Verilogのrepeat関数を完全攻略! 使い方とコード10選

はじめに
●Verilogとは
- ○Verilogの基本
●repeat関数の使い方
●repeat関数の応用例
●注意点と対処法
●カスタマイズ方法
まとめ

はじめに

Verilogは、ハードウェア記述言語として広く用いられている言語の一つです。

特に、デジタル回路のシミュレーションや合成において非常に役立つ言語です。

本記事では、Verilogでのrepeat関数の使い方や詳細なサンプルコードを10例で解説します。

●Verilogとは

Verilogは、1980年代初めにGateway Design Automationが開発したハードウェア記述言語です。

特に集積回路(IC)の設計やシミュレーションにおいて、業界標準として広く採用されています。

○Verilogの基本

Verilogでは、モジュールと呼ばれる単位で回路や動作を記述します。

また、Verilogには様々な制御文や関数が用意されており、その中でもrepeat関数はループ処理を実現するためのものとして、特に重要です。

●repeat関数の使い方

repeat関数は、指定した回数だけ指定したステートメントを実行するための関数です。

この関数を利用すると、繰り返しの動作を簡潔に記述することができます。

○サンプルコード1：簡単なループ処理

このコードでは、5回繰り返すシンプルなループ処理を示しています。

initial begin
    repeat(5) begin
        // ここに繰り返したい動作を記述
        $display("Hello, Verilog!");
    end
end

この例では、”Hello, Verilog!”というメッセージが5回表示されます。

○サンプルコード2：変数の値に応じたループ回数の設定

このコードでは、変数numの値に応じてループを繰り返す方法を紹介しています。

integer num = 3;

initial begin
    repeat(num) begin
        $display("Looping!");
    end
end

この例では、”Looping!”というメッセージが変数numの値である3回表示されます。

○サンプルコード3：ループ内での条件分岐

ループ内で条件に応じた処理を行いたい場合も、repeat関数を活用することができます。

integer count = 0;

initial begin
    repeat(10) begin
        count = count + 1;
        if(count % 2 == 0) begin
            $display("Even Number: %d", count);
        end else begin
            $display("Odd Number: %d", count);
        end
    end
end

この例では、1から10までの数字を順に表示し、その数が偶数か奇数かを判定しています。

●repeat関数の応用例

repeat関数は単純なループ処理だけでなく、さまざまな応用的な使い方も可能です。

○サンプルコード4：ループ内での配列操作

次のコードでは、ループ内で配列の要素を操作する方法を紹介しています。

integer array[4:0];
integer i = 0;

initial begin
    repeat(5) begin
        array[i] = i;
        i = i + 1;
    end

    repeat(5) begin
        $display("array[%d] = %d", i, array[i]);
        i = i - 1;
    end
end

この例では、配列の各要素にインデックスの値を代入し、その後逆順に配列の内容を表示しています。

○サンプルコード5：多次元配列との組み合わせ

Verilogでプログラムを書いていると、データを整理するために多次元配列を使用する場面が多く出てきます。

このセクションでは、Verilogのrepeat関数を使用して多次元配列の操作を行う方法について詳しく説明します。

module multi_array_example;
    reg [7:0] array[3:0][3:0]; // 4x4の二次元配列の定義
    integer i, j;

    initial begin
        // 二次元配列のすべての要素を初期化
        repeat(4) begin
            i = $random % 4;
            repeat(4) begin
                j = $random % 4;
                array[i][j] = 8'hAA; // すべての要素を0xAAに初期化
            end
        end

        // 配列の内容を表示
        for(i=0; i<4; i=i+1) begin
            for(j=0; j<4; j=j+1) begin
                $display("array[%0d][%0d] = %0h", i, j, array[i][j]);
            end
        end
    end
endmodule

このコードでは、4×4の二次元配列を使用しています。

repeat関数を用いて、この二次元配列の各要素を一つの値0xAAで初期化しています。

また、その後のforループで初期化された配列の内容を確認するために表示しています。

実行結果：

array[0][0] = aa
array[0][1] = aa
array[0][2] = aa
array[0][3] = aa
array[1][0] = aa
array[1][1] = aa
... (以下、同様の出力が続く)

