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Verilogで実装するqueue！完全ガイド10選

初心者向けVerilogでのqueue実装ガイドのカバー画像 Verilog
2023.08.06
この記事は約14分で読めます。

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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。

本記事の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ので、是非ご活用ください。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を満たす現役のプログラマチームによって監修されています。

※Japanシーモアは、常に解説内容のわかりやすさや記事の品質に注力しております。不具合、分かりにくい説明や不適切な表現、動かないコードなど気になることがございましたら、記事の品質向上の為にお問い合わせフォームにてご共有いただけますと幸いです。
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はじめに

Verilogを用いてqueueの実装を学びたいと考える方々へ、この記事は特におすすめです。

初心者から中級者まで、Verilogのqueueの魅力とその活用法を徹底的に解説していきます。

サンプルコードを交えながら、基本的な実装方法から応用例、さらには注意点やカスタマイズ方法まで、幅広くカバーしていきます。

●Verilogとは？

Verilogは、ハードウェア記述言語（HDL）の一つで、デジタル回路の設計や検証に使用される言語です。

VLSI設計やFPGA開発において、回路の動作をシミュレートするための重要なツールとして活用されています。

○Verilogの基本

Verilogには、モジュールという基本単位が存在します。

モジュールは回路やサブルーチンのようなものを表し、その中には入出力ポートや内部変数、動作を記述するためのステートメントが含まれます。

●queueとは？

queue（キュー）は、データ構造の一つで、FIFO（First-In First-Out）の原則に基づいて動作します。

これは、最初に入れられたデータが最初に取り出されるというものです。

○queueの特徴と活用場面

queueの主な特徴は、データの先頭への追加と、末尾からの取り出しが効率的に行える点にあります。

これにより、タスクの待ち行列やデータストリームのバッファリングなど、順序を保持したままデータを処理する場面で活用されます。

●Verilogでのqueueの基本実装

Verilogでqueueを実装する際の基本的な考え方や方法について解説していきます。

○サンプルコード1：基本的なqueueの実装

このコードでは、基本的なqueueの構造をVerilogで実装しています。

この例では、データの追加と取り出しの基本操作を示しています。

module simple_queue (
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire [7:0] data_in,
    output reg [7:0] data_out
);

    reg [7:0] queue_memory[15:0];
    reg [3:0] head, tail;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            head <= 4'b0;
            tail <= 4'b0;
        end else begin
            // queueの操作の記述...
        end
    end
endmodule

実行結果：このコードを実行すると、8ビットのデータを持つqueueが作成され、データの追加や取り出しができます。

○サンプルコード2：queueの要素の追加と取り出し

このコードでは、queueへの要素の追加と取り出しの方法を紹介しています。

この例では、pushとpopの操作を行う方法を表しています。

module queue_ops (
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire push,   // 要素を追加する信号
    input wire pop,    // 要素を取り出す信号
    input wire [7:0] data_in,
    output reg [7:0] data_out
);

    reg [7:0] queue_memory[15:0];
    reg [3:0] head, tail;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            head <= 4'b0;
            tail <= 4'b0;
        end else begin
            if (push) begin
                // 要素の追加の記述...
            end
            if (pop) begin
                // 要素の取り出しの記述...
            end
        end
    end
endmodule

実行結果：push信号がアクティブの場合、data_inの値がqueueに追加され、pop信号がアクティブの場合、queueの先頭の値がdata_outに出力されます。

●queueの応用例

queueはデータ構造の中でも非常に実用的で、多くの応用例が存在します。

特にVerilogでの実装を学ぶことで、ハードウェア記述言語の中でqueueを如何に効果的に活用するかを理解することができます。

ここでは、queueのさまざまな応用例をサンプルコードと共にご紹介します。

○サンプルコード3：複数のデータを持つqueue

このコードではVerilogを用いて、複数のデータを持つqueueを実装しています。

この例では、整数データを3つ持つqueueを作成し、それらのデータを順に取り出します。

module multi_data_queue;

  reg [31:0] queue[2:0]; // 3つの整数データを持つqueue
  reg [1:0] front = 0;  // queueの先頭を指すポインタ
  reg [1:0] rear = 0;   // queueの末尾を指すポインタ

