Verilogのポート接続法！初心者向け10選

はじめに
●Verilogのポート接続とは
●ポート接続の基本
- ○基本的なポートの接続方法
- ○サンプルコード1：シンプルなポート接続
●ポート接続の使い方
●ポート接続の応用例
●注意点と対処法
- ○未接続のポート
- ○ビット幅の不整合
●カスタマイズ方法
- ○条件に応じたポート接続
まとめ

はじめに

Verilogを学ぶ過程で、特に重要とされるのが「ポート接続」です。

初心者が最初に戸惑うことの一つに、このポートの接続方法があります。

今回は、その基本から応用まで、実例を交えて10の方法を徹底解説します。

この記事を通じて、Verilogのポート接続に関する理解を深め、よりスムーズにコーディングを進めることができるようになることを目指します。

●Verilogのポート接続とは

Verilogでのモジュール間の通信を実現するための「手段」がポート接続です。

これは、モジュール同士をつなぎ合わせるための「接続口」と考えることができます。

●ポート接続の基本

○基本的なポートの接続方法

モジュールを定義する際に、その入出力を示すポートを定義します。

基本的なポート接続は、モジュールのインスタンス化の際に指定されるものです。

○サンプルコード1：シンプルなポート接続

このコードでは基本的なポート接続を表しています。

この例では、moduleAとmoduleBという2つのモジュールがあり、それぞれのポートを接続しています。

module moduleA (output outA);
endmodule

module moduleB (input inB);
endmodule

module top;
  wire w;

  moduleA m1 (.outA(w));
  moduleB m2 (.inB(w));
endmodule

このコードを実行すると、moduleAの出力outAとmoduleBの入力inBがwというワイヤを介して接続されます。

●ポート接続の使い方

○サンプルコード2：複数のモジュール間でのポート接続

このコードでは、複数のモジュール間でのポート接続を表しています。

この例では、moduleX、moduleY、そしてmoduleZという3つのモジュールがそれぞれ異なるポートを介して接続されています。

module moduleX (output outX);
endmodule

module moduleY (input inY, output outY);
endmodule

module moduleZ (input inZ);
endmodule

module top;
  wire w1, w2;

  moduleX x (.outX(w1));
  moduleY y (.inY(w1), .outY(w2));
  moduleZ z (.inZ(w2));
endmodule

このコードを実行すると、moduleXの出力outXがmoduleYの入力inYに、またmoduleYの出力outYがmoduleZの入力inZにそれぞれ接続されます。

○サンプルコード3：ビット幅の異なるポートの接続方法

このコードでは、ビット幅の異なるポート接続を表しています。

この例では、moduleDとmoduleEという2つのモジュールがあり、それぞれのポートを接続していますが、moduleDの出力ポートは4ビット、moduleEの入力ポートは2ビットとなっています。

module moduleD (output [3:0] outD);
endmodule

module moduleE (input [1:0] inE);
endmodule

module top;
  wire [3:0] w;

  moduleD d (.outD(w));
  moduleE e (.inE(w[1:0]));
endmodule

このコードを実行すると、moduleDの出力outDの下位2ビットがmoduleEの入力inEに接続されます。

○サンプルコード4：入出力方向の異なるポートの接続

このコードでは、入出力方向の異なるポートの接続を表しています。

この例では、moduleFとmoduleGという2つのモジュールがあり、moduleFの入力ポートとmoduleGの出力ポートが接続されています。

module moduleF (input inF);
endmodule

module moduleG (output outG);
endmodule

module top;
  wire w;

  moduleF f (.inF(w));
  moduleG g (.outG(w));
endmodule

このコードを実行すると、moduleGの出力outGがmoduleFの入力inFに接続されます。

●ポート接続の応用例

Verilogのポート接続は、基本的な使い方からさまざまな応用技術まで、豊富な表現力を持っています。

この章では、少し変わった使い方や、高度なポート接続方法を10のサンプルコードを交えて解説していきます。

○サンプルコード5：条件付きのポート接続

このコードでは条件を満たすときのみポート接続を行う方法を紹介しています。

この例では、セレクタによって接続するポートを変更しています。

module conditional_connection(input selector, input A, input B, output Y);
    // 日本語での説明: selectorが1の場合、AをYに接続。0の場合はBをYに接続。
    assign Y = selector ? A : B;
endmodule

このコードを実行すると、selectorの値に応じて、YにAまたはBが接続されます。

○サンプルコード6：配列を使用したポート接続

このコードでは配列を使用して複数のポート接続を行う方法を紹介しています。

この例では8ビットの入出力ポートを配列として管理しています。

module array_connection(input [7:0] in_array, output [7:0] out_array);
    // 日本語での説明: 入力配列をそのまま出力配列に接続。
    assign out_array = in_array;
endmodule

