Verilogのalways文をマスターする完全ガイド10選

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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カスタムコードを使って機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

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はじめに

Verilogは、ハードウェア記述言語の一つとして広く知られ、多くのFPGAやASICの設計において利用されています。

特にalways文は、Verilogを使ったハードウェア設計において重要な役割を果たしています。

この記事では、always文の基本から応用、注意点までを詳細に解説します。

●Verilogのalways文とは

always文は、Verilogの中で繰り返し行う動作を記述するためのブロックです。

これを用いることで、特定の条件下での動作や状態遷移など、複雑なロジックの実装が可能となります。

○always文の基本

always文は次の形式で記述されます。

always @(センシティビティリスト) begin
  // 処理内容
end

このコードではalways文を使って、特定の条件(センシティビティリスト)が成立したときに処理内容を実行することを表しています。

この例ではセンシティビティリストに応じて処理内容が実行されます。

●always文の使い方

○サンプルコード1:簡単なalways文の使用例

module always_example(input clk, input rst, output reg out);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) out <= 0;
    else out <= ~out;
end
endmodule

このコードではclkの立ち上がりエッジまたはrstの立ち上がりエッジが検出されたときに動作します。

rstがアクティブな場合、outを0にリセットし、それ以外の場合はoutの値を反転します。

この例では、クロックとリセットを使ってoutの値を制御しています。

○サンプルコード2:always文の条件分岐

module condition_example(input a, input b, output reg y);
always @(*) begin
    if (a) y = b;
    else y = ~b;
end
endmodule

このコードでは、入力aの値に応じてyの値をbまたは~bに設定しています。

この例では、aの値によってyの出力が変わることを表しています。

○サンプルコード3:always文のループ処理

module loop_example(input clk, output reg [3:0] count);
always @(posedge clk) begin
    count <= count + 1;
end
endmodule

このコードでは、clkの立ち上がりエッジごとにcountの値をインクリメントします。

この例では、4ビットのカウンタを実装しています。

○サンプルコード4:always文の待機処理

Verilogにおいて、特定の時間を待機する場面は多々あります。

その際にalways文の待機処理を使用することで、指定した時間だけの待機を実現できます。

module delay_example(input clk, output reg signal);
always @(posedge clk) begin
    #5 signal <= 1;
    #10 signal <= 0;
end
endmodule

このコードではclkの立ち上がりエッジを検出するたびに、5時間単位でsignalを1にセットし、その後10時間単位でsignalを0にリセットします。

この例では、時間ベースでの動作制御を行っています。

●always文の応用例

○サンプルコード5:always文を使ったフリップフロップの設計

フリップフロップはディジタル回路の基本要素であり、Verilogのalways文を使って簡単に実装できます。

module flip_flop(input clk, input d, output reg q);
always @(posedge clk) begin
    q <= d;
end
endmodule

このコードではclkの立ち上がりエッジが検出されるたびに、入力dの値を出力qに格納します。

この例では、基本的なDフリップフロップを実装しています。

○サンプルコード6:always文を使ったカウンタの設計

カウンタは頻繁に使用されるディジタル回路の要素であり、always文で容易に設計できます。

module counter(input clk, input rst, output reg [3:0] count);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) count <= 4'b0000;
    else count <= count + 1;
end
endmodule

このコードでは、rstがアクティブな場合にcountをリセットし、それ以外の場合はcountをインクリメントします。

この例では、4ビットのカウンタを実装しています。

○サンプルコード7:always文を使った乗算器の設計

乗算器は算術操作を行うためのディジタル回路の一つです。

always文を使用して、2つの入力を掛け合わせる乗算器を設計することができます。

module multiplier(input [3:0] a, input [3:0] b, output reg [7:0] product);
always @(*) begin
    product = a * b;
end
endmodule

このコードでは、入力aとbの乗算結果をproductに出力します。

この例では、4ビットの入力値を乗算し、8ビットの結果を生成しています。

○サンプルコード8:always文を使ったシフトレジスタ

シフトレジスタは、ディジタル回路の中で頻繁に使用される要素です。

この要素はデータの一時的な保持やデータのシフト操作に使用されます。

always文を使用してVerilogでシフトレジスタを設計する基本的な例を紹介しています。

module shift_register(input clk, input rst, input din, output reg [7:0] dout);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst)
        dout <= 8'b00000000;
    else
        dout <= {dout[6:0], din};
end
endmodule

