初心者向け！Verilogでのパラレルシリアル変換方法10選

はじめに
●Verilogとは
●パラレルシリアル変換とは
●Verilogでのパラレルシリアル変換の基本
●パラレルシリアル変換の手法10選
●パラレルシリアル変換の応用例
●注意点と対処法
まとめ

はじめに

Verilogでのパラレルシリアル変換方法を学びたい初心者の皆さまへ、この記事はまさにそのために書かれています。

ここでは、Verilogでパラレルシリアル変換を行う具体的な手法を10のステップに分けて紹介します。

初心者から経験者まで参考になる内容となっています。

●Verilogとは

Verilogとは、ハードウェア記述言語の一つです。

デジタルシステムの設計と検証を行うために用いられ、半導体やFPGAの設計に広く利用されています。

特に、デジタル回路の振る舞いを記述するための言語として、その強力さが認められています。

●パラレルシリアル変換とは

パラレルシリアル変換とは、データの伝送方法の一つです。

パラレル伝送では、多数のデータビットを同時に伝送しますが、シリアル伝送では1ビットずつ順番に伝送します。

この二つの伝送方法を相互に変換する技術が、パラレルシリアル変換となります。

●Verilogでのパラレルシリアル変換の基本

Verilogでのパラレルシリアル変換は、パラレルデータを順番にシリアルデータとして出力したり、シリアルデータを集めてパラレルデータとして生成する処理を記述することが可能です。

この変換を行うことで、データの伝送方法を自由に選択し、ハードウェアの性能を最大限に活用することが可能となります。

●パラレルシリアル変換の手法10選

ここからは、Verilogでのパラレルシリアル変換の具体的な手法を10のステップで見ていきましょう。

○手法1：基本的なパラレルシリアル変換コード

このコードでは、基本的なパラレルシリアル変換を行うためのVerilogコードを紹介します。

この例では、8ビットのパラレルデータを1ビットずつシリアルに変換して出力しています。

module piso(shift_out, parallel_in, load, clk);
    input [7:0] parallel_in;
    input load, clk;
    output reg shift_out;
    reg [7:0] shift_reg;

    always @(posedge clk) begin
        if(load) shift_reg = parallel_in;
        else shift_reg = shift_reg >> 1;
        shift_out = shift_reg[0];
    end
endmodule

このコードは次のように動作します。

まず、load信号が立つと、parallel_inからの8ビットのパラレルデータがshift_regに読み込まれます。

その後、各クロックの立ち上がりで、shift_regの内容が右に1ビットずつシフトされ、その結果がshift_outに出力されます。

このようにして、パラレルデータがシリアルデータに変換されます。

○手法2：パラレルデータのサイズを調整する

次に、パラレルデータのサイズを任意に調整する方法を説明します。

具体的には、パラレルデータのビット数を定数として宣言し、それを基にシリアル変換を行うコードを書くことができます。

この方法は、ビット数が変わってもコードの修正が最小限になるため、可読性と保守性が向上します。

module piso #(parameter WIDTH = 8)(output reg shift_out, input [WIDTH-1:0] parallel_in, input load, clk);
    reg [WIDTH-1:0] shift_reg;

    always @(posedge clk) begin
        if(load) shift_reg = parallel_in;
        else shift_reg = shift_reg >> 1;
        shift_out = shift_reg[0];
    end
endmodule

このコードでは、パラメータとしてビット幅WIDTHを定義し、その値に基づいてパラレルデータのサイズを設定しています。

こうすることで、例えばWIDTHを16に設定するだけで、16ビットのパラレルデータを扱うことが可能となります。

○手法3：シリアルデータの出力を制御する

パラレルデータからシリアルデータへの変換を制御する方法を紹介します。

変換が完了した後に出力を停止するための信号を追加することで、データの送信を制御します。

module piso #(parameter WIDTH = 8)(output reg shift_out, output reg empty, input [WIDTH-1:0] parallel_in, input load, clk);
    reg [WIDTH-1:0] shift_reg;
    reg [WIDTH-1:0] counter;

    always @(posedge clk) begin
        if(load) begin
            shift_reg = parallel_in;
            counter = WIDTH;
        end else if(counter > 0) begin
            shift_reg = shift_reg >> 1;
            counter = counter - 1;
        end
        shift_out = shift_reg[0];
        empty = (counter == 0);
    end
endmodule

このコードでは、counterという新たなレジスタを使用して、シリアルデータの出力をカウントしています。

load信号が立つと、counterがWIDTHで初期化され、変換が開始されます。

その後、各クロックでcounterが1ずつ減算され、counterが0になるとempty信号が立ち、シリアルデータの出力が停止します。

○手法4：シリアルデータの受信とパラレルデータの生成

ここでは、シリアルデータの受信とそのシリアルデータをパラレルデータに変換する方法を説明します。

具体的なコードを通じて理解を深めていきましょう。

module sipo #(parameter WIDTH = 8)(output reg [WIDTH-1:0] parallel_out, input shift_in, input load, clk);
    reg [WIDTH-1:0] shift_reg;

    always @(posedge clk) begin
        if(load) parallel_out = shift_reg;
        else shift_reg = {shift_in, shift_reg[WIDTH-1:1]};
    end
endmodule

