Verilogのcasez活用法10選

Verilogのcasezの具体的な使い方とサンプルコード Verilog

 

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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として幅広く利用されています。

その中でも、casez文は特に便利な機能の一つとして知られています。

この記事では、Verilogのcasez文を活用した実用的なサンプルコード10選を紹介します。

初心者から経験者まで、幅広く活用できる内容を取り揃えていますので、ぜひ最後までお読みください。

●Verilogとcasezの基本

○Verilogについて

Verilogは、ハードウェア記述言語(HDL)として1980年代に誕生しました。

デジタル回路の設計や検証を効率的に行うために使用される言語であり、FPGAやASICの設計にも利用されています。

○casez文の特徴

casez文は、Verilogにおける特殊なcase文として知られています。

通常のcase文とは異なり、casez文ではドントケア条件をzとして表現することが可能です。

これにより、複雑な条件分岐をシンプルに記述することができます。

●casezの基本的な使い方

○サンプルコード1:基本的なcasezの使用例

このコードでは、casez文を用いて4つの入力値に応じて出力を切り替える例を紹介しています。

この例では、入力がzの場合には、どの条件にも一致しない場合の出力を行っています。

module basic_casez(input [1:0] sel, output reg out);
    always @(sel) begin
        casez(sel)
            2'b00: out = 1'b0;
            2'b01: out = 1'b1;
            2'b1z: out = 1'b0;
            default: out = 1'b1;
        endcase
    end
endmodule

上記のコードを実行すると、selの値に応じてoutが切り替わります。

たとえば、sel2'b00の場合、out1'b0になります。

●casezの応用方法

○サンプルコード2:マルチプレクサの作成

このコードでは、casez文を使用してマルチプレクサを実装する例を紹介しています。

この例では、3つの入力信号から1つの出力信号を選択して出力します。

module multiplexer(input [2:0] sel, input [2:0] data, output reg out);
    always @(sel, data) begin
        casez(sel)
            3'b000: out = data[0];
            3'b001: out = data[1];
            3'b010: out = data[2];
            default: out = 1'b0;
        endcase
    end
endmodule

上記のコードを実行すると、selの値に応じてdataから選択された値がoutに出力されます。

○サンプルコード3:デコーダの実装

このコードでは、casez文を用いてデコーダを実装する例を紹介しています。

この例では、2ビットの入力値に応じて4つの出力を切り替えます。

module decoder(input [1:0] sel, output reg [3:0] out);
    always @(sel) begin
        casez(sel)
            2'b00: out = 4'b0001;
            2'b01: out = 4'b0010;
            2'b10: out = 4'b0100;
            2'b11: out = 4'b1000;
        endcase
    end
endmodule

上記のコードを実行すると、selの値に応じて、outの4つのビットのうち1つだけがハイレベルになります。

○サンプルコード4:条件別の信号処理

このコードでは、casez文を使用して条件ごとに異なる信号処理を行う例を紹介しています。

この例では、入力信号の値に応じて異なる算術演算を実行します。

module conditional_processing(input [1:0] op, input [3:0] a, input [3:0] b, output reg [3:0] result);
    always @(op, a, b) begin
        casez(op)
            2'b00: result = a + b;
            2'b01: result = a - b;
            2'b10: result = a & b;
            default: result = 4'b0000;
        endcase
    end
endmodule

上記のコードを実行すると、opの値に応じて、加算、減算、論理積のいずれかの演算が実行され、その結果がresultに格納されます。

●casezを使用した実践的なプロジェクト

○サンプルコード5:状態機械の設計

状態機械は、デジタル回路の基本的な構造の一つです。

casez文を使用して状態機械を設計すると、状態遷移を効率的に記述することができます。

module state_machine(input clk, input rst, output reg [1:0] state);
    parameter S0 = 2'b00, S1 = 2'b01, S2 = 2'b10;

    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) state <= S0;
        else begin
            casez(state)
                S0: state <= S1;
                S1: state <= S2;
                S2: state <= S0;
            endcase
        end
    end
endmodule

上記のコードを実行すると、リセット信号がアクティブになると状態機械はS0状態に遷移し、その後はS1、S2と順に状態が遷移していきます。

○サンプルコード6:モジュラーコードの統合

複数のVerilogモジュールを統合する際に、casez文を使用して入力信号に応じて異なるモジュールを選択することができます。

module modular_integration(input [1:0] sel, input [3:0] data, output reg [3:0] out);
    wire [3:0] module1_out, module2_out, module3_out;

    // Assuming module1, module2, and module3 are defined elsewhere

    always @(sel, data) begin
        casez(sel)
            2'b00: out = module1_out;
            2'b01: out = module2_out;
            2'b10: out = module3_out;
            default: out = 4'b0000;
        endcase
    end
endmodule

上記のコードでは、selの値に応じて、module1_outmodule2_out、またはmodule3_outのいずれかがoutに出力されます。

●casez文の注意点と対処法

Verilogのcasez文は非常に便利な文であり、多くのデザインにおいて有効に利用されています。

しかしながら、注意しなければならないポイントやトラブルの原因となる要因もあります。

ここでは、そのような注意点やトラブルの原因と、それを解決するための方法を詳しく解説します。

○不具合の原因と解決方法

①不定の信号の取り扱い

このコードでは、不定の信号(’z’)を使ってcasez文を活用する方法を紹介しています。

この例では、特定の条件下で不定の信号を発生させ、それをcasez文で適切に処理しています。

module undefined_signal(input [2:0] sel, output reg out);
    always @(sel) begin
        casez (sel)
            3'b0??: out = 1'b0;
            3'b10?: out = 1'b1;
            default: out = 1'bX;
        endcase
    end
endmodule