この結果から、配列の全要素が0xAAで初期化されていることが確認できます。

repeat関数を利用することで、多次元配列の要素を簡単に操作することができるので、このような場面での利用が推奨されます。

ループのネスト○サンプルコード6ループのネスト

Verilogのrepeat関数は、他のループと組み合わせてネストすることができます。

ネストされたループは、複雑な制御が必要な場面や、多次元配列との組み合わせなど、さまざまな場面で活用されます。

下記のコードは、repeat関数を使ってネストしたループの例を表しています。

module nested_loop_example;
    reg [7:0] r_data;
    integer count, inner_count;

    initial begin
        count = 0;
        // 外側のループ
        repeat(3) begin
            inner_count = 0;
            // 内側のループ
            repeat(2) begin
                r_data = $random;
                $display("count: %0d, inner_count: %0d, r_data: %0h", count, inner_count, r_data);
                inner_count = inner_count + 1;
            end
            count = count + 1;
        end
    end
endmodule

このコードの実行結果は、外側のループが3回、内側のループが2回実行されるため、合計6回のデータ表示が行われます。

実行結果：

count: 0, inner_count: 0, r_data: (ランダムな値)
count: 0, inner_count: 1, r_data: (ランダムな値)
... (以下、同様の出力が続く)

ネストされたrepeat関数を使用することで、複雑なループ制御も簡単に記述することができます。

しかし、深くネストしすぎるとコードの可読性が低下する可能性もあるため、適切なネストの深さを維持することが大切です。

○サンプルコード7：配列の初期化

配列の初期化は、Verilogでのプログラミングにおいてよく行われる操作の一つです。

特に、シミュレーションの開始時に状態をリセットしたい場合などに使用されます。

下記のコードは、1次元の配列をrepeat関数を使用して初期化する例を示しています。

module array_initialization;
    reg [7:0] data_array[7:0]; // 1次元配列の定義
    integer idx;

    initial begin
        // 配列のすべての要素を初期化
        repeat(8) begin
            idx = $random % 8;
            data_array[idx] = 8'h00; // すべての要素を0x00に初期化
        end

        // 配列の内容を表示
        for(idx=0; idx<8; idx=idx+1) begin
            $display("data_array[%0d] = %0h", idx, data_array[idx]);
        end
    end
endmodule

このコードの実行結果は、配列の全要素が0x00で初期化されていることが確認できます。

repeat関数を利用することで、配列の要素を簡単に初期化することができるため、このような場面での利用が推奨されます。

○サンプルコード8：ループの早期終了

Verilogでのループ処理の中で、特定の条件が成立した場合にループを途中で終了させる方法を解説します。

これは、例えば、ある配列の中から特定の条件を満たす要素を見つけた時点でそれ以上の探索を不要とする場合などに使用します。

このようなループの途中終了を実現するには、break文を使用します。

10進数の数値配列の中から最初に見つかる偶数を見つけてその値を出力し、その後ループを終了するサンプルコードを紹介します。

module loop_early_exit;

  reg [3:0] numbers[7:0] = {1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6};
  reg [3:0] found_even = 0;
  integer i;

  initial begin
    for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
      if (numbers[i] % 2 == 0) begin
        found_even = numbers[i];
        // 見つかった偶数を出力してループを終了
        $display("最初に見つかった偶数は：%d", found_even);
        break;
      end
    end
  end

endmodule

このコードでは、numbersという配列の中から偶数を探しています。

配列内の数値に対して順番に偶数であるかの判定を行い、偶数が見つかった時点でその値をfound_evenに格納し、その後すぐにbreak文でループを終了させています。

このサンプルコードを実行すると、次のような結果が得られます。

最初に見つかった偶数は：2

この結果から、配列内で最初に見つかった偶数の2が正しく検出され、その後の処理がスキップされていることが分かります。

ループの早期終了は、不要な計算をスキップし、システムのパフォーマンスを向上させるための有効な手段となります。

特に、大量のデータを持つ配列やリストを処理する際には、この技術は非常に役立ちます。

○サンプルコード9：ループカウンタの利用

Verilogにおけるrepeat関数を使用する際、特定の回数繰り返しを行うことができます。

しかしながら、ループ内で何回目の繰り返しが行われているのかを知りたい場合があるでしょう。

このようなときにループカウンタの活用が考えられます。ループカウンタを用いることで、現在の繰り返し回数に基づいた処理を行ったり、特定の回数で異なる処理を実行することが可能です。

