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初心者でも理解できる！Verilogでパイプラインを作る7ステップ

Verilogでパイプラインを作成するプログラミングの初心者向けチュートリアル 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。

本記事の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ので、是非ご活用ください。

※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』を満たす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

プログラミング言語Verilogを使ってパイプラインを作成する方法を紹介します。

初心者向けに、基本的なコンセプトから応用まで7つのステップで解説します。

Verilogの基本理解がある方にとって、この記事はパイプライン設計のスキルを向上させるのに役立つでしょう。

●Verilogとは

Verilogは、デジタルシステムを設計するためのハードウェア記述言語（HDL）の一つです。

システムレベルの設計からゲートレベルの設計まで、幅広い抽象度でのハードウェア設計が可能です。

○Verilogの基本概念

Verilogではモジュールという単位でデザインを行います。

モジュールは回路やその部分を表現し、これを組み合わせることで複雑なシステムを構築します。

また、Verilogではデータ型として主にwireとregがあります。wireは物理的な接続を、regはレジスタを表現します。

●パイプラインとは

パイプラインとは、データを段階的に処理するテクニックのことを指します。

複数の命令が同時に異なるステージで処理されることで、全体の処理速度が向上します。

○パイプラインの概念と利点

パイプラインの基本的な考え方は、処理をいくつかの段階に分割し、各段階を別々のクロックサイクルで処理することです。

これにより、一つの命令が完了するごとに次の命令を開始できるため、全体のスループットが向上します。

●Verilogでのパイプラインの作り方

パイプラインの設計において重要なのは、各ステージの間でデータを正しくやり取りすることです。

これにはフリップフロップが一般的に用いられます。

○基本構造の理解

基本的なパイプラインの構造は、各ステージの出力をフリップフロップで格納し、次のクロックサイクルで次のステージにデータを送るという形になります。

○サンプルコード1：Verilogでパイプラインの基本構造を作る

このコードではVerilogを使ってパイプラインの基本構造を作るコードを紹介しています。

この例では2段階のパイプラインを作成しています。

module pipeline(input wire clk, input wire [31:0] data_in, output reg [31:0] data_out);
    reg [31:0] stage1;

    always @(posedge clk) begin
        stage1 <= data_in;
        data_out <= stage1;
    end
endmodule

上記のコードでは、入力データ(data_in)が最初のステージであるstage1に格納され、次のクロックサイクルでそのデータが出力(data_out)に移動します。

このコードの実行結果は、入力されたデータが1クロック遅延して出力されるというものになります。

つまり、データは入力から出力まで2つのステージを経て伝播します。

●パイプラインの詳細な使い方

基本的なパイプラインの作り方を理解したら、次はそれをどのように活用するかについて紹介します。

パイプラインはデータの並列処理を可能にする強力な手段であり、適切に設計と実装を行うことで大規模なデジタルシステムのパフォーマンスを大幅に向上させることができます。

○サンプルコード2：Verilogでパイプラインを活用する

このコードでは、Verilogで作成したパイプラインを活用する方法を表しています。

この例では、各ステージで異なる操作を行うパイプラインを設計しています。

module pipelined_processor(input wire clk, input wire [31:0] data_in, output reg [31:0] data_out);
    reg [31:0] stage1;
    reg [31:0] stage2;

    always @(posedge clk) begin
        stage1 <= data_in;
        stage2 <= stage1 + 1; // stage1での操作
        data_out <= stage2 * 2; // stage2での操作
    end
endmodule

このコードでは、最初のステージ（stage1）で入力データに1を加え、次のステージ（stage2）でその結果を2倍しています。

これにより、異なる操作を段階的に行うパイプラインを作成しています。

このコードを実行すると、入力データに対して1を加えた後、その結果を2倍した値が出力されます。

すなわち、各クロックサイクルで新しい入力が処理され、その2クロック後に結果が出力されるという動作をします。

●パイプラインの応用例

ここまでパイプラインの基本的な作り方と使い方を説明してきましたが、次にパイプラインがより複雑な処理でどのように活用されるのかを見ていきましょう。

データの複数段階処理を行い、各ステージの結果を次のステージに引き継ぐ、というパイプラインの性質は、画像処理や通信、AIアルゴリズムなど多岐にわたる応用が可能です。