このサンプルコードでは、sel信号の最下位ビットが不定の場合、それに応じて出力を制御しています。

実行結果として、selが3'b0??の場合、outは1'b0となり、3'b10?の場合は1'b1となります。

②default文の省略

casez文を使用する際、全ての条件を網羅していない場合、意図しない動作をする可能性があります。

そのため、必ずdefault文を追加して、想定外の条件も考慮することが推奨されます。

③シミュレーションと合成の差異

シミュレーション環境と合成結果で動作が異なることが考えられます。

特にcasez文を使用する際、合成ツールによっては正しく認識されない場合があります。

シミュレーションだけでなく、実際の合成結果も確認することが必要です。

●casezのカスタマイズ方法

Verilogのcasez文は基本的な動作はシンプルですが、独自のカスタマイズや拡張を行うことで、より高度な動作を実現することができます。

○サンプルコード7:ユーザー定義関数との組み合わせ

このコードでは、ユーザー定義関数を用いて、casez文をカスタマイズする方法を紹介しています。

この例では、特定のビットパターンに対して独自の処理を実行しています。

module custom_function(input [2:0] sel, output reg out);
    function check_pattern;
        input [2:0] val;
        if (val[2] & ~val[1] & val[0]) begin
            check_pattern = 1;
        end else begin
            check_pattern = 0;
        end
    endfunction

    always @(sel) begin
        casez(sel)
            3'b001: out = 1'b0;
            3'b010: out = 1'b1;
            default: out = check_pattern(sel);
        endcase
    end
endmodule

このサンプルコードでは、selが3'b001の場合、outは1'b0となり、3'b010の場合は1'b1となります。

それ以外の場合は、ユーザー定義関数check_patternを用いて出力を決定しています。

○サンプルコード8:外部モジュールとの連携

このコードでは、Verilogのcasezを使用して、外部モジュールとの連携を実現するサンプルコードを紹介しています。

この例では、主要なモジュールがいくつかの外部モジュールを呼び出して、特定の条件に基づいて動作を切り替える方法を示しています。

module MainModule(input [3:0] ctrl, input [7:0] data_in, output reg [7:0] data_out);

    // 外部モジュールの宣言
    ExternalModule1 ext_mod1(.data(data_in), .result(data_out1));
    ExternalModule2 ext_mod2(.data(data_in), .result(data_out2));

    reg [7:0] data_out1, data_out2;

    always @(ctrl or data_in) begin
        // casezを用いた処理の分岐
        casez(ctrl)
            4'b1??: data_out = data_out1;
            4'b01??: data_out = data_out2;
            default: data_out = 8'b0;
        endcase
    end
endmodule

module ExternalModule1(input [7:0] data, output reg [7:0] result);
    // 実際の処理内容(省略)
endmodule

module ExternalModule2(input [7:0] data, output reg [7:0] result);
    // 実際の処理内容(省略)
endmodule

この例では、MainModuleが2つの外部モジュール、ExternalModule1およびExternalModule2と連携しています。

ctrl信号に基づいて、どちらのモジュールの結果をdata_outに割り当てるかを判定しています。

このように、casez文を活用することで、異なるモジュール間でのデータの切り替えがスムーズに行えます。

○実行結果の解説

上記のコードを実行すると、ctrlの入力値によってMainModuleの出力data_outExternalModule1またはExternalModule2からの出力に切り替わります。

例えば、ctrl4'b1???のとき、data_outdata_out1の値を反映し、ctrl4'b01??の場合、data_outdata_out2の値を反映します。

それ以外のctrlの値では、data_out8'b0に設定されます。

●注意点や応用例

casez文を使用する場合、特に外部モジュールとの連携においては、入力信号の全てのパターンが網羅されていることを確認する必要があります。

未網羅の状態でシミュレーションや実際のハードウェアに実装すると、予期しない動作が発生する可能性があります。

●カスタマイズ例

外部モジュールの数を増やしたり、異なる種類のモジュールとの連携を考慮する場合、casez文の分岐を拡張することで容易に対応することができます。

例えば、3つ目のモジュールExternalModule3を追加して、その結果もcasez文で選択できるように拡張することが考えられます。

// 例:ExternalModule3の追加とcasez文の拡張
module MainModule(input [3:0] ctrl, input [7:0] data_in, output reg [7:0] data_out);

    // 外部モジュールの宣言
    ExternalModule1 ext_mod1(.data(data_in), .result(data_out1));
    ExternalModule2 ext_mod2(.data(data_in), .result(data_out2));
    ExternalModule3 ext_mod3(.data(data_in), .result(data_out3));  // 追加

    reg [7:0] data_out1, data_out2, data_out3;  // data_out3追加

    always @(ctrl or data_in) begin
        // casezを用いた処理の分岐
        casez(ctrl)
            4'b1??: data_out = data_out1;
            4'b01??: data_out = data_out2;
            4'b001?: data_out = data_out3;  // 追加
            default: data_out = 8'b0;
        endcase
    end
endmodule

このように、casez文はモジュール間の連携やデータの切り替えを行う際に非常に有用です。

適切に活用することで、効率的なハードウェア記述が可能となります。

まとめ

このように、Verilogのcasez文は様々な条件分岐のシチュエーションで非常に有効です。

初心者の方は、この記事のサンプルコードを参考にしながら実際に手を動かしてみることで、理解を深めることができるでしょう。