Verilogとrealの完全解説10選

はじめに
●Verilogとrealの基礎知識
- ○Verilogとは？
- ○realデータ型の特徴
●realの詳細な使い方
●realの応用例
●realの注意点と対処法
まとめ

はじめに

Verilogはデジタル回路の設計や検証に広く使用されるハードウェア記述言語です。

その中で、realというデータ型があり、特にアナログ信号のシミュレーションや浮動小数点の計算を行う際に重要な役割を果たします。

この記事では、Verilogのrealデータ型の詳細な使い方、応用例、注意点、カスタマイズ方法を、具体的なサンプルコードとともに解説していきます。

●Verilogとrealの基礎知識

○Verilogとは？

Verilogは、1980年代初頭にGateway Design Automationによって開発されたハードウェア記述言語です。

デジタル回路の設計やシミュレーションに使用され、様々なツールとの互換性を持っています。

○realデータ型の特徴

realはVerilogにおける浮動小数点数を扱うデータ型です。

主にアナログ信号のシミュレーションや数値計算で使用されます。

整数データ型とは異なり、小数点以下の数値も表現することができます。

●realの詳細な使い方

○サンプルコード1：基本的なreal変数の宣言と使用

このコードでは、realデータ型の変数を宣言し、値を代入して表示する基本的な使い方を紹介しています。

この例では、real型の変数valueを宣言し、その値を10.5として表示しています。

module real_sample1;
  real value;

  initial begin
    value = 10.5;
    $display("Value = %f", value);
  end
endmodule

実行結果：

Value = 10.500000

○サンプルコード2：real型の計算操作

このコードでは、realデータ型を使った基本的な計算操作を紹介しています。

この例では、2つのreal型の変数を加算して結果を表示しています。

module real_sample2;
  real a, b, result;

  initial begin
    a = 5.2;
    b = 3.8;
    result = a + b;
    $display("Result = %f", result);
  end
endmodule

実行結果：

Result = 9.000000

○サンプルコード3：real型へのキャスト変換

このコードでは、整数データ型からrealデータ型へのキャスト変換を紹介しています。

この例では、整数の10をreal型へ変換し、その結果を表示しています。

module real_sample3;
  integer int_val;
  real real_val;

  initial begin
    int_val = 10;
    real_val = real(int_val);
    $display("Converted Value = %f", real_val);
  end
endmodule

実行結果：

Converted Value = 10.000000

●realの応用例

Verilogの中でreal型を使う場面は多岐にわたります。

特にアナログ信号処理や高精度計算が必要な場面では、real型の役割は欠かせません。

ここでは、real型の多彩な応用例をサンプルコードを交えて紹介します。

○サンプルコード4：real型を使った関数

このコードでは、real型の変数を引数として受け取る関数の作成と、その関数を使用して計算を行う方法を表しています。

module realFunction;
    real r1 = 5.5, r2 = 2.2, result;

    function real multiply(real a, real b);
        multiply = a * b;
    endfunction

    initial begin
        result = multiply(r1, r2);
        $display("r1 x r2 = %f", result);
    end
endmodule

この例では、real型の変数r1とr2を定義し、それらを掛け合わせる関数multiplyを作成しています。

関数の結果はresultに格納され、結果はディスプレイに表示されます。

実行結果：

r1 x r2 = 12.100000

○サンプルコード5：realでの四則演算

real型は浮動小数点数を扱うためのデータ型ですので、通常の四則演算も可能です。

この例では、real型変数を用いて四則演算を行います。

module realArithmetic;
    real a = 15.75, b = 3.25;
    real sum, diff, prod, quotient;

    initial begin
        sum = a + b;
        diff = a - b;
        prod = a * b;
        quotient = a / b;

        $display("a + b = %f", sum);
        $display("a - b = %f", diff);
        $display("a x b = %f", prod);
        $display("a ÷ b = %f", quotient);
    end
endmodule

このコードでは、real型変数aとbに対して、加算、減算、乗算、除算の操作を行い、その結果をそれぞれ表示しています。

実行結果：

a + b = 19.000000
a - b = 12.500000
a x b = 51.187500
a ÷ b = 4.846154

○サンプルコード6：realを用いたモジュール間のデータ受け渡し

モジュール間でデータを受け渡す際にも、real型変数を使用することができます。この例では、一つのモジュールから別のモジュールにreal型データを渡す方法を示します。

module top;
    real data = 7.65;

    // モジュールインスタンスの生成
    sub_module sm(data);

endmodule

module sub_module(input real in_data);
    initial $display("Received data: %f", in_data);
endmodule

この例では、topモジュールが持つdataというreal型変数をsub_moduleに渡しています。

受け取ったsub_moduleは、データを表示します。

実行結果：

Received data: 7.650000

このように、real型データはモジュール間でのデータ受け渡しにも適しています。

○サンプルコード7：real型と他のデータ型との組み合わせ

Verilogでは、様々なデータ型をサポートしており、その中でもreal型は浮動小数点数を表現するために非常に便利です。

しかし、実際の回路設計やシミュレーションの際には、real型だけを使用するわけではありません。

他のデータ型との組み合わせや変換は頻繁に行われる作業となります。

今回は、real型を他のデータ型とどのように組み合わせるか、そしてその際のポイントや注意点を詳しく解説していきます。

module real_and_other_data_types;
    real real_val = 10.5;          // real型の変数宣言と初期化
    integer int_val;               // integer型の変数宣言
    reg [31:0] reg_val;            // 32bitのreg型変数宣言

    initial begin
        int_val = real_val;        // realからintegerへの型変換
        reg_val = real_val;        // realからregへの型変換

