初心者でも分かる! Verilogでの同期リセットの使い方5選

Verilogでの同期リセットの使い方を学ぶ初心者向けのイラストVerilog
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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。

※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

本記事では、Verilogで同期リセットを使う方法について、初心者でも理解できるように分かりやすく解説します。

具体的なサンプルコードとその解説を交えて、同期リセットの基本から応用例、カスタマイズ例、そして注意点とその対処法までを詳しく解説します。

これらを押さえることで、Verilogでの設計スキルを向上させることが可能です。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語(HDL)の一つで、デジタル回路の設計や検証に広く使用されています。

シンプルで理解しやすい構文が特徴で、初心者にも学びやすい言語と言えます。

○Verilogの基本

Verilogでは、基本的にはデジタル回路の動作を記述します。

具体的には、各種デジタル素子や論理ゲートなどの動作をコードで表現し、それによって複雑なデジタル回路を設計します。

Verilogのコードはモジュールと呼ばれる単位で構成され、それぞれが特定の機能を持つことになります。

●同期リセットとは

同期リセットとは、クロック信号に同期して動作するリセットのことを指します。

これは、設計対象の回路を特定の初期状態に戻すために使用されます。

同期リセットは、非同期リセットと比べて設計が複雑になる一方で、タイミング問題を回避しやすいという利点があります。

○同期リセットの基本

同期リセットは、一般的にはリセット信号とクロック信号をANDゲートなどで組み合わせて生成します。

リセット信号がアクティブなとき(通常は高レベル)、クロックの立ち上がりエッジ(または立ち下がりエッジ)でリセットが実行され、回路が初期状態に戻ります。

リセット信号が非アクティブなとき(通常は低レベル)は、リセットは発生しません。

●同期リセットの使い方

それでは、具体的な同期リセットの使い方を5つのサンプルコードとともに解説します。

○サンプルコード1:基本的な同期リセット

ここでは、基本的な同期リセットを行うVerilogコードを紹介します。

この例では、クロック信号clkとリセット信号rstを使って、対象のレジスタregをリセットします。

module sync_reset(
    input wire clk,
    input wire rst,
    output reg reg
);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        reg <= 0;
    end else begin
        reg <= 1;
    end
end
endmodule

このコードでは、alwaysブロック内でクロックの立ち上がりエッジまたはリセット信号の立ち上がりエッドに反応します。

もしリセット信号が立ち上がったら(つまり、リセットが要求されたら)、対象のレジスタregを0にリセットします。

リセット信号がなければ、レジスタregを1にします。

このように、リセット信号により、回路の状態を明示的に初期状態に戻すことができます。

このコードを実行すると、リセット信号がアクティブになったタイミングで、レジスタregが0にリセットされます。

それ以外のタイミングでは、レジスタregは1を保持します。

○サンプルコード2:条件付き同期リセット

次に、条件付きの同期リセットを行うVerilogコードを紹介します。

この例では、ある条件が満たされたときだけリセットを行う、といった操作を行います。

ここでは、入力信号inが1であるときだけ、リセットを行うものとします。

module conditional_reset(
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire in,
    output reg reg
);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst && in) begin
        reg <= 0;
    end else begin
        reg <= 1;
    end
end
endmodule

このコードでは、alwaysブロック内で、リセット信号が立ち上がっている(リセットが要求されている)とき、さらに入力信号inが1のときだけレジスタregを0にリセットします。

リセット信号がない場合、または、リセット信号があっても入力信号inが0の場合は、レジスタregを1にします。

このコードを実行すると、リセット信号と入力信号inが共に1のときにのみ、レジスタregが0にリセットされます。

それ以外の場合では、レジスタregは1を保持します。

○サンプルコード3:複数の信号に対する同期リセット

複数の信号を一度にリセットするために同期リセットを使用する方法を紹介します。

同期リセットは単一の信号だけでなく、複数の信号に対しても適用可能です。

ここでは、3つの異なる信号(signal1、signal2、signal3)をリセットする例を見ていきましょう。

module sync_reset_example (
    input wire clk,
    input wire reset,
    output reg signal1,
    output reg signal2,
    output reg signal3
);

always @(posedge clk or posedge reset)
    if (reset)
        begin
        signal1 <= 0;
        signal2 <= 0;
        signal3 <= 0;
        end
    else
        begin
        signal1 <= /* 信号1の更新ロジック */;
        signal2 <= /* 信号2の更新ロジック */;
        signal3 <= /* 信号3の更新ロジック */;
        end
endmodule

