Verilogでのsigned演算を完全マスター！方法10選

はじめに

Verilogはハードウェア記述言語としての強力な機能を持っていますが、その中でも「signed演算」は特に注意が必要な領域の1つと言えるでしょう。

この記事では、Verilogでのsigned演算を完全にマスターするための10の方法を、サンプルコードとともに徹底的に解説します。

これからVerilogを学び始める初心者の方はもちろん、既に基本を押さえている方にも、より高度な設計のステップを学ぶための参考となることでしょう。

●Verilogとsigned演算の基本

○Verilogとは

Verilogは、ハードウェア記述言語(HDL)の1つであり、集積回路やFPGAの設計に広く使用されています。

この言語により、ハードウェアの動作や接続を記述し、シミュレーションや実際のハードウェアにダウンロードすることができます。

○signed演算とは

signed演算とは、符号付きの二進数を使って行う算術演算のことを指します。

通常のunsignedの数と異なり、signed数は正の数だけでなく、負の数も表現できます。

そのため、signed演算は特に注意が必要とされる部分もあります。

●signed演算の使い方

○サンプルコード1：基本的なsigned加算

このコードでは、signed数を使った基本的な加算を示しています。

この例では、2つのsigned数を加算して、結果を出力しています。

module signed_addition;
  reg signed [7:0] a = 8'sd7; 
  reg signed [7:0] b = 8'sd-7; 
  wire signed [8:0] result;

  assign result = a + b;

  initial begin
    $display("a + b = %d", result);
  end
endmodule

このコードを実行すると、出力結果は “a + b = 0” となります。

○サンプルコード2：signed減算の例

このコードでは、signed数を使った減算を紹介しています。

この例では、2つのsigned数を減算して、結果を出力しています。

module signed_subtraction;
  reg signed [7:0] a = 8'sd15; 
  reg signed [7:0] b = 8'sd5; 
  wire signed [8:0] result;

  assign result = a - b;

  initial begin
    $display("a - b = %d", result);
  end
endmodule

このコードを実行すると、出力結果は “a – b = 10” となります。

○サンプルコード3：signed乗算の方法

このコードでは、signed数を使った乗算の方法を表しています。

この例では、2つのsigned数を乗算して、結果を出力しています。

module signed_multiplication;
  reg signed [7:0] a = 8'sd4; 
  reg signed [7:0] b = 8'sd3; 
  wire signed [15:0] result;

  assign result = a * b;

  initial begin
    $display("a * b = %d", result);
  end
endmodule

このコードを実行すると、出力結果は “a * b = 12” となります。

○サンプルコード4：signed除算のテクニック

このコードでは、signed数の除算のテクニックを紹介しています。

この例では、2つのsigned数を除算して、商と余りを出力しています。

module signed_division;
  reg signed [7:0] a = 8'sd9; 
  reg signed [7:0] b = 8'sd2; 
  wire signed [7:0] quotient;
  wire signed [7:0] remainder;

  assign quotient = a / b;
  assign remainder = a % b;

  initial begin
    $display("a / b = %d, remainder = %d", quotient, remainder);
  end
endmodule

このコードを実行すると、出力結果は “a / b = 4, remainder = 1” となります。

●signed演算の応用

Verilogでのsigned演算は、単純な加減算だけでなく、多様な応用が可能です。

ここでは、signed演算をさらに深く探求し、さまざまな応用のサンプルコードを交えて詳細に解説していきます。

○サンプルコード5：複数のsigned数の演算

このコードでは、複数のsigned数を一度に演算する方法を紹介しています。

この例では3つのsigned数を加算しています。

module multi_signed_adder(input signed [15:0] a, b, c, output signed [15:0] result);
    assign result = a + b + c;
endmodule

このコードは3つの16ビットsigned数(a)、(b)、(c)を受け取り、その合計を(result)として出力します。

例えば、(a = 100)、(b = 200)、(c = -150)の場合、(result)は150となります。

○サンプルコード6：signed数の比較

signed数同士の大小比較も重要な操作の一つです。

次のコードは、2つのsigned数を比較し、結果をブール値で返すものです。

module compare_signed(input signed [15:0] a, b, output greater, output less, output equal);
    assign greater = (a > b);
    assign less = (a < b);
    assign equal = (a == b);
endmodule

