VerilogとVCD！初心者向け10の実用サンプルコード入門 – Japanシーモア

VerilogとVCD！初心者向け10の実用サンプルコード入門

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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カスタムコードを使って機能追加、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

VerilogとVCDの世界へようこそ。

この記事では、これらの技術の基本から応用までを初心者向けに10のサンプルコードとともにわかりやすく解説します。

さらに、VerilogやVCDを使用する際の注意点やカスタマイズ方法も紹介します。

このガイドを手に取ったあなたは、VerilogとVCDの知識を一段と深めることができるでしょう。

●Verilogの基本

○Verilogとは？

Verilogは、ハードウェア記述言語 (HDL) の一つで、集積回路やFPGAの設計をする際に使用される言語です。

文字ベースで回路の動作を定義することができるため、デジタル回路設計者が物理的な回路図を描かずに、シミュレーションや実装を行えるのです。

○Verilogの特徴

Verilogは次のような特徴を持っています。

  1. 並列実行：Verilogで記述された回路は、多くの部分が並列に動作します。
  2. テストベンチのサポート：シミュレーションを効果的に行うためのテストベンチを容易に記述できます。
  3. 階層的な記述が可能：小さなモジュールから大きなシステムまで、階層的に設計することが可能です。

●VCD (Value Change Dump) の基本

○VCDとは？

VCD(Value Change Dump)は、Verilogや他のハードウェア記述言語のシミュレーション時に信号の変化を記録するフォーマットです。

このファイルを利用して、波形ビューア上で信号の動きを確認することができます。

○VCDの利用シーン

VCDは主に次のようなシーンで利用されます。

  1. デバッグ：シミュレーション結果として出力されたVCDファイルを分析し、回路の動作を確認します。
  2. ドキュメンテーション：設計の動作を確認するための資料として、VCDを使用することがあります。

●Verilogのサンプルコード

○サンプルコード1：基本的なモジュール定義

このコードでは、Verilogを使って基本的なモジュールを定義するコードを紹介しています。

この例では、ANDゲートを定義しています。

module AND_GATE(input A, input B, output Y);
    assign Y = A & B;
endmodule

上記のコードでは、入力AとBを受け取り、それらのAND演算結果を出力Yに割り当てています。

実行結果：

このコードをシミュレーションすると、AとBの両方が1のときにのみ、出力Yが1となります。

○サンプルコード2：信号の代入と演算

このコードでは、信号の代入と基本的な演算を行うVerilogのコードを紹介しています。

この例では、2つの入力信号の和を計算しています。

module ADDER(input [3:0] A, input [3:0] B, output [3:0] SUM);
    assign SUM = A + B;
endmodule

上記のコードでは、4ビットの入力AとBを受け取り、それらの和を出力SUMに割り当てています。

実行結果：

このコードをシミュレーションすると、入力AとBの和が正確に出力SUMに表示されます。

○サンプルコード3：テストベンチの作成

Verilogでの設計を効果的に検証するための手段として、テストベンチは欠かせません。

テストベンチは、作成した回路の動作をシミュレーションして確認するためのVerilogコードとして記述されるものです。

特定の入力パターンを与えたり、時間経過とともに信号の変動を観察することができます。

このセクションでは、シンプルなANDゲートのモジュールを対象に、その動作を確認するテストベンチの作成方法について説明します。

// ANDゲートのモジュール定義
module and_gate(input a, input b, output y);
  assign y = a & b;
endmodule

// 上記ANDゲートのテストベンチ
module tb_and_gate();
  reg a, b;          // 入力信号として使用するレジスタ
  wire y;            // 出力信号として使用するワイヤ

  // インスタンス化
  and_gate u1(a, b, y);

  // 初期化ブロック
  initial begin
    // すべての入力パターンでANDゲートをテスト
    a = 0; b = 0; #10; // 10タイムユニット待機
    a = 0; b = 1; #10;
    a = 1; b = 0; #10;
    a = 1; b = 1; #10;

