Verilog初心者必見!defparamの使い方を一挙10パターン公開 – JPSM

Verilog初心者必見!defparamの使い方を一挙10パターン公開

Verilogとdefparamの使用方法とサンプルコードを含む教材Verilog

 

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はじめに

デジタル設計において、複雑なハードウェア記述言語を扱う能力は、プログラマーにとって不可欠なスキルです。

その中でも、Verilogとdefparamは重要な要素です。今回はこれらの概念を初心者でも理解できるように10のステップで徹底解説します。

具体的なコード例を通じて、基本から応用までを学びましょう。

●Verilogとは

Verilogは、デジタル設計とハードウェア記述に使用されるプログラミング言語です。

組込みシステムやFPGAなど、ハードウェアを制御するために使用され、電子機器の内部動作をシミュレートし、設計することが可能です。

また、回路設計の抽象度を高く保ちつつ、設計者が具体的な回路構造を定義できるのが特徴です。

●defparamとは

defparamはVerilogにおけるキーワードで、モジュールのパラメータ値を変更するために使用されます。

基本的には、一度定義されたパラメータ値は変更できませんが、defparamを使用することでその制限を超え、柔軟な設計が可能になります。

●Verilogの基本的な使い方

Verilogでは、モジュールという単位でデジタル回路を設計します。

モジュールは独立した機能を持つ回路の部品として考えることができ、これらを組み合わせてより複雑なシステムを構築します。

○サンプルコード1:基本的なモジュールの作成

このコードでは、Verilogを使って基本的なANDゲートを作成するコードを紹介しています。

この例では、入力信号を2つと出力信号を1つ持つモジュールを定義しています。

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

このコードはANDゲートを表現する簡単なモジュールです。

入力’a’と’b’が両方とも高レベル(‘1’)のときにのみ、出力’y’が高レベルになります。

それ以外の場合、出力は低レベル(‘0’)になります。

●defparamの基本的な使い方

defparamを使用すると、一度定義されたモジュールのパラメータ値を変更することができます。

これにより、同一のモジュールを異なるパラメータで何度も使用することが可能になります。

○サンプルコード2:パラメータ値の上書き

このコードでは、defparamを使ってパラメータ値を変更するコードを紹介しています。

この例では、初期定義のパラメータを上書きしています。

module SHIFT(input wire [7:0] a, output wire [7:0] y);
parameter shift_amount = 1;
assign y = a << shift_amount;
endmodule

module TOP;
wire [7:0] a;
wire [7:0] y;
SHIFT shift_inst(.a(a), .y(y));
defparam shift_inst.shift_amount = 3;
endmodule

このコードでは、’SHIFT’というモジュールが定義されています。

このモジュールでは、8ビットの入力信号’a’をパラメータ’shift_amount’だけ左シフトする動作をしています。

そして、’TOP’というモジュール内で、’SHIFT’のインスタンス’shift_inst’のパラメータ’shift_amount’を3に変更しています。

その結果、このシフトモジュールは入力信号を3ビット左シフトする動作を行います。

●Verilogでのモジュール呼び出し

Verilogでは、一度定義したモジュールは他のモジュールから呼び出すことができます。

これにより、複数のモジュールを組み合わせて、より複雑なデジタル回路を構築することが可能になります。

○サンプルコード3:モジュールのインスタンス化

このコードでは、Verilogでモジュールを呼び出し、インスタンス化するコードを紹介しています。

この例では、前のコードで作成したAND_GATEモジュールをインスタンス化しています。

module TESTBENCH;
reg a, b;
wire y;
AND_GATE and1(.a(a), .b(b), .y(y));
initial begin
  $monitor("a=%b, b=%b, y=%b", a, b, y);
  #10 a=0; b=0;
  #10 a=0; b=1;
  #10 a=1; b=0;
  #10 a=1; b=1;
  #10 $finish;
end
endmodule