このコードでは、シフトレジスタとしての役割を果たすshift_regを使用しています。

シリアルデータはshift_inから読み込まれ、パラレルデータはparallel_outから出力されます。

クロックの立ち上がりに、shift_inから読み込んだビットがshift_regに左からシフトされ、それがパラレルデータとしてparallel_outに出力されます。

loadがアクティブになると、その時点でのshift_regの内容がパラレルデータとして取り出されます。

実行結果としては、クロックの立ち上がり毎にshift_inから新たなビットが読み込まれ、それが左にシフトされてパラレルデータが生成されます。

そしてloadがアクティブになると、その時点でのシフトレジスタの内容がパラレルデータとして取り出され、parallel_outから出力されます。

これにより、シリアルデータからパラレルデータへの変換が行われます。

○手法5：クロック同期の実現

次に、シリアル通信で重要なクロック同期の実現方法を説明します。

クロック同期は、送信側と受信側が同じタイミングでデータを処理するために必要な処理で、Verilogで簡単に実現することが可能です。

module sync(input din, clk, output reg dout);
    reg [1:0] sync_reg;

    always @(posedge clk) sync_reg = {din, sync_reg[0]};
    assign dout = sync_reg[1];
endmodule

このコードでは、2ビットのシフトレジスタsync_regを使用して、入力データdinをクロックclkの立ち上がり毎に同期しています。

sync_regの最上位ビットが同期されたデータとなり、これがdoutとして出力されます。

このコードを実行すると、入力データdinはクロックの立ち上がり毎にsync_regに右からシフトされ、doutとして出力されます。

これにより、入力データdinはクロックclkに同期されます。

○手法6：エラーハンドリング

パラレルシリアル変換のプロセスにおいて、問題が発生した場合にどのように対応するかは、信頼性の高いシステムを設計する上で重要な一部となります。

エラーハンドリングは、データ送受信の間に発生する可能性のあるエラーに対して適切に対応するための手段です。

エラーハンドリングを行うことで、通信エラーやデータの喪失、そしてその他の問題を予防し、あるいは軽減することが可能となります。

さて、次のコードはVerilogを使用した簡単なエラーハンドリングの実装例です。

module ErrorHandler(
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire [7:0] inputData,
    input wire validData,
    output reg errorFlag
);

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
        errorFlag <= 1'b0;
    end else if (validData && inputData[7:0] == 8'b00000000) begin
        errorFlag <= 1'b1;
    end else begin
        errorFlag <= 1'b0;
    end
end

endmodule

このコードでは、エラーハンドリングを行うためのErrorHandlerモジュールを定義しています。

この例では、有効なデータ(validData)が送信され、そのデータ(inputData)が全てのビットがゼロ（8'b00000000）である場合に、エラーフラグ（errorFlag）を立てる仕組みを作っています。

これは例えば、全ビットがゼロのデータが送信されることが許されていないシステムで使用することができます。

エラーフラグはリセット信号（reset）でクリアすることができます。

そして、クロック信号（clk）の立ち上がりエッジでエラーフラグの更新が行われます。

このようなエラーハンドリングは、システムに問題が発生した際にその存在をすぐに知らせ、対処するための仕組みとなります。

このエラーハンドリングモジュールをシステムに組み込むことで、特定の条件下でのエラーを検出し、それに対する対策を講じることが可能となります。

なお、エラーハンドリングの詳細な実装は、システムの要件や状況によりますので、適宜調整する必要があります。

このコードを実行した際、inputDataが8'b00000000でvalidDataが真である場合、エラーフラグが立つため、その結果としてシステムが適切にエラーを検出し、対策を行うことが期待されます。