このコードでは、rstがアクティブの場合、doutを0でクリアします。

rstが非アクティブである場合、clkの立ち上がりエッジのたびに、doutの値を1ビット左にシフトし、dinの新しい値をdoutの最も右側に追加します。

この例では、8ビットの右方向へのシフトレジスタを実装しています。

○サンプルコード9:always文を使った分周器

分周器は、高い周波数のクロック信号を低い周波数に変換するために使用されます。

下記のコードは、Verilogのalways文を使用して分周器を設計する一例です。

module divider(input clk, input [15:0] div_value, output reg clk_out);
reg [15:0] count = 0;
always @(posedge clk) begin
    if(count == div_value - 1) begin
        clk_out <= ~clk_out;
        count <= 0;
    end else
        count <= count + 1;
end
endmodule

このコードでは、clkの立ち上がりエッジごとにcountをインクリメントします。

countがdiv_value – 1に達したとき、clk_outの状態を反転し、countをリセットします。

この例では、clkの周波数をdiv_valueで指定した値で分割しています。

○サンプルコード10:always文のネスト処理

Verilogのalways文内で別のalways文をネストすることはできませんが、条件分岐やループなどのネストは可能です。

ネストされた条件分岐を使用して複数の動作を制御する一例を紹介します。

module nested_example(input clk, input rst, input mode, output reg out_signal);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst)
        out_signal <= 0;
    else if (mode) 
        out_signal <= ~out_signal;
    else
        out_signal <= 1'b0;
end
endmodule

このコードでは、rstがアクティブの場合、out_signalをリセットします。

rstが非アクティブで、modeがアクティブの場合、out_signalの状態を反転します。

それ以外の場合、out_signalを0に設定します。

この例では、ネストされた条件分岐を使用して動作を制御しています。

●注意点と対処法

○デッドロックを避ける

デッドロックは、システムが停止し、進行できなくなる状態を指します。

Verilogでの設計時には、特にalways文の中で複数の非同期信号に依存する場合などに注意が必要です。

例えば、複数のクロックエッジや異なるリセット信号に反応するalways文を書いた場合、意図しない動作をする可能性があります。

○リセットの取り扱い

リセットは、回路を初期状態に戻すための重要な信号です。

always文内でリセットの取り扱いを適切に行うことで、回路の安定動作を保つことができます。

リセットの条件をalways文の最初に記述することで、他の条件よりも優先的にリセットが行われるように設計すると良いでしょう。

○always文の構文エラー

always文の構文エラーは、初心者にとってはよく遭遇する問題の一つです。

例えば、@の後に適切なトリガー条件を記述しなかったり、条件文の構文が間違っている場合などです。

エラーメッセージをよく読み、Verilogのリファレンスやマニュアルを参照しながら、正しい構文を確認し、修正することが大切です。

●カスタマイズ方法

○非同期リセットの実装

非同期リセットは、クロックの立ち上がりエッジや立ち下がりエッジに依存せず、リセット信号がアクティブになった時点で即座に反応するリセット方法です。

module async_reset_example(input clk, input async_rst, output reg signal);
always @(posedge clk or posedge async_rst) begin
    if (async_rst)
        signal <= 0;
    else
        signal <= 1'b1;
end
endmodule

このコードでは、async_rstがアクティブになると、signalは0に設定されます。

それ以外の場合、clkの立ち上がりエッジでsignalを1に設定します。

○サンプルコードにおける変数の変更方法

Verilogのサンプルコードでは、変数名やビット幅を変更することで、独自のニーズに合わせてカスタマイズすることができます。

例えば、シフトレジスタの例であれば、doutのビット幅を16ビットに増やすことができます。

○クロックの変更方法

クロック信号は、ディジタル回路の動作の基盤となるものです。

サンプルコードの中で使用されているクロック信号を、他のクロック信号に変更することで、異なるタイミングで動作させることができます。

まとめ

always文はVerilogにおいて非常に強力なツールであり、これを使うことで様々なディジタルロジックの設計が可能となります。

基本から応用、注意点やカスタマイズ方法まで、この記事を通じてalways文の概要を把握することができたでしょう。

適切な知識と技術を持ってalways文を使うことで、効率的かつ高性能なディジタルシステムを設計することができます。