Verilogで作る！電卓の基本から応用までを理解する7つのステップ

Verilogで作る電卓のサンプルコードと説明Verilog
2023.08.04
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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カスタムコードを使って機能追加、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

こんにちは、Verilogで電卓を作りたいと思っているあなたへ。

この記事では、初心者でも理解できるようにVerilogで電卓を作る方法を7つのステップで解説します。

基本から応用まで詳しく説明し、サンプルコードを使って具体的に学びましょう。

それでは、一緒に学び進めていきましょう。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語（HDL）の一種で、主にデジタル回路の設計に使用されます。

Verilogの特徴はその柔軟性で、簡単なロジックから高度なマイクロプロセッサまで、幅広いデジタルシステムを記述することが可能です。

また、Verilogはシミュレーションと合成の両方をサポートしているため、設計と検証のプロセスが一体化されています。

●電卓とVerilog

電卓は一見単純な機器に見えますが、内部的には非常に複雑な演算を行うことが必要な装置です。

Verilogを使って電卓を作ることは、複雑な問題を解決する能力を鍛えるのに最適なチャレンジと言えるでしょう。

この記事では、Verilogで電卓を作るためのステップをご紹介します。

●Verilogでの電卓の基本的な作り方

○基本的な電卓の機能

基本的な電卓には、四則演算（加算、減算、乗算、除算）を行う能力が必要です。

これらの機能を実現するためには、入力された数値と演算子を適切に解釈し、計算結果を出力するロジックを設計する必要があります。

○Verilogにおける基本的な演算

Verilogでは、基本的な演算は非常に直感的に記述することが可能です。

例えば、加算は「+」、減算は「-」、乗算は「*」、除算は「/」といったシンボルを使用します。

ただし、この時点で注意すべきは、Verilogでは除算の結果は常に切り捨てられるという点です。

○サンプルコード1：基本的な電卓

下記のサンプルコードでは、2つの入力値に対する加算を行う基本的な電卓を表しています。

入力は”input1″と”input2″、出力は”output”という名前の信号を使用しています。

演算はalwaysブロック内で行われ、入力値が変更されるたびに出力が更新されます。

module calculator(input [7:0] input1, input [7:0] input2, output reg [7:0] output);
  always @(input1 or input2) begin
    output = input1 + input2;
  end
endmodule

このコードでは、8ビットの入力値”input1″と”input2″を使って加算を行い、その結果を”output”に格納しています。

入力値が変わるたびに、alwaysブロック内のコードが実行され、新しい出力値が生成されます。

この例では、Verilogの基本的な演算と制御構造を使用しています。

●Verilogでの電卓の応用的な作り方

○応用的な電卓の機能

基本的な電卓の機能を超えて、より応用的な機能を持つ電卓を作る場合、例えば平方根の計算、指数計算、対数計算などの高度な演算を行う能力が求められます。

○Verilogにおける応用的な演算

Verilog自体は、上記の高度な演算を直接サポートしているわけではありません。

しかし、基本的な演算を組み合わせることでこれらの高度な演算を実装することが可能です。

それには、一連の基本的な演算を順番に適用し、求める結果を導き出すアルゴリズムを設計することが必要です。

○サンプルコード2：応用的な電卓

次のコードは、2つの入力値の乗算を行う応用的な電卓を表しています。

この例では、2つの入力値を乗算するためのロジックを設計し、その結果を出力します。

module advanced_calculator(input [7:0] input1, input [7:0] input2, output reg [15:0] output);
  always @(input1 or input2) begin
    output = input1 * input2;
  end
endmodule