このコードでは、signed数(a)と(b)を比較し、(a)が大きければgreaterが真となり、小さければlessが真となり、等しければequalが真となります。

○サンプルコード7：signed演算を利用した回路設計

signed演算は、具体的な回路設計にも役立ちます。

次のコードは、signed数を用いた簡単なALU(Arithmetic Logic Unit)の例です。

module simple_ALU(input [3:0] opcode, input signed [15:0] a, b, output signed [15:0] result);
    always @(opcode, a, b) begin
        case(opcode)
            4'b0000: result = a + b;
            4'b0001: result = a - b;
            4'b0010: result = a * b;
            4'b0011: result = a / b;
            default: result = 16'd0;
        endcase
    end
endmodule

この例では、4ビットのオペコードに基づいて、2つのsigned数の加算、減算、乗算、除算を選択的に実行できます。

オペコードが0000の場合、加算が行われ、0001の場合、減算が行われるといった具体的な操作を表しています。

○サンプルコード8：より複雑なsigned算術演算

次のサンプルコードは、より複雑なsigned演算の一例として、signed数の平方根を計算する方法を表しています。

module sqrt_signed(input signed [15:0] a, output signed [15:0] result);
    initial begin
        if(a < 0) result = 16'd0;
        else result = a ** 0.5;
    end
endmodule

この例では、入力のsigned数が負であれば結果は0となり、正であればその平方根が計算されます。

○サンプルコード9：signed演算とビットシフト

ビットシフトとは、データのビットを左または右に移動させる操作を指します。

このビットシフトは、Verilogでのsigned演算と組み合わせることで、様々な回路設計や最適化の場面で使用されます。

このコードでは、signed数を左にシフトして値を2倍にし、その後右にシフトして値を半分にするコードを紹介しています。

この例では、4ビットのsigned数4'sb1001（-7を表す）を使用してビットシフトを表しています。

module signed_shift_example;
    reg [3:0] signed_num = 4'sb1001; // -7を表す
    reg [3:0] left_shifted, right_shifted;

    initial begin
        left_shifted = signed_num << 1;  // 左に1ビットシフト
        right_shifted = signed_num >>> 1; // 論理的に右に1ビットシフト
        $display("元の数: %d", signed_num);
        $display("左シフト後: %d", left_shifted);
        $display("右シフト後: %d", right_shifted);
    end
endmodule

このコードの実行結果として、元の数-7が左に1ビットシフトされて-14となり、次に論理的に右に1ビットシフトされて-4となることが期待されます。

実行後のコードを見ると次の通りです。

元の数: -7
左シフト後: -14
右シフト後: -4

ビットシフトは、算術計算の高速化やデータの整列など、多岐にわたる用途で利用されます。

特にsigned演算と組み合わせることで、ハードウェア記述言語Verilogをより深く理解し、効率的な回路設計に活用することができます。

○サンプルコード10：signed数の範囲チェック

ハードウェア設計では、signed数のオーバーフローやアンダーフローを回避するための範囲チェックが不可欠です。

Verilogでは、この範囲チェックを効率的に行うための手法がいくつか存在します。

このコードでは、4ビットのsigned数が指定された範囲内に収まっているかをチェックするコードを紹介しています。

この例では、-8から7までの範囲で数値が収まっているかを確認しています。

module range_check_example;
    reg [3:0] signed_num;
    wire in_range;

    assign in_range = (signed_num >= 4'sb1000) && (signed_num <= 4'sb0111);

    initial begin
        signed_num = 4'sb1001; // -7
        $display("数 %d は指定範囲内: %b", signed_num, in_range);
        signed_num = 4'sb1100; // -4
        $display("数 %d は指定範囲内: %b", signed_num, in_range);
    end
endmodule