    $finish; // シミュレーションの終了
  end
endmodule

このコードでは、最初にANDゲートのモジュールを定義しています。

その後、tb_and_gateという名前でテストベンチを記述しています。

テストベンチ内のinitialブロックでは、すべての入力パターンを与えてANDゲートの出力yの振る舞いを観察します。

#10という記述は、10タイムユニットだけ待機することを意味しています。このテストベンチを実行すると、ANDゲートの動作が正しいことを確認できます。

このシミュレーションを行うと、次のような結果が得られることを期待します。

a: 0, b: 0, y: 0
a: 0, b: 1, y: 0
a: 1, b: 0, y: 0
a: 1, b: 1, y: 1

これにより、ANDゲートが正しく動作していることが確認できます。

テストベンチは、設計したモジュールが期待通りに動作するかを確認するための非常に強力なツールです。

特に複雑なモジュールの場合、テストベンチ無しでの検証は困難となるでしょう。

初心者の方も、設計の過程でテストベンチの作成を習慣化することで、バグの早期発見やトラブルの回避に繋がります。

●VCDのサンプルコード

デジタル回路の設計や検証において、VCD (Value Change Dump) は非常に重要な役割を果たします。

VCDはシミュレーションの結果として得られる信号の変化を記録したファイルで、波形ビューワを使用して視覚的に解析することができます。

このセクションでは、VerilogでVCDを利用する基本的なサンプルコードを紹介し、その詳細な説明とともにその実行結果についても触れていきます。

○サンプルコード4：VCDファイルの生成

このコードでは、Verilogで簡単なテストベンチを作成し、シミュレーション時にVCDファイルを生成する方法を紹介しています。

この例では、2ビットのカウンタを設計し、その出力をVCDファイルに出力しています。

module counter_tb;
  reg clk;
  wire [1:0] count_out;

  // カウンタモジュールのインスタンス化
  counter U1 (.clk(clk), .out(count_out));

  initial begin
    // VCDファイルの生成の指定
    $dumpfile("counter.vcd");
    $dumpvars(0, counter_tb);

    clk = 0;
    forever #5 clk = ~clk;  // クロック生成
  end

endmodule

module counter(input clk, output [1:0] out);
  reg [1:0] count = 0;
  always @(posedge clk) count <= count + 1;
  assign out = count;
endmodule

このコードの実行結果として、counter.vcdという名前のVCDファイルが生成されます。

このファイルには、テストベンチの全ての信号の変化が記録されており、波形ビューワを使用してその内容を確認することができます。

○サンプルコード5：VCDファイルの解析

VCDファイルの解析には様々なツールがありますが、ここではPythonのライブラリ「vcdvcd」を使用して、VCDファイルから特定の信号の変化を取得する方法を紹介します。

この例では、先ほど生成したcounter.vcdからカウンタの出力を取得しています。

import vcdvcd

vcd = vcdvcd.parse_vcd('counter.vcd')
counter_values = vcd['counter_tb.U1.count']

for timestamp, value in counter_values.items():
    print(f"時間 {timestamp} : カウンタの値 {value}")

このコードの実行結果として、各時刻でのカウンタの値が出力されます。

これにより、VCDファイルの中身をテキスト形式で簡単に解析することが可能となります。

○サンプルコード6：VCDを使った波形表示

VCD (Value Change Dump) は、シミュレーション中に変更が行われた信号の値を記録するためのファイル形式です。

ここでは、VCDファイルを使用して波形を表示する方法を説明します。

VCDファイルの生成は、シミュレーションツールに依存しますが、一般的な方法を次のサンプルコードで表します。

// このコードではシンプルなクロックとリセット信号を生成し、VCDファイルに出力するサンプルを表しています。
module tb;
    reg clk, rst;

    // クロックとリセット信号の生成
    always begin
        #5 clk = ~clk;
    end

    initial begin
        clk = 0;
        rst = 1;
        #10 rst = 0;
        #100 $finish;
    end

    // VCD出力
    initial begin
        $dumpfile("wave.vcd");
        $dumpvars(0, tb);
    end
endmodule

この例では、テストベンチを使ってクロック信号とリセット信号を生成しています。

そして、$dumpfileと$dumpvarsを使用してVCDファイルに波形情報を出力しています。

生成されたVCDファイルを使用して波形を表示するには、専用の波形ビューワーソフトウェアが必要です。例えば、GTKWaveやModelSimなどのツールがあります。

GTKWaveは、オープンソースの波形ビューワーで、VCDファイルの読み込みと波形の表示が可能です。

GTKWaveを使用して波形を表示する手順は次の通りです。

  1. GTKWaveを起動します。
  2. 「File」メニューから「Open」を選択し、生成されたVCDファイルを開きます。
  3. 画面上部の信号リストから、表示したい信号を選択し、中央の波形ウィンドウにドラッグ＆ドロップします。
  4. 波形ウィンドウで、信号の波形が表示されます。

このように、VCDファイルを利用することで、シミュレーション中の信号の動きを視覚的に把握することができ、デバッグや解析の際に非常に有効です。

●応用例とそのサンプルコード

VerilogやVCDをより深く理解し、活用するためには、基本だけではなく、さまざまな応用例を知ることが大切です。

ここでは、状態機械の実装やメモリモデルの作成など、Verilogの応用例をいくつか取り上げ、サンプルコードとともに解説していきます。

○サンプルコード7：状態機械の実装

状態機械はデジタル回路設計における中心的な役割を果たします。

このコードでは、簡単な状態機械をVerilogを使用して実装する方法を紹介しています。

この例では、2つの状態を持つ状態機械を実装しています。

module state_machine(clk, reset, state);
    input clk, reset;
    output reg [1:0] state;

    // 状態の定義
    parameter S0 = 2'b00, S1 = 2'b01;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) 
            state <= S0; // 初期状態へリセット
        else if (state == S0)
            state <= S1; // 次の状態へ遷移
        else
            state <= S0; // 初期状態へ戻る
    end
endmodule