このコードでは、クロック信号の立ち上がりエッジまたはリセット信号の立ち上がりエッジに応答して同期リセットを実行します。

リセット信号がアクティブな場合(つまり、リセット信号が高レベル)、signal1、signal2、signal3の全てが0にリセットされます。

これにより、信号群を一度に初期状態に戻すことが可能です。

その後、リセット信号が非アクティブになった時点で各信号の更新ロジックが実行されます。

具体的な更新ロジックは省略していますが、通常は次の状態の計算や入力に基づく値の更新など、信号に特有の操作が記述されます。

このような同期リセットの実装方法は、Verilogでのデザインにおいて広く利用されています。

特に、複数の信号が関連性を持つ場合や一貫した動作が必要な場合に有用です。

○サンプルコード4:同期リセットを使ったカウンターのリセット

次に、同期リセットを使ってカウンターをリセットする方法を紹介します。

カウンターは数え上げや数え下げを行うためのハードウェアコンポーネントで、タイマーやデータストリームの制御など、さまざまな用途で使用されます。

この例では、単純な上向きカウンターを用いて、同期リセットの具体的な使用例を示します。

module sync_reset_counter (
    input wire clk,
    input wire reset,
    output reg [3:0] counter
);

always @(posedge clk or posedge reset)
    if (reset)
        counter <= 4'b0000;
    else
        counter <= counter + 4'b0001;
endmodule

このコードでは、同期リセットが用いられて4ビットのカウンターをリセットしています。

リセット信号がアクティブになると、カウンターの値が0になります。

それ以外の場合(すなわち、クロックの立ち上がりエッジでリセットが非アクティブな場合)、カウンターの値は1ずつ増加します。

この同期リセットの機能を使うことで、カウンターを任意のタイミングでリセットし、再び0からカウントを開始することが可能になります。

このようなリセット機能は、タイマーやイベントカウンターなど、特定の条件が成立した時にカウンターを初期状態に戻す必要がある場合に役立ちます。

○サンプルコード5:同期リセットを使ったタイマーのリセット

次に、同期リセットを用いてタイマーをリセットする例を見てみましょう。

この例では、一定の周期でカウントアップするタイマーを作り、特定の条件下でそのカウント値をリセットする仕組みをVerilogで設計しています。

module timer_reset(
    input wire clk,
    input wire reset,
    output reg [7:0] counter
);

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset)
            counter <= 8'b0;
        else
            counter <= counter + 1;
    end

endmodule

このコードでは、clk信号の立ち上がりエッジとreset信号の立ち上がりエッジに同期してcounterが操作されます。

もしreset信号が立ち上がりエッジを検出した場合(つまりreset=1のとき)、counterは0にリセットされます。

そうでなければ(reset=0のとき)、clk信号の立ち上がりエッジごとにcounterが1ずつインクリメントされます。

次に、このコードを実行した場合の結果について説明します。

reset信号が1になると、タイマーの値が0にリセットされ、その後reset信号が0に戻ると、タイマーの値がclk信号の立ち上がりエッジごとに1ずつ増加します。

●同期リセットの応用例

このセクションでは、同期リセットの実際の応用例を2つ紹介します。

これらの例を通じて、同期リセットがどのように実際の回路設計で利用されるのかを理解していきましょう。

○応用例1:信号処理における同期リセット

同期リセットは、信号処理回路において非常に重要な役割を果たします。

例えば、信号のピーク検出器やフィルタなど、一部の信号処理回路では、特定の条件下で内部状態を初期化する必要があります。

これには、同期リセットを用いて、信号処理の結果が一定のしきい値を超えた場合や、特定のパターンが検出された場合などに、内部状態をリセットすることが一般的です。

ピーク検出器のサンプルコードを紹介します。

module peak_detector(
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire [7:0] signal_in,
    output reg [7:0] peak
);

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset)
            peak <= 8'b0;
        else if (signal_in > peak)
            peak <= signal_in;
    end

endmodule

このコードでは、入力信号signal_inが現在のピーク値よりも大きい場合、ピーク値が更新されます。

しかし、reset信号が立ち上がったときは、ピーク値が0にリセットされます。

これにより、新たなピーク値の探索が始まります。

○応用例2:データ通信における同期リセット

データ通信の分野でも、同期リセットの活用は非常に重要です。

データ通信では、データの送信や受信が不連続に行われるため、途中で何らかのエラーが発生した場合、システム全体をリセットする必要があります。

このような場合に、同期リセットを活用することで、安全かつ効率的にシステムをリセットすることが可能となります。

この次のサンプルコードでは、データ通信における同期リセットの使用例を表しています。

具体的には、送信エラーが発生した場合にシステムをリセットする例を見ていきましょう。

module data_communication(
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire [7:0] data_in,
    input wire tx_error,
    output wire [7:0] data_out
);
    reg [7:0] data_reg = 8'b0;

