初心者でもわかる!VerilogでのDon’t Careの詳細な活用法5選

VerilogのDon't Careを使ったプログラミングの解説記事 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

プログラミングにおいて、特定のケースで特にその値を問わないときに使用する「Don’t Care」という概念が存在します。

特にハードウェア記述言語の一つであるVerilogでは、Don’t Careを効果的に利用することで、より効率的で汎用性の高いコードを書くことが可能となります。

この記事では、VerilogでのDon’t Careの詳細な活用法を初心者向けに解説します。

●Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語(HDL)の一つであり、デジタルシステムを記述するために使用されます。

Verilogは広く利用されており、FPGAやASICなどの設計で一般的に使われています。

○基本構文とは

Verilogの基本構文はC言語に類似しています。

モジュールを作成し、その中に回路の動作を記述します。

具体的には、入力と出力、回路の内部状態を表すレジスタ等を定義し、それらがどのように変化するかを記述します。

○Verilogの特徴

Verilogの最大の特徴は、ハードウェアとソフトウェアの両方を記述できることです。

Verilogでは、ハードウェアの構造を記述する「構造的記述」、ハードウェアの動作を記述する「動作的記述」、そしてハードウェアの時間的な動作を記述する「時序的記述」の3つの記述方法があります。

●Don’t Careとは

Don’t Care(ドントケア)とは、特定の状況や条件下で、その値が何であれ問題がない、つまりその値を「気にしない」ことを表現するための概念です。

○Don’t Careの概念

Don’t Careは、例えば、複数の入力パターンが同じ出力をもたらす場合などに使われます。

具体的には、論理回路設計や状態機械の設計などで頻繁に使用されます。

○Don’t Careの活用

Don’t Careを活用することで、回路の最適化が可能となります。

すなわち、Don’t Careを適切に設定することで、必要なロジックが減り、回路が簡素化されることが期待できます。

●VerilogでのDon’t Careの使い方

Don’t Careは、Verilogでの記述において非常に重要な役割を果たします。

具体的な使い方を見ていきましょう。

○サンプルコード1:基本的なDon’t Careの使用例

2入力1出力の論理回路をDon’t Careを使って記述した例を紹介します。

module sample(input [1:0] a, output y);
  always @(a) begin
    case(a)
      2'b00: y = 1'b0;
      2'b01: y = 1'b1;
      default: y = 1'b0;  // Don't Care
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、入力aが”00″のとき出力yは”0″、入力aが”01″のとき出力yは”1″となります。

しかし、入力がそれ以外の場合(”10″または”11″)には、出力yはDon’t Careとして”0″を返します。

これは、その入力が出現する可能性が低い、またはその入力が出現したとしても出力の値が重要でない場合などに利用できます。

このコードを実行すると、指定された入力パターンに応じて出力が変化します。入力が”00″の場合、出力は”0″となります。

また、入力が”01″の場合、出力は”1″となります。

その他の入力(”10″または”11″)では、出力はDon’t Careで定義した”0″となります。

○サンプルコード2:Don’t Careを活用した条件分岐

次に、Don’t Careを使った条件分岐の例を見てみましょう。

module sample(input [2:0] a, output y);
  always @(a) begin
    case(a)
      3'b000: y = 1'b0;
      3'b010: y = 1'b1;
      3'b1??: y = 1'b1;  // Don't Care
      default: y = 1'b0;
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、最上位ビットが”1″のときは全ての入力で出力yが”1″となります。

ここで、”?”はDon’t Careを表しており、その位置のビットの値が何であっても問題ないことを表しています。

これにより、一部の条件を満たす全ての場合に同じ出力を返すような条件分岐を簡単に記述することが可能となります。

このコードを実行すると、入力が”000″の場合、出力は”0″となります。入力が”010″の場合、出力は”1″となります。

さらに、入力の最上位ビットが”1″の場合、出力はDon’t Careで定義した”1″となります。

その他の入力では、出力は”0″となります。

○サンプルコード3:Don’t Careを用いた状態機械の設計

Don’t Careは、状態機械の設計にも利用されます。

2状態の状態機械をVerilogで設計した例を紹介します。

module sample(input a, input clk, output reg y);
  reg [1:0] state, next_state;

  always @(posedge clk) begin
    state <= next_state;
  end

  always @(state, a) begin
    case(state)
      2'b00: next_state = a ? 2'b01 : 2'b00;
      2'b01: next_state = a ? 2'b00 : 2'b01;
      default: next_state = 2'b00;  // Don't Care
    endcase
    y = (state == 2'b01) ? 1'b1 : 1'b0;
  end
endmodule