エラーフラグが立つと、それを見たエンジニアや別のシステムがそれに応じてアクションを起こすことができます。

これにより、システムの安全性と信頼性が向上します。

また、エラーハンドリングの具体的な方法は、システムの要件や仕様、使用されるハードウェアやソフトウェアの種類によって大きく変わる可能性があります。

したがって、各システムに最適なエラーハンドリングの手法を選択し、実装することが重要です。

エラーハンドリングの方法は一様ではないため、多様なシナリオに対応可能な実装方法を選び、自分のシステムに適用してみてください。

○手法7：バッファリングとフロー制御

Verilogでのパラレルシリアル変換における7つ目の手法として、「バッファリングとフロー制御」を取り上げます。

パラレルシリアル変換が行われる場面では、しばしば送信データと受信データのレートが一致しない問題に遭遇します。

この問題を解決するために、バッファと呼ばれる一時的なデータストレージと、それを効果的に管理するフロー制御が必要となります。

まずは、バッファリングについて考えてみましょう。

バッファはデータの一時保管場所で、送信側と受信側のデータレートが異なる場合に、データを一時的に保存するために使われます。

これにより、データの送受信速度を一定に保つことが可能となります。

次にフロー制御ですが、これはバッファの状態に応じてデータ送信のタイミングを制御する方法です。

バッファが満杯に近いときは、送信を一時停止し、バッファが十分に空になったときに再開します。

これにより、バッファオーバーフローを防ぎ、データの損失を防ぐことが可能となります。

それでは、これらの概念を具体的なVerilogコードに落とし込んでみましょう。

8ビットデータの送信と受信を行うためのバッファとフロー制御を実装したサンプルコードを紹介します。

// バッファとフロー制御を実装したモジュール
module buffer_control(
    input wire clk, // クロック信号
    input wire reset, // リセット信号
    input wire [7:0] data_in, // 入力データ
    input wire valid_in, // 入力データが有効であることを示す信号
    output wire ready_in, // 入力データを受け入れる準備ができていることを示す信号
    output wire [7:0] data_out, // 出力データ
    output wire valid_out, // 出力データが有効であることを示す信号
    input wire ready_out // 出力データが受け入れられる準備ができていることを示す信号
);
    // FIFOバッファの宣言
    reg [7:0] buffer [0:15];
    integer front, rear;

    // バッファとフロー制御のロジック
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if(reset) begin
            front <= 0;
            rear <= 0;
            valid_out <= 0;
        end else if(front != rear && ready_out) begin
            front <= front + 1;
            data_out <= buffer[front];
            valid_out <= 1;
        end else begin
            valid_out <= 0;
        end

        if(valid_in && front != (rear + 1)%16) begin
            buffer[rear] <= data_in;
            rear <= rear + 1;
        end
    end

    assign ready_in = (front != (rear + 1)%16);
endmodule

このコードでは、バッファとして16エントリのFIFO（First-In-First-Out）キューを使用しています。

キューの先頭と末尾を示すインデックスfrontとrearを用いて、データの追加と削除を制御します。

バッファが空でないとき（frontとrearが等しくないとき）で、出力データが受け入れられる準備ができているとき（ready_outが1のとき）に、バッファからデータを取り出し、出力します。

また、バッファが満杯でないとき（frontがrearの次の位置にないとき）に、入力データをバッファに追加します。

フロー制御の信号ready_inは、バッファが満杯でないことを表します。

このコードを実行すると、送信側と受信側のデータレートが異なる状況でも、データの送受信をスムーズに行うことが可能となります。

ただし、このコードは基本的な例であり、実際の状況に応じて適切にカスタマイズする必要がある点に注意してください。

○手法8：異なるクロックレートでの操作

異なるクロックレートを持つデバイス間で通信を行う場合、パラレルシリアル変換を適切に行うためには注意が必要です。

通常、デバイス間の通信速度は、それぞれのデバイスのクロックレートによって決まりますが、異なるクロックレートで動作するデバイス間では、同期がとれないことが問題となることがあります。

この問題を解決するために、Verilogではクロックドメイン間の通信を管理する特殊な設計パターン、クロックドメインクロスオーバー(CDC)という概念が存在します。

CDCは、同期を保つために異なるクロックドメイン間でデータを送受信する方法を提供します。

この手法では、FIFO（First In First Out）キューを用いて、異なるクロックレート間でデータを転送します。

このFIFOキューは、入力クロックドメインで書き込みが行われ、出力クロックドメインで読み出しが行われます。

そのサンプルコードを記載します。

このコードでは、FIFOキューを用いて異なるクロックレートで動作する2つのデバイス間でデータのパラレルシリアル変換を行っています。

module CDC_FIFO (
    input wire clk_in,     // 入力クロック
    input wire clk_out,    // 出力クロック
    input wire [7:0] data_in,  // 入力データ
    input wire wr_en,      // 書き込み許可信号
    output wire [7:0] data_out, // 出力データ
    output wire rd_en     // 読み込み許可信号
);
    reg [7:0] fifo [0:255];  // 256バイトのFIFOバッファ
    reg [7:0] wr_ptr = 0;    // 書き込みポインタ
    reg [7:0] rd_ptr = 0;    // 読み込みポインタ

    always @(posedge clk_in)
        if(wr_en)
            fifo[wr_ptr] <= data_in; // 入力クロックが立ち上がったら、データを書き込む
            wr_ptr <= wr_ptr + 1;    // 書き込みポインタを進める

    always @(posedge clk_out)
        if(rd_en)
            data_out <= fifo[rd_ptr]; // 出力クロックが立ち上がったら、データを読み込む
            rd_ptr <= rd_ptr + 1;    // 読み込みポインタを進める
endmodule