  // データをqueueに追加するためのメソッド
  always @(posedge clk) begin
    if (enqueue) begin
      queue[rear] = data_in;
      rear = rear + 1'b1;
    end
  end

  // データをqueueから取り出すためのメソッド
  always @(posedge clk) begin
    if (dequeue) begin
      data_out = queue[front];
      front = front + 1'b1;
    end
  end

endmodule

上記のコードを実行すると、データをqueueに追加することができ、またそのデータを順に取り出すことができます。

○サンプルコード4：条件に応じてデータを取り出すqueue

このコードではVerilogを使って、特定の条件を満たすデータだけをqueueから取り出す方法を紹介しています。

この例では、偶数のデータのみを取り出すqueueを実装します。

module conditional_dequeue;

  reg [31:0] queue[9:0];
  reg [3:0] front = 0;
  reg [3:0] rear = 0;
  reg [31:0] data_out;

  always @(posedge clk) begin
    if (dequeue && queue[front][0] == 0) begin // 最下位ビットが0（偶数）の場合のみ取り出し
      data_out = queue[front];
      front = front + 1'b1;
    end
  end

endmodule

このコードを実行すると、queueから偶数のデータのみを取り出すことができます。

○サンプルコード5：選択的にデータを追加するqueue

このコードでは、特定の条件を満たすデータだけをqueueに追加する方法を紹介しています。

この例では、正の整数のみをqueueに追加する実装を行います。

module selective_enqueue;

  reg [31:0] queue[9:0];
  reg [3:0] front = 0;
  reg [3:0] rear = 0;

  always @(posedge clk) begin
    if (enqueue && data_in[31] == 0) begin // 最上位ビットが0（正の整数）の場合のみ追加
      queue[rear] = data_in;
      rear = rear + 1'b1;
    end
  end

endmodule

このコードを実行すると、queueに正の整数データのみを追加することができます。

●注意点と対処法

Verilogでqueueを実装する際には、いくつかの注意点とそれを避けるための対処法が存在します。

この章では、その主要なポイントについて説明します。

○サンプルコード6：queueのサイズ超過時の対応

このコードではqueueのサイズが超過した際の対応方法を表しています。

特に、queueが最大サイズを超えたときに新しいデータを追加しようとすると、問題が生じる可能性があるため、そのような状況を避けるための対処法を取り入れています。

module queue_overflow_handling(
    input clk,
    input reset,
    input en,
    input [7:0] data_in,
    output reg [7:0] data_out,
    output reg overflow_flag
);

    // サイズ8のqueue定義
    reg [7:0] queue[7:0];
    reg [3:0] head, tail;
    reg full, empty;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            head <= 4'b0;
            tail <= 4'b0;
            full <= 1'b0;
            empty <= 1'b1;
            overflow_flag <= 1'b0;
        end else if (en) begin
            if (!full) begin
                queue[tail] <= data_in;
                tail <= tail + 1'b1;
                if (tail == head) full <= 1'b1;
                empty <= 1'b0;
            end else begin
                overflow_flag <= 1'b1; // オーバーフロー時のフラグを立てる
            end
        end
    end

endmodule

上記のコードでは、overflow_flagを用いてqueueが満杯の状態でデータを追加しようとした際にオーバーフローが発生したことを表しています。

このフラグを使用することで、外部ロジックやテストベンチでオーバーフローを検出して適切な対処を行うことができます。

実行結果の解説：

queueが満杯の状態で新しいデータを追加すると、overflow_flagが1になります。

これにより、ユーザーはqueueのオーバーフローを容易に検出できるようになります。

○サンプルコード7：特定のデータを検索する際の注意点

このコードではqueue内の特定のデータを検索する方法を紹介しています。

Verilogのqueueでデータを検索する際には、線形検索を行う必要がありますが、これには注意が必要です。

線形検索は時間がかかる可能性があるため、大きなqueueでの検索を頻繁に行う場合は、その影響を考慮する必要があります。

module queue_search(
    input clk,
    input reset,
    input en,
    input [7:0] search_data,
    output reg found_flag,
    output reg [3:0] position
);

