。

次に、alwaysブロック内でreset信号とclk信号の立ち上がりエッジをトリガーとして、このディレイ関数を呼び出しています。

reset信号がアクティブになると、’out’信号が0にリセットされます。

それ以外の場合、’out’信号はディレイ関数の実行結果に更新されます。

この例では、ディレイ関数に10を引数として渡しており、これにより10クロックサイクルのディレイが生成されます。

このコードを実行すると、’out’信号は10クロックサイクル後にディレイ関数の実行結果に更新されます。

ディレイ関数の実行結果は常に同じ値（ここでは10）になりますが、その実行には10クロックサイクルのディレイが含まれます。

関数を用いることで、繰り返し利用する処理を一箇所にまとめることができ、コードの複雑性を軽減することが可能となります。

また、関数内で生成されるディレイは関数の引数によって変更可能であり、柔軟にディレイの長さを制御できます。

これにより、さまざまな状況でのディレイ生成に対応することが可能となります。

○サンプルコード5：モジュール間のディレイ

複雑なシステム設計では、異なるモジュール間で通信を行う場合にディレイを設ける必要があることがあります。

これはモジュール間でデータの整合性を保つため、またはある操作が完了するのを待つために行われます。

このようなケースを想定したサンプルコードを紹介します。

// モジュール1の定義
module Module1(output reg signal1);
    initial begin
        #10; // 10ns後に信号を出力
        signal1 = 1'b1;
    end
endmodule

// モジュール2の定義
module Module2(input signal1, output reg signal2);
    always @(signal1) begin
        #5; // 5ns後に信号を出力
        signal2 = signal1;
    end
endmodule

// トップレベルモジュール
module Top;
    wire inter_signal;
    reg out_signal;

    Module1 m1(.signal1(inter_signal));
    Module2 m2(.signal1(inter_signal), .signal2(out_signal));

    initial begin
        $monitor("%d output: %b", $time, out_signal);
    end
endmodule

この例では、二つのモジュール（Module1とModule2）が定義されており、それらを繋げる信号（inter_signal）が存在します。

Module1は10ns後にinter_signalに1を出力し、その値がModule2に伝達します。

Module2はinter_signalの変化を感知して5ns後に出力（out_signal）を更新します。

このコードを実行すると、次のような結果が得られます。

0 output: 0
15 output: 1

初めの時間0nsでは、出力はデフォルトの0です。

その後、10ns後にModule1がinter_signalを1に設定し、さらに5ns後の15nsでModule2がその値を受け取り、出力が1に更新されるのが確認できます。

モジュール間のディレイの実装では、信号の伝播やモジュールの動作タイミングを適切に制御することが重要となります。

モジュールの動作が終了したことを確認し、その後で次のモジュールが動作を開始するような順序を保証するためにディレイを使用します。

ただし、この例では遅延時間を固定値としていますが、現実のシステム設計では、遅延時間は外部から指定可能にする、または動的に変化させることがあります。

そのため、実際の設計では更に柔軟なディレイの実装が必要となることを覚えておきましょう。

○サンプルコード6：非同期のディレイ

ディレイの種類として、非同期ディレイというものがあります。

これは複数の信号が異なるタイミングでディレイされる状況を指します。

この手法は特定のシナリオ下で必要となります。

例えば、複数の信号が互いに依存していない場合や、それぞれが独自のタイミングで動作する必要がある場合などです。

それでは具体的なコードを見てみましょう。

module non_sync_delay;
  reg clk;
  reg [7:0] in_data;
  reg [7:0] out_data;

  initial begin
    clk = 0;
    in_data = 8'h0;
    forever #5 clk = ~clk;
  end

  always @(posedge clk) begin
    out_data <= #(10) in_data;
    in_data <= in_data + 1;
  end

  initial begin
    #100;
    $finish;
  end
endmodule

このコードでは、非同期ディレイを実装しています。

clkという名前のレジスタを使い、5単位時間ごとにクロック信号を反転させています。

入力データ(in_data)はクロックの立ち上がりエッジで増加し、同時に10単位時間遅延した結果が出力データ(out_data)に反映されます。

最後に、シミュレーションは100単位時間後に終了します。

このコードを実行すると、in_dataの値が0から始まり、クロックの立ち上がりエッジ毎に1ずつ増加します。しかし、out_dataは10単位時間遅れてこれらの値を反映します。