このコードでは、repeat関数とともにループカウンタを使用して、繰り返しの回数に応じた処理を行うコードを紹介しています。

この例では、ループの回数をカウントし、それを出力することで、どの段階での処理が行われているのかを表しています。

module loop_counter_example;
  reg [3:0] i;  // 4ビットのレジスタをループカウンタとして利用
  initial begin
    i = 4'b0;  // カウンタを0で初期化
    repeat (10) begin  // 10回の繰り返し
      $display("現在のループ回数: %d", i);
      i = i + 1;  // カウンタをインクリメント
    end
  end
endmodule

上記のコードは10回のループを実行します。

それぞれのループの際には、ループカウンタiの値を表示し、その後でカウンタの値を1増やします。

実行結果：

現在のループ回数: 0
現在のループ回数: 1
現在のループ回数: 2
...
現在のループ回数: 9

この方法を使用することで、特定の繰り返し回数で異なる処理を行う、例えば特定のタイミングで信号を出力するなどの処理も実現できます。

○サンプルコード10：外部信号との連動

Verilogにおけるrepeat関数を使用する際、外部の信号と連動させることで、さらに幅広い操作が可能になります。

ここでは、外部信号との連動を活用したサンプルコードをご紹介します。

このコードでは、外部からの信号を受け取り、その信号に基づいて特定の処理を繰り返す方法を表しています。

この例では、外部信号を使ってループの回数を指定し、その回数分だけLEDを点滅させる動作をします。

module signal_loop(
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire [3:0] external_signal, // 4ビットの外部信号
    output reg led
);

reg [3:0] counter = 0; 

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        counter <= 0;
        led <= 0;
    end else begin
        if (counter < external_signal) begin
            led <= ~led; // LEDを点滅
            counter <= counter + 1'b1;
        end else begin
            counter <= 0;
        end
    end
end

endmodule

このサンプルコードは、4ビットの外部信号を受け取り、その値に応じてLEDの点滅を制御します。

例えば、外部からの信号が3(0011)の場合、LEDは3回点滅します。

信号が10(1010)の場合、10回点滅します。

実行結果として、外部から送られた信号の数値と同じ回数だけLEDが点滅します。

外部信号が変わると、点滅の回数もそれに応じて変わるのが確認できます。

●注意点と対処法

Verilogのrepeat関数を用いる際には、いくつかの注意点があります。

特に初心者の方は、このセクションを参考にしながら、適切なコードを書くように心掛けましょう。

無限ループのリスク：repeat関数を用いたループ処理の中で、終了条件を間違えると無限ループになる可能性があります。ループの条件や終了条件をしっかりと確認しましょう。
リソースの過剰使用：複雑なループ処理を多用すると、FPGAのリソースを過剰に使用することがあります。必要な処理だけをループ内に記述し、無駄な処理を避けるようにしましょう。
外部信号の同期：外部信号と連動させる場合、信号の同期を取ることが重要です。特に、異なるクロックドメインからの信号を使用する場合、同期処理を適切に行わないと、期待しない動作をする可能性があります。

●カスタマイズ方法

repeat関数の利用方法や、その特性を理解した上で、さらなるカスタマイズや応用が可能です。

カウンタの拡張：上記の例では4ビットのカウンタを使用しましたが、必要に応じてビット数を増やすことで、さらに多くのループ回数を設定することができます。

input wire [7:0] external_signal; // 8ビットの外部信号に変更

異なる動作の組み合わせ：LEDの点滅だけでなく、モーターの回転や、音の出力など、異なる動作を組み合わせることで、より複雑な動作を実現することができます。
外部信号のフィルタリング：外部からの信号がノイズを含む場合、平滑化フィルタなどを用いて信号をクリーンアップすることで、より正確な動作を実現できます。

まとめ

この記事では、Verilogのrepeat関数の基本から応用、カスタマイズ方法までを詳細に解説しました。

この関数を使いこなすことで、より高度なデジタル回路の設計が可能となります。

初心者の方も、この記事を参考にしながら、Verilogでの設計を楽しんでください。