このコードでは、’TESTBENCH’というモジュール内でAND_GATEのインスタンス’and1’を作成しています。

入力’a’と’b’は’reg’型で定義され、出力’y’は’wire’型で定義されています。

その後、’initial’ブロック内で’a’と’b’の値を変更し、AND_GATEの出力’y’をモニタリングします。

これにより、AND_GATEの動作を確認することができます。

●defparamを使用したカスタマイズ方法

defparamは、モジュールのパラメータを動的に変更することが可能にします。

これにより、一度定義したモジュールを、パラメータだけを変えて複数回再利用することができます。

これは、設計の再利用性を高め、効率的なハードウェア設計を可能にします。

○サンプルコード4:動的なパラメータ値の変更

このコードでは、defparamを用いてパラメータ値を動的に変更するコードを紹介しています。

この例では、SHIFTモジュールのパラメータ’shift_amount’の値を変更しています。

module TESTBENCH;
reg [7:0] a;
wire [7:0] y1, y2;
SHIFT shift1(.a(a), .y(y1));
SHIFT shift2(.a(a), .y(y2));
defparam shift1.shift_amount = 2;
defparam shift2.shift_amount = 4;
initial begin
  $monitor("a=%b, y1=%b, y2=%b", a, y1, y2);
  #10 a = 8'b00001111;
  #10 $finish;
end
endmodule

このコードでは、’TESTBENCH’というモジュール内で’SHIFT’のインスタンス’shift1’と’shift2’を作成しています。

そして、それぞれのパラメータ’shift_amount’を2と4に設定しています。

これにより、同じシフトモジュールをパラメータだけを変えて再利用しています。

●Verilogとdefparamの応用例

以上で紹介したVerilogとdefparamの基本的な使い方を理解したら、次はこれらを応用した例を見てみましょう。

具体的には、これらの技術を使用して高度なデジタル回路を設計することが可能になります。

○サンプルコード5:高度なデジタル回路の設計

このコードでは、Verilogとdefparamを使って、ビット幅可変のシフトレジスタを設計するコードを紹介しています。

この例では、シフトレジスタのビット幅とシフト量をパラメータとして定義し、それぞれを動的に変更しています。

module SHIFT_REG #(parameter WIDTH = 8, SHIFT = 1)(input wire [WIDTH-1:0] a, output wire [WIDTH-1:0] y);
assign y = a << SHIFT;
endmodule

module TESTBENCH;
reg [15:0] a;
wire [15:0] y1, y2;
SHIFT_REG #(16, 2) shift1(.a(a), .y(y1));
SHIFT_REG #(16, 4) shift2(.a(a), .y(y2));
initial begin
  $monitor("a=%h, y1=%h, y2=%h", a, y1, y2);
  #10 a = 16'h1234;
  #10 $finish;
end
endmodule

このコードでは、’SHIFT_REG’というパラメータ化されたモジュールが定義されています。

このモジュールは入力信号’a’をシフトする動作を行いますが、そのビット幅とシフト量はパラメータで指定可能です。

そして、’TESTBENCH’というモジュール内で、この’SHIFT_REG’を異なるパラメータで二つインスタンス化しています。

●注意点と対策

以上で述べたように、Verilogとdefparamを適切に使用することで、柔軟かつ効率的なデジタル回路設計が可能です。

しかし、それらを使用する上でいくつか注意する点があります。

一つは、defparamでパラメータを変更するとき、その変更が反映されるのは次のシミュレーションステップからという点です。

つまり、同じシミュレーションステップ内でパラメータを変更しても、その効果はすぐには現れません。

また、Verilogでは多くのシミュレーション環境で信号の遅延をシミュレートすることが可能ですが、これにより未初期化の信号が存在する時間が生じることがあります。

そのため、シミュレーションを始める際には、すべての信号を適切な値で初期化することが重要です。

さらに、Verilogで設計する際には、モジュール間で信号を共有することを避けることが推奨されます。

信号を共有すると、設計の再利用性が低下し、デバッグが困難になる可能性があります。

まとめ

この記事では、デジタル設計におけるVerilogとdefparamの基本的な使い方から応用例までを解説しました。

また、実際のコード例を交えて、これらの技術がどのように活用できるかを紹介しました。

これらの知識を活用すれば、初心者でも効率的なデジタル設計が可能になるでしょう。

また、上級者にとっても、defparamを使った設計の再利用性向上など、新たな設計の可能性を広げる手段となるでしょう。