    // クロックエッジでリセットをチェック
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        // 送信エラーが発生した場合、リセット
        if (rst || tx_error) begin
            data_reg <= 8'b0;
        end else begin
            data_reg <= data_in;
        end
    end

    assign data_out = data_reg;
endmodule

コメントの中で説明すると、このコードは送信エラーtx_errorが発生した場合に、データレジスタdata_regをリセットするものです。

data_inが新たな入力データを指し、data_outがリセット後の出力データを表しています。

すなわち、tx_errorの真偽値によってdata_regの値がリセットされるか、新たなデータに更新されるかが決まります。

このコードの実行結果は、tx_errorが真(true)である場合、data_out8'b0となります。

それ以外の場合、data_inの値がそのままdata_outに出力されます。

つまり、送信エラーが発生しない限り、入力データはそのまま出力データとして伝播するのです。

このように、データ通信では送信エラーが発生した場合、そのエラーをリセット信号として活用し、データをリセットするという手法が一般的に使用されます。

これにより、システム全体の安定性を保ちながら、データの正確な送受信を行うことが可能となるのです。

次に、この応用例をより具体的に理解するために、このコードの簡易的なテストベンチを見てみましょう。

module tb_data_communication;
    reg clk;
    reg rst;
    reg [7:0] data_in;
    reg tx_error;
    wire [7:0] data_out;

    data_communication u1 (
        .clk(clk),
        .rst(rst),
        .data_in(data_in),
        .tx_error(tx_error),
        .data_out(data_out)
    );

    initial begin
        clk = 0;
        rst = 0;
        tx_error = 0;
        data_in = 8'hA5;

        #10 tx_error = 1;  // 送信エラーを発生させる
        #10 tx_error = 0;  // 送信エラーを解消
        #10 data_in = 8'h5A;  // 新たなデータを送信
    end

    always #5 clk = ~clk;  // クロック生成
endmodule

このテストベンチでは、初期値としてdata_in8'hA5を設定し、10単位時間後にtx_errorを1に設定して送信エラーを発生させ、さらに10単位時間後にtx_errorを0に設定して送信エラーを解消しています。

その後、新たなデータ8'h5Aを送信します。

この動作を通して、実際のデータ通信での同期リセットの動きを確認できます。

実行結果を確認すると、10単位時間でdata_out8'b0にリセットされ、その後tx_errorが0になるとともにdata_inの新たなデータがdata_outに出力されることが確認できます。

これらの例を通じて、データ通信における同期リセットの活用方法について理解いただけたと思います。

データ通信のシステム設計においては、同期リセットは不可欠な要素となりますので、ぜひ活用してみてください。

●注意点と対処法

初心者にとって、Verilogによる同期リセットの使用にあたり、いくつかの注意点が存在します。

その中でも特に重要な2つの注意点とその対処法をご紹介します。

○注意点1:リセット信号の扱いについて

まず一つ目の注意点はリセット信号の扱いについてです。

Verilogで同期リセットを使う際、リセット信号をどのように扱うかは非常に重要です。

リセット信号が不適切に設定されていると、意図しない挙動を引き起こすことがあります。

一般的に、リセット信号は、ハードウェアが一定の状態にリセットされるようにするための信号です。

これは、システムが正常な動作を開始できるように、あらかじめ定められた状態にするためのもので、例えば電源を入れたときや特定のエラー発生後などに使用されます。

リセット信号が高レベル(通常は’1’)に設定されると、システムはリセット状態に入ります。

これに対して、同期リセットの場合、リセット信号はクロック信号と同期して動作します。

つまり、クロック信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジに合わせてリセット信号が切り替わることで、システムはリセット状態に入ります。

しかし、リセット信号を適切に設定しないと、システムが不適切なタイミングでリセットされてしまい、予期しない動作を引き起こす可能性があります。

そのため、リセット信号の扱いには十分な注意が必要です。

○注意点2:リセット条件の設定について

二つ目の注意点はリセット条件の設定についてです。

リセット条件とは、システムがリセット状態に入る条件のことを指します。

これは、リセット信号が高レベルに設定される条件であり、この条件が満たされるとシステムはリセット状態に入ります。

リセット条件は、リセット信号と同様に、不適切に設定されるとシステムの動作に深刻な影響を及ぼす可能性があります。

例えば、リセット条件があまりにも広範囲に設定されていると、システムは不要なタイミングでリセットされてしまい、予期しない動作を引き起こす可能性があります。

そのため、リセット条件は、システムが安全に動作するための最低限の条件に限定することが推奨されます。

これにより、システムが適切なタイミングでリセットされ、安定した動作を保つことができます。

○対処法1:適切なリセット条件の設定方法

ここで、リセット条件を適切に設定するための対処法を一つ紹介します。

Verilogでは、リセット条件を”if”文を使用して設定することが可能です。

リセット条件を設定するサンプルコードを紹介します。

module reset_example(input wire clk, input wire reset, output reg [7:0] count);
  always @(posedge clk) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      // リセット条件が満たされたときの動作
      count <= 8'b0;
    end else begin
      // リセット条件が満たされなかったときの動作
      count <= count + 1;
    end
  end
endmodule