このコードを実行すると、8つのビット情報がin_arrayからout_arrayにそのまま伝達されます。

○サンプルコード7：モジュールのインスタンス化時のポート接続

このコードではモジュールのインスタンス化を行う際のポート接続方法を解説します。

この例ではANDゲートのモジュールをインスタンス化して、そのポートを接続しています。

module top;
    wire and_out;
    // 日本語での説明: ANDゲートのインスタンスを生成
    and_gate u1(.A(1'b1), .B(1'b0), .Y(and_out));
endmodule

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

このコードを実行すると、ANDゲートの出力がand_outに接続されます。

○サンプルコード8：パラメータを使用した動的なポート接続

このコードではパラメータを活用して動的にポートのビット幅を変更する方法を示しています。

module dynamic_connection #(parameter WIDTH=8)(input [WIDTH-1:0] din, output [WIDTH-1:0] dout);
    // 日本語での説明: 入力をそのまま出力に接続
    assign dout = din;
endmodule

このコードの実行により、WIDTHのパラメータに応じて接続するポートのビット幅が変更されます。

○サンプルコード9：ポート接続を使ったメモリアクセス

このコードでは、ポート接続を使用してメモリにアクセスする方法を解説しています。

module memory_access(input [7:0] addr, output [15:0] data);
    reg [15:0] memory [255:0];
    // 日本語での説明: アドレスに対応するメモリのデータを出力に接続
    assign data = memory[addr];
endmodule

このコードを実行すると、指定されたアドレスのメモリデータがdataに接続されます。

○サンプルコード10：複雑な論理回路のポート接続

このコードでは、複数の論理ゲートを組み合わせた複雑な回路のポート接続方法を表します。

module complex_logic(input A, input B, input C, output Y);
    wire w1, w2;
    // 日本語での説明: 論理ゲートを組み合わせた回路
    and_gate u1(.A(A), .B(B), .Y(w1));
    or_gate u2(.A(w1), .B(C), .Y(Y));
endmodule

このコードを実行すると、ANDゲートとORゲートを組み合わせた複雑な論理回路が形成され、その結果がYに接続されます。

●注意点と対処法

Verilogのポート接続は非常に強力ですが、正しく利用しなければ予期しないエラーや不具合が発生することがあります。

初心者が特に注意すべきポイントと、それに対する対処法を具体的なサンプルコードとともに解説します。

○未接続のポート

最も一般的な問題の一つは、モジュールのポートが意図せず未接続のままになってしまうことです。

これは、モジュールの内部で正常に動作しない原因となります。

このコードでは、モジュールAのポートが意図せず未接続のままになっている例を紹介しています。

この例では、outputポートのyが未接続となっています。

module A(input x, output y);
    // yが未接続
endmodule

module Top();
    wire w;
    A inst(.x(w), .y());
endmodule

未接続のポートは、モジュールの外部に接続するか、適切な初期値を与えることで解決できます。

下記のサンプルコードでは、未接続だったyポートをwire型の変数wに接続しています。

module Top();
    wire w, z;
    A inst(.x(w), .y(z));
endmodule

○ビット幅の不整合

ポートのビット幅が一致しない場合、シミュレーションや合成時にエラーが発生することがあります。

このコードでは、ビット幅が一致しないポートを接続している例を紹介しています。

この例では、4ビットのinputポートxと、8ビットのwire型の変数wが接続されています。

module B(input [3:0] x, output y);
    // 処理内容
endmodule

module Top();
    wire [7:0] w;
    B inst(.x(w), .y(1'b0));
endmodule

ポートのビット幅を明示的に指定するか、ビット幅が一致するようにモジュールの内外で調整します。

下記のサンプルコードでは、モジュールBのポートxのビット幅を8ビットに変更しています。

module B(input [7:0] x, output y);
    // 処理内容
endmodule

●カスタマイズ方法

Verilogのポート接続を更に使いやすくするためのカスタマイズ方法もあります。

特定の用途に合わせて、ポート接続の振る舞いを変更することが可能です。

○条件に応じたポート接続

このコードでは、条件に応じてポートを接続する方法を紹介しています。

この例では、パラメータUSE_PORTを使って、特定の条件下でのみポートzを接続しています。

module C #(parameter USE_PORT = 0) (
    input x, 
    output reg y
);
    generate 
        if (USE_PORT == 1) begin
            output z;
            // zの処理内容
        end
    endgenerate
endmodule

上記の例のようにgenerate文を使用することで、条件に応じたポート接続が可能となります。

パラメータを変更することで、モジュールの外部からポートの接続を制御することができます。