Verilogのnegedgeを使いこなす7つのステップ

Verilogのnegedgeを使った回路設計のイラスト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。

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はじめに

近年、ディジタル回路の設計に欠かせない言語として「Verilog」が注目されています。

特にnegedgeの使用方法は、初心者にとっては少し難しく感じることが多いかもしれません。

本記事では、Verilogでのnegedgeの詳しい使い方やカスタマイズ方法、さらには実用的なサンプルコードを初心者目線で解説します。

negedgeを使った回路設計の秘訣を、7つのステップで完璧に理解しましょう。

●Verilogとは

Verilogは、ディジタル回路の設計や検証に用いられるハードウェア記述言語の一つです。

○基本概念

Verilogのコードは、モジュールという単位で記述されるのが特徴です。

モジュールは、入力、出力、内部信号などを持つことができ、これらの信号間での論理や算術演算を行うことで、様々な回路を記述することが可能です。

●negedgeとは

negedgeとは、Verilogにおいて信号の下降エッジ(負のエッジ)を検出するための指示子です。

○negedgeの特性

negedgeは、主にクロック信号などの周期的な信号の下降エッジを検出する際に使用されます。

例えば、Dフリップフロップなどの記述時に、データのサンプリングタイミングを指定するのによく使われます。

●negedgeの使い方

○サンプルコード1:シンプルなフリップフロップ

このコードでは、negedgeを使ってDフリップフロップを実装するコードを紹介しています。

この例では、クロックの下降エッジでデータをサンプリングしています。

module d_flip_flop(input clk, input d, output reg q);
always @(negedge clk) 
    q <= d;
endmodule

実行結果:クロックの下降エッジ毎に、入力dが出力qに反映されます。

○サンプルコード2:カウンタの実装

このコードでは、negedgeを使って4ビットのカウンタを実装するコードを紹介しています。

この例では、クロックの下降エッジ毎にカウンタの値が増加しています。

module counter(input clk, output reg [3:0] count);
always @(negedge clk)
    count <= count + 1'b1;
endmodule

実行結果:クロックの下降エッジが来るたびに、countの値が1ずつ増加します。

○サンプルコード3:negedgeを活用したシフトレジスタ

このコードでは、negedgeを使用してシフトレジスタを実装するコードを紹介しています。

この例では、データを左に1ビットずつシフトしています。

module shift_register(input clk, input d_in, output reg [3:0] data_out);
always @(negedge clk)
    data_out <= {data_out[2:0], d_in};
endmodule

実行結果:クロックの下降エッジが来るたびに、data_outが左に1ビットずつシフトされ、最右ビットにd_inが追加されます。

●応用例

○サンプルコード4:分周器の実装

このコードでは、negedgeを使って分周器を実装するコードを紹介しています。

この例では、入力クロックの周波数を半分にして出力しています。

module divider(input clk_in, output reg clk_out);
reg tmp = 0;
always @(negedge clk_in)
    tmp <= ~tmp;
assign clk_out = tmp;
endmodule

実行結果:clk_inの下降エッジが来るたびに、tmpの値が反転され、その結果としてclk_outの周波数はclk_inの半分になります。

○サンプルコード5:negedgeを使ったPWM生成

このコードでは、negedgeを使用してPWM信号を生成するコードを紹介しています。

この例では、カウンタの値をもとにPWMのデューティ比を制御しています。

module pwm_generator(input clk, output reg pwm_out);
reg [3:0] cnt = 0;
reg [3:0] threshold = 5;  // PWMのデューティ比を決定
always @(negedge clk)
    cnt <= cnt + 1'b1;
assign pwm_out = (cnt < threshold) ? 1'b1 : 1'b0;
endmodule

実行結果:クロックの下降エッジ毎にcntが増加し、cntの値がthresholdよりも小さい間はpwm_outが1となります。thresholdよりも大きくなるとpwm_outは0となります。

○サンプルコード6:セットリセットラッチの実装

セットリセットラッチは、電子回路における基本的なストレージ要素の一つであり、Verilogを使用して簡単に実装することができます。

セットリセットラッチは、2つの入力、セット(S)とリセット(R)を持ち、それぞれの入力によってラッチの状態を制御します。

このセクションでは、negedgeを利用したセットリセットラッチの実装方法を解説します。

このコードでは、negedgeを使ってセットリセットラッチを実装するコードを紹介しています。

この例では、セットリセットラッチをnegedgeの動作と組み合わせて効果的に動作させています。

module SR_Latch(input S, input R, input clk, output Q, output Qbar);
    // 入力: S(セット), R(リセット), clk(クロック)
    // 出力: Q, Qbar(反転したQ)

    // negedgeクロックを使用してセットリセットラッチの動作を構築
    always @(negedge clk)
    begin
        if (S && !R)        // S=1, R=0の場合
            Q = 1'b1;
        else if (!S && R)   // S=0, R=1の場合
            Q = 1'b0;
    end

    assign Qbar = ~Q;      // Qの反転をQbarに割り当て

endmodule

上記のコードの実行結果は次の通りです。

  • S=1, R=0 の場合、Qは ‘1’ となり、Qbarは ‘0’ となります。
  • S=0, R=1 の場合、Qは ‘0’ となり、Qbarは ‘1’ となります。
  • SとRの両方が同時に ‘1’ の場合、ラッチは不定の状態になる可能性があります。このような状態は避ける必要があります。

●注意点と対処法

セットリセットラッチの実装において、次の注意点を把握しておくことが重要です。

  1. SとRの両方を同時に’1’にしないよう注意してください。
    この状態は不定の状態となり、予期しない動作が生じる可能性があります。
  2. negedgeクロックエッジの瞬間にのみラッチの状態が変化します。
    そのため、クロックエッジの外でのSやRの変更は無視されます。
  3. 電力消費を低減するためには、不必要な時にラッチの状態を変更しないように設計することが推奨されます。

これらの注意点を遵守することで、セットリセットラッチの正確で効率的な動作を実現することができます。

●カスタマイズ方法

セットリセットラッチは、基本的な動作を持っていますが、特定のアプリケーションに適応させるためにカスタマイズすることができます。

例として、ラッチの出力に遅延を持たせることで、特定のタイミングでの動作を制御することが考えられます。

この場合、遅延要素として簡単なRCフィルターや他のVerilogプリミティブを使用して実装することができます。

まとめ

Verilogを使用したセットリセットラッチの実装方法について解説しました。

negedgeを利用することで、精密なタイミング制御を持ったラッチの動作を実現することができます。

また、実装に際しての注意点やカスタマイズ方法についても触れました。

この情報を活用し、効果的なデジタル回路設計を行うことができるでしょう。