初心者も分かる！Verilogで分周回路を作る5つのステップ

はじめに

Verilogという言語を使って分周回路を作りたいと思ったことはありますか？

この記事では、その方法を5つのステップで解説します。

Verilogの基本から始め、分周回路の概念、設計、コーディング、そしてテストとデバッグに至るまで、初心者でも理解できる内容になっています。

また、分周回路の応用例や注意点、カスタマイズの方法についても言及しています。

多数のサンプルコードとともに、一緒に学んでいきましょう。

●Verilogとは何か？

Verilogは、ハードウェア記述言語の一種です。

デジタル回路の設計やシミュレーションに使われ、FPGAやASICの設計に広く用いられています。

C言語に似た構文を持ち、学習のハードルは比較的低いと言えます。

●分周回路とは何か？

分周回路は、クロック信号の周波数を分割するためのデジタル回路です。

クロック信号の周波数を2、4、8といった一定の整数値で割ることが可能で、これによって新たなクロック信号を生成します。

この新しいクロック信号は、元のクロック信号と比べて周期が長くなります。

●Verilogで分周回路を作る5つのステップ

○ステップ1：Verilogの基本理解

まず最初にVerilogの基本について理解します。

□サンプルコード1：基本的なVerilogのコード

基本的なVerilogのコードを紹介します。

このコードでは、2つの入力信号AとBをAND演算するモジュールを紹介しています。

この例では、入力信号AとBをAND演算して出力を得ています。

module AND_gate (input A, input B, output Y);
  assign Y = A & B;
endmodule

このコードは非常にシンプルですが、Verilogの基本的な文法を表しています。

例えば、”module”はVerilogのモジュールを定義するためのキーワードで、”input”と”output”はそれぞれ入力と出力を表します。

そして、”assign”はワイヤ（信号）の値を代入するための文です。

○ステップ2：分周回路の概念理解

次に、分周回路の概念を理解します。

分周回路は、入力されたクロック信号の周波数を一定の分数で割り、新たなクロック信号を生成する回路です。

例えば、分周比が2の分周回路は、入力クロックの周波数を半分にし、その半分の周波数のクロック信号を出力します。

○ステップ3：分周回路の設計

設計フェーズでは、どのようにして分周回路を実現するか、そのロジックを考えます。

□サンプルコード2：分周回路の設計

ここでは、Verilogで分周比が2の分周回路を設計する例を紹介します。

この例では、1ビットのレジスタをフリップフロップとして使用し、クロック信号の立ち上がりエッジでその値を反転させることで、入力クロックの周波数を半分にしています。

module divider2 (input clk, output reg clk_out);
  always @(posedge clk) clk_out <= ~clk_out;
endmodule

このコードでは、”always @(posedge clk)”という文を使って、clkの立ち上がりエッジ（ポジティブエッジ）でアクションを指定しています。

また、”~”はビット反転を表す演算子で、レジスタclk_outの値を反転させています。

○ステップ4：分周回路のコーディング

ここで、実際に分周回路をコーディングします。

□サンプルコード3：分周回路のコーディング

Verilogで分周比が4の分周回路をコーディングする例を紹介します。

この例では、2ビットのレジスタをカウンタとして使用し、その値を増加させることで入力クロックの周波数を4分の1にしています。

module divider4 (input clk, output reg [1:0] counter);
  always @(posedge clk) counter <= counter + 1'b1;
endmodule

このコードでは、”counter <= counter + 1’b1;”という文を使って、レジスタcounterの値を1ずつ増加させています。

このcounterが4でリセットされるため、入力クロックの周波数が4分の1となります。

○ステップ5：テストとデバッグ

作成した分周回路が正しく動作するかを確認するためには、テストとデバッグが必要です。

□サンプルコード4：テストベンチの作成

ここでは、テストベンチの作成例を紹介します。

この例では、100nsごとにクロック信号を切り替えるテストベンチを作成し、分周比が4の分周回路をテストしています。

module tb_divider4;
  reg clk;
  wire [1:0] counter;
  divider4 u0 (.clk(clk), .counter(counter));

  initial begin
    clk = 0;
    forever #50 clk = ~clk;
  end
endmodule

このコードでは、”reg clk;”と”wire [1:0] counter;”でクロック信号とカウンタの信号を定義し、”divider4 u0 (.clk(clk), .counter(counter));”でテスト対象のモジュールをインスタンス化しています。

また、”initial begin”から”end”までのブロックで、クロック信号を切り替える処理を定義しています。

□サンプルコード5：デバッグの例

テスト中に問題が発生した場合、Verilogの”$display”関数を使用してデバッグ情報を出力することができます。

module divider4 (input clk, output reg [1:0] counter);
  always @(posedge clk) begin
    counter <= counter + 1'b1;
    $display("At time %t, counter = %b", $time, counter);
  end
endmodule