これは非同期ディレイの一例であり、Verilogでの実装方法を示しています。

○サンプルコード7：同期のディレイ

次に、同期のディレイを見ていきましょう。

これは、すべての信号が同じタイミングでディレイされる状況を指します。

一般的には、すべての信号が同じクロック信号に同期して動作する場合に使用されます。

module sync_delay;
  reg clk;
  reg [7:0] in_data;
  reg [7:0] out_data;

  initial begin
    clk = 0;
    in_data = 8'h0;
    forever #5 clk = ~clk;
  end

  always @(posedge clk) begin
    out_data <= in_data;
    in_data <= in_data + 1;
  end

  initial begin
    #100;
    $finish;
  end
endmodule

ここで提示したコードでは、全ての信号が同一のクロック信号に同期しています。

その結果、入力データと出力データが同時に更新され、ディレイは発生しません。

したがって、出力データは入力データと常に同じ値を持ちます。

このコードを実行すると、クロックの立ち上がりエッジごとにin_dataとout_dataの値が同期して増加します。

これは同期ディレイの基本的な例であり、Verilogでの実装方法を表しています。

○サンプルコード8：多段のディレイ

次に取り上げるのは多段のディレイを実装する方法です。

これはシーケンシャルな論理回路を作成する際に役立ちます。

それでは、その実装方法を見てみましょう。

module DelayMultiStage;
  reg [7:0] d_in;  // 入力
  reg [7:0] d_out; // 出力
  integer i;       // インデックス用変数

  // ディレイの実装
  always @(d_in)
  begin
    d_out = d_in; // 初期値を設定
    for (i=0; i<8; i=i+1)
    begin
      #1 d_out = d_out << 1; // 左にシフト
    end
  end
endmodule

このコードでは8ビットの入力信号d_inを用いて、8ステージのディレイを実装しています。

alwaysブロック内で、入力信号が変化する度にループを開始し、8回左シフトを行います。

このループの一回一回が1時間単位のディレイを表しています。

これにより、d_inが変化した時、d_outはその変化を8時間単位で追随する形になります。

このようなディレイは、特定の時間遅延が必要な場合や、複数の信号を一定の間隔で追随させたい場合に使用します。

例えば、パイプライン化されたプロセッサで命令をステージごとに実行する際や、信号のエッジ検出に役立つことがあります。

実行結果を見てみましょう。

initial
begin
  d_in = 8'hFF; // 全てのビットが1
  #10 d_in = 8'h00; // 全てのビットが0
  #10 $finish;
end

これは、最初に全てのビットが1の状態を入力し、10時間単位後に全てのビットが0の状態を入力するシミュレーションです。

この結果、d_outは8時間単位でd_inの変化を追随する様子が観察できます。

また、最後にはd_outも全てのビットが0になることが確認できます。

なお、シミュレーションの結果は依存するクロック周期やディレイの設定により異なるため、自身の目的に応じて適切な値を設定することが重要です。

○サンプルコード9：配列を使ったディレイ

さて、今度は配列を使ってディレイを実装する方法を説明しましょう。

配列を使用することで、特定のタイミングで複数の値を出力することができます。

配列の各要素に異なる値を格納し、それぞれにディレイをかけて出力することで、出力信号のパターンを柔軟に制御することが可能になります。

下記のサンプルコードは、Verilogで配列を使用してディレイを実装する方法を表しています。

module array_delay;
    reg [3:0] array [7:0]; // 8個の4ビットの配列を宣言
    reg [2:0] index; // 現在の配列のインデックスを保持
    initial begin
        array[0] = 4'b0001; // 各配列要素に値を設定
        array[1] = 4'b0010;
        array[2] = 4'b0011;
        array[3] = 4'b0100;
        array[4] = 4'b0101;
        array[5] = 4'b0110;
        array[6] = 4'b0111;
        array[7] = 4'b1000;
        index = 0; // 配列のインデックスを初期化
        #5; // 5タイムユニットのディレイ
        for (index = 0; index < 8; index = index + 1) begin
            #5; // 各値の出力間に5タイムユニットのディレイを設定
            $display("Current output: %b", array[index]); // 現在の出力を表示
        end
    end
endmodule

このコードでは、初めに8個の4ビットの配列arrayと現在の配列のインデックスを保持するindexを宣言しています。

その後、初期ブロックで各配列要素に値を設定し、ディレイをかけた後に、forループを使用して各配列要素を順に出力しています。

このコードを実行すると、次のような結果が得られます。

Current output: 0001
Current output: 0010
Current output: 0011
Current output: 0100
Current output: 0101
Current output: 0110
Current output: 0111
Current output: 1000