このコードでは、”reset”が1のとき(リセット条件が満たされたとき)に8ビットのカウンター”count”を0にリセットし、”reset”が0のとき(リセット条件が満たされなかったとき)にカウンターを1増加させるという動作を定義しています。

このように”if”文を使用することで、リセット条件を簡単に設定することができます。

○対処法2:安全なリセット信号の扱い方

リセット信号の安全な扱い方についての対処法も一つ紹介します。

リセット信号は、通常、システムの初期化に使われますが、信号の扱い方を誤ると予期せぬ挙動を引き起こす可能性があります。

そのため、リセット信号の扱い方には十分注意が必要です。

ここでは、リセット信号を安全に扱うためのVerilogのコーディング技法を紹介します。

具体的には、リセット信号をシステムのすべての部分で一貫して使うことが重要です。

下記のサンプルコードを見てみましょう。

module safe_reset(input wire clk, input wire reset, output reg [7:0] count);
  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
      // リセット信号が高レベルのときの動作
      count <= 8'b0;
    end else begin
      // リセット信号が低レベルのときの動作
      count <= count + 1;
    end
  end
endmodule

このコードでは、リセット信号が高レベルの場合にカウンターを0にリセットし、リセット信号が低レベルの場合にカウンターを1増加させるという動作を定義しています。

リセット信号はクロック信号と同じタイミングで監視され、その状態に応じてカウンターの動作が決定されます。

このように、リセット信号を全体的に一貫して使うことで、予期しないシステムの挙動を防ぐことが可能になります。

●カスタマイズ方法

Verilogでの同期リセットの使い方を学んだあとに挑戦したいのが、そのカスタマイズです。

ここでは、リセット信号のカスタマイズとリセット条件のカスタマイズの2つについて解説します。

○カスタマイズ方法1:リセット信号のカスタマイズ

基本的な同期リセットのコードで使われるリセット信号は単一の信号で、その高低でリセットを制御しています。

しかし、特定の条件下でのみリセットを行いたい、といった場合にはリセット信号自体をカスタマイズすることが有効です。

下記のコードは、リセット信号としてinput_aとinput_bの両方が高レベルである場合にのみリセットを行う例です。

module sync_reset (
  input clk,
  input input_a,
  input input_b,
  output reg [7:0] count
);

always @(posedge clk) begin
  if (input_a && input_b) begin
    count <= 8'b0;
  end else begin
    count <= count + 1;
  end
end

endmodule

このコードではinput_aとinput_bを使ってリセットを制御しています。

この例では両方が高レベルのときにカウンターがリセットされます。

実行結果としては、input_aとinput_bが両方とも高レベルになった瞬間、カウンターが0にリセットされます。

それ以外の時はカウンターが1ずつ増えていきます。

○カスタマイズ方法2:リセット条件のカスタマイズ

次にリセット条件をカスタマイズする例を表します。

ここでは、カウンターが一定の値に達したときに自動的にリセットされるようにします。

このようなカスタマイズは、特定の周期で自動的にリセットを行うタイマーなどに応用できます。

module sync_reset (
  input clk,
  output reg [7:0] count
);

always @(posedge clk) begin
  if (count == 8'b11111111) begin
    count <= 8'b0;
  end else begin
    count <= count + 1;
  end
end

endmodule

このコードではcountが8’b11111111(255)に達したときにリセットを行うようにしています。

つまり、カウンターが0から255までカウントしたら再び0に戻るという動作をします。

実行結果としては、カウンターが0から255まで増加し、255に達した瞬間に0にリセットされ、再びカウントが始まります。

まとめ

初心者でも分かるように、Verilogでの同期リセットの使い方について詳しく解説しました。

サンプルコードを通じて基本的な使い方から、応用例、注意点、そしてカスタマイズ方法までを解説しました。

これを通じてVerilogの基本を押ささえ、Verilogでの設計におけるスキルアップを図りましょう。

同期リセットは、ハードウェア設計における重要な要素です。

これを機に、同期リセットの理解と活用を深めてください。