このコードでは、クロックの立ち上がりエッジでカウンタを増加させると同時に、”$display”関数を使って現在の時刻とカウンタの値を出力しています。

●分周回路の応用例

一度作成した分周回路は、さまざまな応用が可能です。

例えば、クロック信号の周波数を必要な数だけ割り、さまざまなタイミングのクロック信号を得ることができます。

○サンプルコード6：応用例1

分周比が4と8の2つの分周回路を組み合わせて、3種類の異なる周波数のクロック信号を得る例を紹介します。

module multi_divider (input clk, output reg clk_out1, clk_out2, clk_out3);
  divider4 div4 (.clk(clk), .clk_out(clk_out1));
  divider4 div8_1 (.clk(clk_out1), .clk_out(clk_out2));
  divider4 div8_2 (.clk(clk_out2), .clk_out(clk_out3));
endmodule

このコードでは、”divider4 div4 (.clk(clk), .clk_out(clk_out1));”で分周比が4の分周回路を作り、その出力を次の分周回路の入力としています。

これを2回繰り返すことで、入力クロックの1/4、1/8、1/16の周波数のクロック信号を得ています。

○サンプルコード7：応用例2

また、分周回路はタイマーとしても使用することができます。

分周比が10^6の分周回路を作成し、1秒ごとに信号を出力する例を紹介します。

module timer (input clk, output reg tick);
  reg [19:0] counter;
  always @(posedge clk) begin
    counter <= counter + 1'b1;
    if (counter == 20'd999999) begin
      tick <= ~tick;
      counter <= 0;
    end
  end
endmodule

このコードでは、20ビットのレジスタをカウンタとして使用し、カウンタが999,999になったときに”tick”信号を反転させ、カウンタを0にリセットしています。

入力クロックが1MHzの場合、カウンタが0から999,999まで増加する時間は1秒となります。

○サンプルコード8：応用例3

さらに、分周回路を使用してデータのサンプリングレートを調整することも可能です。

分周比が4の分周回路を作成し、入力データのサンプリングレートを1/4にする例を紹介します。

module sampler (input clk, input [7:0] data_in, output reg [7:0] data_out);
  reg [1:0] counter;
  always @(posedge clk) begin
    counter <= counter + 1'b1;
    if (counter == 2'b11) begin
      data_out <= data_in;
      counter <= 0;
    end
  end
endmodule

このコードでは、2ビットのレジスタをカウンタとして使用し、カウンタが3になったときに入力データを出力データに代入し、カウンタを0にリセットしています。

これにより、入力データのサンプリングレートが1/4になります。

●注意点と対処法

分周回路の設計やコーディングでは、いくつかの注意点があります。

まず、分周比が大きい場合や入力クロックの周波数が高い場合は、分周回路のカウンタがオーバーフローしないように十分なビット数を確保する必要があります。

また、分周比が一部の値でしか設定できない等の制限がある場合もあります。

また、デバッグ時には”$display”関数を活用することで、回路の動作状態を詳しく確認することができます。

しかし、大量のデバッグ情報を出力すると、シミュレーションの速度が遅くなる場合があります。

そのため、必要な情報だけを出力するように設定することが推奨されます。

さらに、応用例として紹介したように、分周回路はさまざまな場面で利用できますが、必要な機能や性能に応じて設計を適切に行う必要があります。

例えば、タイマーやサンプラーの場合は、分周比だけでなく、出力の形状や挙動も重要な設計要素となります。

●カスタマイズの方法

分周回路のカスタマイズ方法について説明します。

まず、分周比はカウンタのビット数やリセット条件を変更することで調整することができます。

また、出力信号の形状は、カウンタの値に応じた複雑な条件を設定することで変更することができます。

□サンプルコード9：カスタマイズ例

分周比が動的に変更可能な分周回路の例を紹介します。

module dynamic_divider (input clk, input [3:0] div_ratio, output reg clk_out);
  reg [3:0] counter;
  always @(posedge clk) begin
    counter <= counter + 1'b1;
    if (counter == div_ratio) begin
      clk_out <= ~clk_out;
      counter <= 0;
    end
  end
endmodule

このコードでは、分周比を表す”div_ratio”を入力として受け取り、カウンタが”div_ratio”に等しくなったときに出力クロックを切り替えています。

これにより、分周比を動的に変更することが可能となります。

まとめ

以上、Verilogで分周回路を作成する5つのステップについて説明しました。

Verilogの基本を理解し、分周回路の概念を把握した上で、具体的な設計とコーディングを行い、適切にテストとデバッグを行うことで、分周回路を作成することができます。

また、作成した分周回路はさまざまな応用が可能であり、必要に応じてカスタマイズも可能です。

今後もVerilogを用いたデジタル回路設計の学習を進めていくとともに、今回学んだ分周回路の設計と応用についてもぜひ活用してみてください。