このコードでは、8ビットの入力値”input1″と”input2″を使って乗算を行い、その結果を16ビットの”output”に格納しています。

なぜなら、2つの8ビット値を乗算すると結果は最大で16ビットになる可能性があるからです。

入力値が変わるたびに、alwaysブロック内のコードが実行され、新しい出力値が生成されます。

この例では、Verilogの基本的な演算と制御構造を使用して応用的な演算を行っています。

●Verilogで電卓を作る際の詳細な使い方と対処法

○詳細な使い方とサンプルコード3：詳細な使い方

次に、より詳細な使い方について解説します。

ここでは、四則演算だけでなく、余剰（モジュロ）演算も行う電卓を設計します。

余剰演算は「%」記号を使用します。

module detailed_calculator(input [7:0] input1, input [7:0] input2, output reg [7:0] output, input [2:0] op);
  always @(input1 or input2 or op) begin
    case (op)
      3'b000: output = input1 + input2;  // 加算
      3'b001: output = input1 - input2;  // 減算
      3'b010: output = input1 * input2;  // 乗算
      3'b011: output = input1 / input2;  // 除算
      3'b100: output = input1 % input2;  // 余剰演算
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、”op”という名前の3ビット入力を追加しています。

これは、どの種類の演算を行うかを決定します。それぞれの演算は、特定の”op”値に対応しています。

このようにして、Verilogを使って多機能電卓を実現することができます。

○詳細な対処法とサンプルコード4：詳細な対処法

次に、エラー処理について考えてみましょう。

例えば、0で除算するというエラーをどのように処理するかです。

次のコードでは、0での除算を検出し、その場合には出力を0とする対処法を示します。

module safe_calculator(input [7:0] input1, input [7:0] input2, output reg [7:0] output, input [2:0] op);
  always @(input1 or input2 or op) begin
    case (op)
      3'b000: output = input1 + input2;
      3'b001: output = input1 - input2;
      3'b010: output = input1 * input2;
      3'b011: if(input2 != 0) output = input1 / input2; else output = 0;  // 0除算対策
      3'b100: if(input2 != 0) output = input1 % input2; else output = 0;  // 0除算対策
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、除算と余剰演算を行う前に、”input2″が0でないことを確認しています。

もし”input2″が0であれば、出力は0に設定されます。

これにより、0での除算を回避しています。

●Verilogで電卓を作る際の詳細な注意点とカスタマイズ

○詳細な注意点とサンプルコード5：詳細な注意点

Verilogで電卓を作る際には、様々な注意点がありますが、その中でも特に重要なのがオーバーフローの対策です。

次のコードは、加算の結果が8ビットを超える場合に出力を最大値の255に制限する方法を示しています。

module overflow_calculator(input [7:0] input1, input [7:0] input2, output reg [7:0] output, input [2:0] op);
  always @(input1 or input2 or op) begin
    case (op)
      3'b000: output = (input1 + input2 > 255) ? 255 : input1 + input2;  // オーバーフロー対策
      3'b001: output = input1 - input2;
      3'b010: output = input1 * input2;
      3'b011: if(input2 != 0) output = input1 / input2; else output = 0;
      3'b100: if(input2 != 0) output = input1 % input2; else output = 0;
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、加算の結果が255を超える場合には、出力を255に制限しています。

このようにして、オーバーフローを防ぐことができます。

○詳細なカスタマイズとサンプルコード6：詳細なカスタマイズ

次に、電卓のカスタマイズについて考えてみましょう。

例えば、特定の計算結果を表示するためのLED表示を追加することができます。

module led_calculator(input [7:0] input1, input [7:0] input2, output reg [7:0] output, input [2:0] op, output reg [7:0] led);
  always @(input1 or input2 or op) begin
    case (op)
      3'b000: output = (input1 + input2 > 255) ? 255 : input1 + input2;
      3'b001: output = input1 - input2;
      3'b010: output = input1 * input2;
      3'b011: if(input2 != 0) output = input1 / input2; else output = 0;
      3'b100: if(input2 != 0) output = input1 % input2; else output = 0;
    endcase
    led = output;  // 出力をLEDに表示
  end
endmodule

このコードでは、電卓の出力を”led”という新たなレジスタにも出力しています。

これにより、出力をLEDで表示することができます。

まとめ

以上、Verilogを使って電卓を作る方法について7つのステップで解説しました。

この記事を通じて、基本的な電卓の作り方から応用的な作り方、さらに詳細な使い方や対処法、注意点やカスタマイズの方法まで、Verilogで電卓を作る際の全てを理解できたことと思います。

これらの知識を生かして、自分だけの電卓を作ってみてください。