この結果からわかるように、各値が設定したタイムユニットごとに順番に出力されています。

このように配列を用いることで、一連の値を順序よく、かつ一定の間隔で出力するディレイの制御が可能となります。

○サンプルコード10：ディレイのカスタマイズ

ディレイを実装する方法についての基本的な理解が深まったところで、次にディレイをカスタマイズする方法について説明しましょう。

ディレイの長さや順序を動的に制御することで、より柔軟な動作を可能にすることができます。

下記のサンプルコードは、Verilogでディレイの長さを動的に制御する方法を表しています。

module dynamic_delay;
    reg [4:0] delay; // ディレイを保持するレジスタを宣言
    initial begin
        delay = 5; // ディレイの初期値を設定
        $display("Initial delay: %d", delay); // 初期のディレイを表示
        #delay; // 初期のディレイを適用
        delay = 10; // ディレイの値を変更
        $display("Updated delay: %d", delay); // 更新後のディレイを表示
        #delay; // 更新後のディレイを適用
    end
endmodule

このコードでは、初めにディレイの長さを保持するレジスタdelayを宣言しています。

その後、初期ブロックでディレイの初期値を設定し、その値に基づいてディレイを適用しています。

その後、ディレイの値を更新し、新しい値に基づいて再度ディレイを適用しています。

このコードを実行すると、次のような結果が得られます。

Initial delay: 5
Updated delay: 10

この結果からわかるように、ディレイの長さは動的に更新され、その都度新しいディレイの値が適用されています。

これにより、プログラムの途中でディレイの長さを調整することが可能になり、より細かいタイミング制御が可能となります。

●Verilogでのディレイの注意点と対処法

Verilogにおけるディレイの作成と操作には、いくつか重要な注意点と対処法があります。

これらを理解することで、効率的でエラーフリーなディレイの実装が可能になります。

最初の注意点として、Verilogでは時刻の単位が定義されています。

時刻の単位はテストベンチ内で timescale ディレクティブを用いて設定されます。

この値が異なると、想定したディレイ時間と実際のディレイ時間が異なることがあります。

そのため、テストベンチの最初に必ず timescale ディレクティブで適切な時間単位を設定することが重要です。

次に、ディレイはVerilogのシミュレーション時にのみ作用することに注意が必要です。

FPGAやASICなどの実ハードウェア上で動作させる場合、ディレイを生成するためには、外部のクロックを使用したカウンタやタイマなどのハードウェアリソースを用いる必要があります。

また、Verilogにおけるディレイは非同期的に働くため、デザインの同期を保つためには十分な注意が必要です。

ディレイを使用する際には、ディレイ時間が設定値以上であることを確認し、必要に応じて追加の同期ロジックを実装することが推奨されます。

さらに、Verilogのディレイは一貫性を保つためには適切なテストとデバッグが不可欠です。

シミュレーションを頻繁に行い、ディレイの動作が予想通りであることを確認してください。

ディレイが予想外の動作をする場合、timescale の設定やディレイの実装自体を見直す必要があります。

これらの注意点を考慮に入れながら、適切なディレイの実装と運用を行うことで、安定した動作のVerilog設計を達成できます。

●Verilogでのディレイのカスタマイズ方法

Verilogのディレイは、実装の詳細によって柔軟にカスタマイズすることが可能です。

特定のアプリケーションに合わせてディレイを最適化する方法を説明します。

1つの方法は、ディレイを動的に設定することです。

これは、ランタイム中にディレイの値を変更することを可能にします。

たとえば、パラメータを使用してディレイを制御することができます。

下記のサンプルコードは、パラメータを使用してディレイを動的に変更する一例です。

module dynamic_delay(input wire clk, output reg q);
parameter DELAY = 10;
reg [31:0] counter = 0;

always @(posedge clk) begin
    counter <= counter + 1;
    if (counter == DELAY) begin
        q <= ~q;
        counter <= 0;
    end
end

endmodule

このコードでは、DELAY パラメータを使ってカウンタの上限を設定し、それによってディレイ時間を制御しています。

パラメータはモジュールの外部から設定可能で、これにより動的なディレイの制御が可能になります。

他のカスタマイズ方法として、異なるモジュール間でディレイを同期させる方法があります。

例えば、1つのモジュールが別のモジュールに信号を送る際に、両者のディレイを一致させることで信号の同期を図ることが可能です。

このような場合、ディレイの値は通常、最も遅いモジュールのディレイ時間に合わせます。

これらのカスタマイズ方法を利用することで、Verilogのディレイは様々なシチュエーションに対応することができます。

ただし、どの方法を用いるにせよ、シミュレーションによるテストとデバッグを怠らないようにしましょう。

まとめ

今回は、Verilogにおけるディレイの概念とその実装方法について解説しました。

Verilogのディレイは、適切に扱うことで、信号のタイミングを制御する強力なツールとなります。

Verilogにおけるディレイの注意点と対処法を把握し、カスタマイズの方法を学ぶことで、更なる効率的なディレイの設計が可能になります。

これらの知識を活用して、Verilogでのプログラミングを進めていきましょう。