○サンプルコード3：Verilogでパイプラインを複雑な処理に活用する

今回のサンプルコードでは、4段階のパイプラインを作成し、それぞれの段階で異なる処理を行う例を紹介します。

この例では、1段目でデータの入力を行い、2段目で加算、3段目で乗算、4段目で出力という処理を行います。

module pipeline_example(
    input clk, reset,
    input [31:0] in_data,
    output [31:0] out_data
);
    reg [31:0] stage1, stage2, stage3;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            stage1 <= 0; stage2 <= 0; stage3 <= 0; // リセット
        end else begin
            stage1 <= in_data + 10;  // 1段目：加算
            stage2 <= stage1 * 2;    // 2段目：乗算
            stage3 <= stage2 - 5;    // 3段目：減算
        end
    end

    assign out_data = stage3; // 4段目：出力
endmodule

このコードでは、まず入力データを加算する処理を行っています。

この結果を2倍にする乗算処理を行い、次にその結果から5を減算します。

最後にその結果を出力します。これらの各段階はパイプライン化されており、各クロックサイクルで新たな入力データが処理され、その結果が次のステージに送られます。

実行結果の例を見てみましょう。

例えば、クロックサイクル1で入力データが20とします。

次のクロックサイクルでは、この20に10を加えた30が2段目に送られ、新たな入力データが1段目に入力されます。

さらに次のクロックサイクルでは、2段目で30を2倍した60が3段目に送られ、1段目の新たな結果が2段目に送られます。

これを繰り返すことで、各クロックサイクルで新たな結果が出力されることになります。

●パイプライン作成時の注意点と対処法

パイプライン設計においては、特に注意すべき点が2つあります。

一つ目はデータハザード、二つ目は制御ハザードです。

これらの問題を理解し、適切な対処を行うことが重要となります。

○サンプルコード4：パイプラインに起こり得る問題とその対処法

このコードでは、データハザードを回避するための手法として、ステージ間でのデータ依存性を管理する例を紹介します。

データハザードは、あるステージでの計算結果が、他のステージの計算に影響を与える場合に生じます。

これを解消するためには、計算結果が必要なステージがその結果を利用できるようになるまで、データのフローを適切に管理する必要があります。

module pipeline_hazard(
    input clk, reset,
    input [31:0] in_data,
    output [31:0] out_data
);
    reg [31:0] stage1, stage2, stage3;
    wire [31:0] modified_data;

    assign modified_data = stage2 + 5; // 依存データの作成

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            stage1 <= 0; stage2 <= 0; stage3 <= 0; // リセット
        end else begin
            stage1 <= modified_data; // 1段目：依存データを取得
            stage2 <= stage1 * 2;    // 2段目：乗算
            stage3 <= stage2 - 5;    // 3段目：減算
        end
    end

    assign out_data = stage3; // 4段目：出力
endmodule

このコードでは、2段目の結果に5を加えるという処理を行っています。

この結果を1段目で利用しているため、データハザードが生じます。

しかし、このコードでは依存性のあるデータを適切に管理しているため、正しく動作します。

●パイプラインのカスタマイズ方法

パイプラインのカスタマイズは、パイプラインをより効率的に使うために重要なスキルです。

Verilogでは、その強力な記述能力を活用して、自分だけの独自のパイプラインを作り出すことが可能です。

これからは、その一例として、ステージ数の可変なパイプラインの作り方をご紹介します。

○サンプルコード5：Verilogでパイプラインをカスタマイズする

このコードでは、パラメータを使用してパイプラインのステージ数を可変にする方法を表しています。

この例では、パラメータSTAGEを使用してパイプラインのステージ数を定義しています。

module pipeline #(parameter STAGE = 5)(input wire [STAGE-1:0] in, output wire [STAGE-1:0] out);
    genvar i;
    generate 
        for(i=0; i<STAGE; i=i+1) begin
            flipflop ff(.d(in[i]), .q(out[i]));
        end
    endgenerate
endmodule

このコードの中で使用しているgenvarとgenerateステートメントは、Verilogでジェネリックなハードウェア構造を記述するための重要な要素です。

genvarはジェネレート変数を宣言し、generateステートメントはその変数を使用して繰り返しハードウェア構造を生成します。

このコードでは、STAGE数だけフリップフロップを生成してパイプラインを作成しています。

このコードの実行結果としては、引数で指定した数だけのパイプラインステージが作成されます。

例えば、STAGE = 5とすると5ステージのパイプラインが生成されます。

パラメータを活用すれば、ステージ数だけでなく、各ステージの動作や特性をカスタマイズすることも可能です。

このような柔軟性がVerilogを強力なハードウェア記述言語にしています。

まとめ

Verilogでパイプラインを作成する手法を7つのステップで解説しました。

Verilogの基本的な概念から始め、パイプラインの概念、その作り方、詳細な使い方、応用例、注意点、そして最後にカスタマイズ方法までを詳しく説明しました。

それぞれのステップで提供したサンプルコードを活用して、ぜひ自身でパイプラインを作成し、その動作や特性を体感してみてください。

また、パイプラインはデジタル設計の基本中の基本ですので、これを理解し実践できるようになれば、より大規模で複雑なデジタルシステムの設計にも取り組むことができるようになるでしょう。

今後もプログラミングの学習を楽しんで続けてください。

最後までお読みいただきありがとうございました。