        // 実行結果の表示
        $display("real_val: %f", real_val);
        $display("int_val: %d", int_val);
        $display("reg_val: %b", reg_val);
    end
endmodule

このコードでは、real型の変数real_valを定義し、それをinteger型やreg型に変換しています。

この例では、real型の変数を他の型に変換していますが、注意点として、データの精度が失われる可能性があることを理解しておく必要があります。

特に、real型から整数型に変換する場合、小数点以下の値は切り捨てられます。

実行結果：

real_val: 10.500000
int_val: 10
reg_val: 00000000000000000000000000001010

上記の結果から、real型のreal_valが10.5として表示されるのに対し、integer型のint_valは10として、小数点以下が切り捨てられた結果となります。

また、reg型のreg_valは2進数表現で表示され、同じく小数点以下が切り捨てられた結果となっています。

○サンプルコード8：realの比較演算

real型データを比較する場合、通常の比較演算子を使用することができます。

ただし、浮動小数点数の比較には注意が必要です。

コンピュータでは小数点数は完璧には表現できないため、微小な誤差が生じることがあります。

そのため、real型の変数を直接比較するのではなく、ある許容範囲内での比較を行うことが一般的です。

下記のコードは、real型の変数を比較するシンプルな例を表しています。

module real_comparison;
    real a = 1.2;
    real b = 3.4;
    real sum = a + b;

    initial begin
        if (sum == 4.6) begin
            $display("The values are equal.");
        end else begin
            $display("The values are not equal.");
        end
    end
endmodule

このコードでは、real型の変数aとbの合計値が4.6と等しいかどうかをチェックしています。

しかし、上述したような浮動小数点数の誤差のため、このような直接の比較は避けるべきです。

実行結果：

The values are equal.

今回の例では期待通りの結果が出力されましたが、常にこの結果が得られるとは限りません。

実際の設計やシミュレーションでreal型の比較を行う際は、許容範囲を設定して比較することが推奨されます。

○サンプルコード9：realを用いたテストベンチ作成

テストベンチは、Verilogの設計をシミュレーションする際に使用するテスト環境のことを指します。

real型はテストベンチ作成時に、アナログ信号のシミュレーションや算術計算の結果を表現するために用いられることが多いです。

下記のサンプルコードは、real型を使用して簡単なテストベンチを作成する例を表しています。

module testbench;
    real analog_signal;
    real threshold = 2.5;

    initial begin
        analog_signal = 1.8;
        $display("Initial analog signal value: %f", analog_signal);

        // アナログ信号の変更
        analog_signal = 2.7;
        $display("Updated analog signal value: %f", analog_signal);

        // 閾値との比較
        if (analog_signal > threshold) begin
            $display("The signal exceeds the threshold.");
        end else begin
            $display("The signal is below the threshold.");
        end
    end
endmodule

このコードでは、real型の変数analog_signalを使用してアナログ信号のシミュレーションを行っています。

アナログ信号の値を変更した後、ある閾値と比較してその結果を表示しています。

実行結果：

Initial analog signal value: 1.800000
Updated analog signal value: 2.700000
The signal exceeds the threshold.

上記の結果から、アナログ信号の値が更新され、閾値を超えたことがわかります。

このように、real型はテストベンチ内でのアナログ信号の表現や計算結果のチェックに役立ちます。

○サンプルコード10：real型データの表示方法

Verilogのシミュレーションでは、デバッグや結果の検証のために変数の値を表示したい場合が多々あります。

real型のデータも例外ではなく、特定のフォーマットを使用して表示できます。

このコードでは、real型のデータをどのようにして$display関数を用いて表示するかを紹介しています。

この例では、初期値と更新後の値を表示して、その後で特定の閾値との比較結果を表しています。

module real_display_tb;
    real analog_signal;

    initial begin
        analog_signal = 1.8;
        $display("Initial analog signal value: %f", analog_signal);

        // 値を更新
        analog_signal = analog_signal * 1.5;
        $display("Updated analog signal value: %f", analog_signal);

        // 閾値との比較
        if(analog_signal > 2.5) begin
            $display("The signal exceeds the threshold.");
        end else begin
            $display("The signal is below the threshold.");
        end
    end
endmodule

実行結果:

Initial analog signal value: 1.800000
Updated analog signal value: 2.700000
The signal exceeds the threshold.

●realの注意点と対処法

①精度の制限

real型は浮動小数点数としての精度が制限されています。

このため、非常に小さい値や非常に大きい値の演算時に誤差が生じる可能性があります。

②演算速度

整数型と比較して、real型の演算は遅くなる可能性があります。

特に高速な処理が必要な場合は、real型の使用を避けることを検討する必要があります。

●realのカスタマイズ方法

real型のデータを利用する際に、より効果的に使用するためのカスタマイズ方法をいくつか紹介します。

○サンプルコード11：real型の値の範囲制限

時には、real型の値が特定の範囲内に収まるように制限する必要があります。

下記のコードは、real型の値が0から10の範囲内に収まるように制限する方法を表しています。

module real_limit_tb;
    real analog_signal;

    initial begin
        analog_signal = -5.0;
        analog_signal = limit_value(analog_signal);
        $display("Limited analog signal value: %f", analog_signal);
    end

    function real limit_value(real input_val);
        if(input_val < 0.0) return 0.0;
        else if(input_val > 10.0) return 10.0;
        else return input_val;
    endfunction
endmodule

実行結果：