このコードを実行すると、clk_inに同期した速度でデータをFIFOバッファに書き込むことができます。

同様に、clk_outに同期した速度でデータをバッファから読み出すことができます。

つまり、このコードを用いることで、クロックレートの異なるデバイス間でも、データのパラレルシリアル変換を安全に行うことが可能になります。

○手法9：FPGAを用いた実装

Verilogを使用してパラレルシリアル変換を実現するための一つの手法として、FPGAを用いた実装が考えられます。

FPGA（Field Programmable Gate Array）は、ハードウェアの動作をプログラムで制御することができる半導体デバイスです。

Verilogを使って設計した回路をFPGA上で動作させることで、具体的な動作を確認しながら設計を進めることができます。

この手法では、まずはFPGAを使用するための準備として、適切なハードウェアとソフトウェアの設定を行います。

次に、Verilogで書かれたパラレルシリアル変換のコードをFPGAにダウンロードし、FPGA上での動作を確認します。

FPGAを用いたパラレルシリアル変換の実装例を紹介します。

// FPGA用パラレルシリアル変換コード
module ParallelSerialConv (
    input wire clk,
    input wire [7:0] parallel_data,
    output reg serial_data_out
);

reg [7:0] shift_reg;
reg [3:0] count;

always @(posedge clk) begin
    if(count == 0) begin
        shift_reg <= parallel_data;
    end
    serial_data_out <= shift_reg[7];
    shift_reg <= {shift_reg[6:0], 1'b0};
    count <= count + 1;
end

endmodule

このコードはFPGAを使ってパラレルシリアル変換を行うVerilogのコードの一例で、8ビットのパラレルデータを受け取り、シリアルデータを出力します。

クロックの立ち上がりエッジで動作を開始し、countが0の時にパラレルデータをシフトレジスタshift_regに格納します。

その後、shift_regの最上位ビットをシリアルデータとして出力し、shift_regを1ビットずつシフトしていきます。

この処理を8回繰り返すことで、8ビットのパラレルデータがシリアルデータとして出力されます。

このコードをFPGAにダウンロードして動作させると、8ビットのパラレルデータがシリアルデータとして順次出力される様子を確認することができます。

これにより、Verilogで設計したパラレルシリアル変換の動作を直接確認しながら、設計やデバッグを進めることができます。

○手法10：テストベンチの作成とシミュレーション

テストベンチとは、設計した回路の動作をシミュレーションで検証するためのテストコードのことを指します。

Verilogでのテストベンチ作成も非常に重要であり、これにより我々は設計したパラレルシリアル変換の回路が期待通りに動作するかを確認できます。

まず、Verilogでのテストベンチ作成はmoduleを用いてテストシナリオを定義します。

しかし、テストベンチのmoduleは通常のmoduleと一つ違いがあり、それは実際のハードウェアに対応する入出力ポートを持たないということです。

これはテストベンチがシミュレーション環境でしか動作しないため、物理的な入出力ポートを持つ必要がないからです。

次に具体的なテストベンチのコードを見てみましょう。

下記のコードはパラレルシリアル変換のテストベンチの一部です。

// テストベンチのmoduleを定義します
module tb;

// DUT(Device Under Test)のインスタンスを作成します
parallel_to_serial dut();

// テスト用の信号を定義します
reg [7:0] test_data;
reg clk;
reg rst;

initial begin
  // テストデータとリセット信号を設定します
  test_data = 8'hA5; // テストデータは0xA5とします
  rst = 1'b0; // リセット信号は初めに0とします

  // クロック信号を生成します
  forever #5 clk = ~clk;
end

initial begin
  // シミュレーションを開始します
  #10;

  // リセット信号をアクティブにします
  rst = 1'b1;

  // リセット信号をディアクティブにします
  #10 rst = 1'b0;

  // テストデータをDUTに渡します
  #10 test_data = 8'h5A;

  // シミュレーションを終了します
  #100 $finish;
end

endmodule

このコードではtbという名前のテストベンチmoduleを作成しています。

このmodule内でテスト用の信号を定義し、テストシナリオをinitialブロック内に記述しています。

この例ではまずテストデータとクロック信号を設定し、その後リセット信号を操作してDUTの動作を確認します。

シミュレーションを開始する前にリセット信号をアクティブにし、その後ディアクティブにすることでDUTがリセット後の状態から正しく動作するかを検証します。

テストベンチの作成とシミュレーションは、Verilogでのパラレルシリアル変換の設計と同様に重要なステップです。

テストベンチを使用することで、設計した回路が期待通りに動作するかを確認することができます。

テストベンチの作成は一見難しそうに思えるかもしれませんが、基本的なテストシナリオを理解すれば容易に実装することが可能です。