このコードでは、現在の状態と入力aに応じて次の状態を決定します。

Don’t Careは、想定外の状態が発生した場合に備えて設定されています。

つまり、想定される状態は”00″と”01″のみで、それ以外の状態(”10″や”11″)が発生した場合には、Don’t Careとして次の状態を”00″にリセットします。

このコードを実行すると、クロックの立ち上がりエッジ毎に状態が更新され、出力yは現在の状態が”01″のとき”1″、それ以外では”0″となります。

●VerilogでのDon’t Careの注意点と対処法

Don’t Careを用いることで効率的な設計が可能となりますが、適切な使用法を理解することが重要です。

また、全ての場合にDon’t Careが最適な解となるわけではないため、その使用は注意が必要です。

まず、Don’t Careの値は、最適化のプロセスで任意の値に変更される可能性があります。つまり、特定の値を期待してはいけません。

また、Don’t Careの状態が発生しないように設計することが、多くの場合、最良の戦略となります。

Don’t Careの状態が発生すると、回路の挙動が予測不能になる可能性があるためです。

これを防ぐためには、可能な限り明示的な値を割り当て、Don’t Careの状態を回避することが求められます。

●Don’t Careのカスタマイズ方法

Don’t Careの利用は多岐にわたりますが、ここでは一例として、Don’t Careをカスタマイズして使う方法について見ていきましょう。

○サンプルコード4:Don’t Careをカスタマイズして使う方法

入力の一部をDon’t Careとして扱い、出力をカスタマイズする例を紹介します。

module sample(input [3:0] a, output y);
  always @(a) begin
    case(a)
      4'b0000: y = 1'b0;
      4'b0001: y = 1'b1;
      4'b00??: y = 1'b1;  // Don't Care
      default: y = 1'b0;
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、入力の下位2ビットがDon’t Careとなっており、上位2ビットが”00″であれば、出力yは”1″となります。

つまり、上位2ビットの値だけで出力を決定し、下位2ビットは無視(Don’t Care)します。

このコードを実行すると、入力の上位2ビットが”00″の場合、出力は”1″となります。

それ以外の入力では、出力は”0″となります。

●Don’t Careの応用例

Don’t Careは、多くの応用例があります。

一例として、高度なデザインにおいてDon’t Careを活用する方法を見てみましょう。

○サンプルコード5:Don’t Careを活用した高度な設計

Don’t Careを活用して複数の条件を一度に処理する設計の例を紹介します。

module sample(input [3:0] a, output y);
  always @(a) begin
    case(a)
      4'b0000: y = 1'b0;
      4'b0001: y = 1'b1;
      4'b0???: y = 1'b1;  // Don't Care
      default: y = 1'b0;
    endcase
  end
endmodule

このコードでは、入力の下位3ビットがDon’t Careとなっており、上位ビットが”0″であれば、出力yは”1″となります。

つまり、上位ビットの値だけで出力を決定し、下位3ビットは無視(Don’t Care)します。

このコードを実行すると、入力の上位ビットが”0″の場合、出力は”1″となります。

それ以外の入力では、出力は”0″となります。

まとめ

VerilogでのDon’t Careの使い方について詳しく解説しました。

初心者でも理解できるように、基本的な使い方から高度な設計まで、5つのサンプルコードを通じて活用法を紹介しました。

また、注意点と対処法、カスタマイズ方法についても触れました。

VerilogにおけるDon’t Careは、効率的な設計を可能にする強力なツールです。

しかし、その使用は注意が必要であり、全ての場合に最適な解とはなりません。

ここで学んだ知識を元に、より深い理解と実践的なスキルを身につけることをお勧めします。