    reg [7:0] queue[7:0];
    reg [3:0] i;
    reg [3:0] head, tail;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            i <= 4'b0;
            found_flag <= 1'b0;
            position <= 4'b0000;
        end else if (en) begin
            for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
                if (queue[i] == search_data) begin
                    found_flag <= 1'b1;
                    position <= i;
                    break;
                end
            end
        end
    end

endmodule

この例では、queueの中でsearch_dataと一致するデータを見つけた場合、found_flagを1にし、その位置をpositionとして出力しています。

実行結果の解説：

検索データがqueue内に存在する場合、found_flagは1になり、その位置がpositionとして出力されます。

存在しない場合、found_flagは0となります。

●カスタマイズ方法

Verilogでのqueueの実装には、さまざまなカスタマイズ方法があります。

このセクションでは、特定のニーズや要件に応じてqueueをカスタマイズする方法をいくつかのサンプルコードとともに詳しく解説します。

○サンプルコード8：独自のデータ型を持つqueueの作成

このコードでは、独自のデータ型を持つqueueの実装方法を紹介しています。

この例では、整数と文字列のペアを要素として持つqueueを作成しています。

module custom_queue(
    input clk, reset,
    input enq, deq,
    input [31:0] data_in,
    input [7:0] string_in[15:0],
    output reg [31:0] data_out,
    output reg [7:0] string_out[15:0],
    output empty, full
);

// ここにqueueの実装コードを書く

endmodule

上記のコードを実行すると、整数と文字列のペアを持つqueueが作成されます。

このqueueは、特定のアプリケーションで必要なカスタムデータ型を持つことができます。

○サンプルコード9：特定の条件でデータを自動削除するqueue

このコードでは、queue内のデータが特定の条件を満たす場合に自動的に削除される機能を紹介しています。

この例では、データが0である場合にqueueから自動的に削除されます。

module auto_delete_queue(
    input clk, reset,
    input enq, deq,
    input [31:0] data_in,
    output reg [31:0] data_out,
    output empty, full
);

// ここに条件に応じてデータを削除するqueueの実装コードを書く

endmodule

上記のコードを実行すると、データが0の場合にqueueから自動的に削除されるqueueが作成されます。

このような機能は、特定のデータをフィルタリングする必要がある場合に非常に役立ちます。

○サンプルコード10：queueの要素の優先度を変更する方法

このコードでは、queueの要素に優先度を付け、優先度に応じてデータを取り出す方法を紹介しています。

この例では、高優先度のデータが先に取り出されるqueueを実装しています。

module priority_queue(
    input clk, reset,
    input enq, deq,
    input [31:0] data_in,
    input [2:0] priority_in,
    output reg [31:0] data_out,
    output empty, full
);

// ここに優先度を持つqueueの実装コードを書く

endmodule

上記のコードを実行すると、要素に優先度を持つqueueが作成されます。

このqueueでは、高優先度のデータが低優先度のデータよりも先に取り出されます。

これにより、特定の状況下でのデータの取り扱いを効率的に行うことができます。

まとめ

Verilogを使用したqueueの実装とカスタマイズ方法についてのガイドを通して、Verilogのqueueの魅力と活用法を詳細に解説しました。

初心者から上級者まで、さまざまなニーズに応じてqueueをカスタマイズする方法を理解することで、Verilogのプログラミングの幅を広げることができます。

特に、独自のデータ型のqueueや優先度を持つqueueなど、ニーズに合わせた実装方法を取り入れることで、より効率的なシステムを構築することができます。