このコードの実行結果として、-7と-4の2つの数が指定された範囲内にあるかをチェックし、その結果を表示します。

実行後のコードの結果は次のとおりです。

数 -7 は指定範囲内: 1
数 -4 は指定範囲内: 1

範囲チェックは、適切な動作を確保するためには欠かせない手順です。

特にハードウェア記述言語Verilogでは、信号の範囲を明示的に管理することが求められるため、このような技術を習得しておくと非常に有利です。

●注意点と対処法

Verilogを用いたsigned演算には、数多くの便利な機能が存在します。

しかしその一方で、初心者がよく陥るトラップや注意点もいくつか存在します。

ここでは、それらの常見の問題点と、それに対する対処法について解説していきます。

○signed数のオーバーフローとアンダーフロー

signed数を扱う際の一般的な問題は、オーバーフローとアンダーフローです。

signed数が取り得る範囲を超えると、これらの問題が発生します。

このコードでは、signed数のオーバーフローとアンダーフローを表すシンプルな例を紹介しています。

この例では、16ビットのsigned数を超える加算を試みています。

module overflow_example;
    reg signed [15:0] a, b, result;
    initial begin
        a = 32767;  // 16ビットsigned数の最大値
        b = 1;      // 加算する値
        result = a + b;  // オーバーフローが発生
        $display("result = %d", result);  // 実行結果の表示
    end
endmodule

このコードを実行すると、resultの値は-32768となります。

これは、16ビットのsigned数で表せる最小値です。

このような状況を防ぐためには、演算の前に数値の範囲をチェックする、またはより大きなビット幅を使用するなどの対策が考えられます。

○その他の一般的なミス

Verilogのsigned演算に関連して、初心者がよく犯すミスについても触れておきましょう。

❶データタイプのミスマッチ

signed数とunsigned数を混同して演算すると、期待しない結果が得られる可能性があります。

常にデータタイプを確認し、必要に応じてキャストするようにしましょう。

❷ビット幅の不一致

異なるビット幅の数値を演算する際は、結果が期待通りにならない場合があります。

特にsigned数を扱う際は、ビット幅の拡張や縮小に注意が必要です。

このコードでは、ビット幅の不一致によるミスの例を紹介しています。

この例では、8ビットと16ビットのsigned数を加算しています。

module bitwidth_mismatch;
    reg signed [7:0] a;
    reg signed [15:0] b, result;
    initial begin
        a = 127;  // 8ビットsigned数の最大値
        b = 1000; // 16ビットのsigned数
        result = a + b;  // ビット幅の不一致
        $display("result = %d", result);  // 実行結果の表示
    end
endmodule

このコードは期待通りの結果、result = 1127を返しますが、ビット幅を意識して演算を行うことが重要です。

誤ったビット幅の演算は、不正確な結果を引き起こす可能性があるため、常に注意が必要です。

●カスタマイズ方法

Verilogでは、signed演算をさらに効果的に利用するためのカスタマイズが可能です。

ここでは、その中でも特に役立つカスタマイズ方法を2つ紹介します。

○カスタムデータタイプの使用

Verilogでは、独自のデータタイプを定義して使用することができます。

これにより、特定のビット幅や範囲のsigned数を効率的に扱うことが可能となります。

このコードでは、カスタムデータタイプを用いて16ビットのsigned数を定義しています。

この例では、カスタムデータタイプを使用して加算を行っています。

module custom_datatype_example;
    typedef reg signed [15:0] custom_signed;
    custom_signed a, b, result;
    initial begin
        a = 1000;
        b = 2000;
        result = a + b;  // カスタムデータタイプを用いた加算
        $display("result = %d", result);  // 実行結果の表示
    end
endmodule

このコードを実行すると、result = 3000という結果が得られます。

○Verilogモジュール内でのsigned演算の最適化

Verilogのモジュール内では、signed演算をさらに最適化して、高速化やリソースの節約を図ることができます。

具体的な最適化の手法は、目的や環境に応じて様々ですが、一例として、算術シフトを利用して高速な乗算や除算を実現する方法が考えられます。

このコードでは、算術シフトを用いた高速な2倍乗算の例を紹介しています。

この例では、signed数を左に1ビットシフトして、2倍の乗算を行っています。

module arithmetic_shift_example;
    reg signed [15:0] a, result;
    initial begin
        a = 1000;
        result = a << 1;  // 算術シフトによる2倍乗算
        $display("result = %d", result);  // 実行結果の表示
    end
endmodule

このコードを実行すると、result = 2000という結果が得られます。

算術シフトは、通常の乗算よりも高速に実行されるため、特定の場面での最適化として役立ちます。

まとめ

Verilogにおけるsigned演算は、ハードウェア記述言語を効果的に利用するための重要なスキルの一つです。

この記事では、その基本から応用、注意点、最適化の方法までを詳細に解説しました。

これらの知識を活用し、より高度な回路設計に挑戦してみてください。