実行結果としては、リセット信号がアクティブになると、状態機械はS0状態にリセットされます。

それ以外の場合は、クロックの立ち上がりエッジ毎に状態がS0からS1、S1からS0と交互に変わります。

○サンプルコード8：メモリモデルの作成

このコードでは、Verilogを使って簡単なメモリモデルを作成する方法を紹介しています。

この例では、4つのアドレスを持つ簡単なRAMを作成しています。

module simple_ram(clk, wr_en, address, data_in, data_out);
    input clk, wr_en;
    input [1:0] address;
    input [7:0] data_in;
    output reg [7:0] data_out;

    reg [7:0] ram[3:0]; // 4つのアドレスを持つRAM

    always @(posedge clk) begin
        if (wr_en) // 書き込みモード
            ram[address] <= data_in;
        else // 読み取りモード
            data_out <= ram[address];
    end
endmodule

実行結果としては、wr_enがアクティブの場合、指定されたアドレスにdata_inの内容が書き込まれます。

wr_enが非アクティブの場合、指定されたアドレスの内容がdata_outに出力されます。

○サンプルコード9：パラメータを使用したモジュール化

パラメータを利用することで、汎用的なモジュールを作成することが可能です。

このコードでは、異なるビット幅の加算器を作成するためのモジュールをパラメータを使用して実装しています。

module adder #(parameter WIDTH = 8) (input [WIDTH-1:0] a, b, output [WIDTH-1:0] sum);
    assign sum = a + b;
endmodule

このコードでは、WIDTHというパラメータを使って、加算器のビット幅を設定しています。

この例では、デフォルトのビット幅は8ですが、モジュールをインスタンス化する際に異なるビット幅を指定することも可能です。

○サンプルコード10：外部ファイルとの連携

Verilogを用いて外部ファイルとの連携を行う場面があります。

例えば、テストデータや初期設定データを外部のテキストファイルから読み込む場合などが考えられます。

この連携により、シミュレーションの再現性の確保やデータの管理がしやすくなります。

このコードでは、外部のテキストファイルを読み込む方法を使って、Verilogでのシミュレーション時の初期データ設定を行うコードを紹介しています。

この例では、テキストファイルから読み込んだデータを使って、シミュレーションの初期設定を行っています。

module FileRead(input clk, output reg [7:0] data);

    // ファイルのポインタ
    integer file;

    initial begin
        // ファイルを開く
        file = $fopen("data.txt", "r");
        if (file == 0) begin
            $display("ファイルのオープンに失敗しました。");
            $finish;
        end
    end

    always @(posedge clk) begin
        // データを読み込む
        if (!$feof(file)) $fscanf(file, "%h", data);
        else $fclose(file);
    end

endmodule

このサンプルコードでは、外部のdata.txtという名前のテキストファイルから8ビットのデータを読み込んでいます。

クロックの立ち上がりエッジごとにデータを読み込み、ファイルの終端に到達した場合はファイルを閉じます。

読み込むデータは16進数として解釈され、dataに格納されます。

実行結果として、data.txtファイルに記述されたデータが順番にdataに読み込まれ、シミュレーションが終了します。

ファイルの内容やクロックの周期に応じて、読み込まれるデータが異なるため、適切なテストデータを用意することが重要です。

●注意点と対処法

○Verilogでのよくあるエラーとその解決策

Verilogにおいては、特に初心者の方がつまずくエラーが幾つか存在します。

よく遭遇するエラーと、それに対する簡単な対処法をいくつか紹介します。

❶シンタックスエラー

このエラーはコードの書き方が間違っているときに発生します。

セミコロンの忘れや括弧の不整合などが原因となります。

エラーメッセージをよく読み、指摘された行やその周辺を確認しましょう。

❷変数の未定義

宣言していない変数を使用した場合、このエラーが表示されます。

変数のスペルミスや宣言の忘れなどが原因であることが多いです。

変数の名前や宣言部を再確認してみてください。

❸多重代入エラー

一つの信号に対して、複数の場所から値を代入しようとするとこのエラーが発生します。

代入の場所を確認し、不要な代入を削除するか、信号を分けるように修正しましょう。

○VCDの解析時のトラブルとその対処法

VCDファイルの解析時には、次のようなトラブルが考えられます。

❶VCDファイルのサイズが大きすぎる

大量の信号や長いシミュレーション時間により、VCDファイルのサイズが非常に大きくなることがあります。

この場合、必要な信号のみをダンプするように設定を変更するか、シミュレーションの範囲を狭めることで対処します。

❷信号の名前が分からない

VCDには信号の名前が記録されていますが、階層が深くなると名前が分かりづらくなることがあります。

この場合、シミュレーションツールの機能を利用して信号名の検索やハイライトを行うと良いです。

❸VCDファイルが破損している

シミュレーション中に何らかの原因でVCDファイルが破損することがあります。

この場合、シミュレーションを再実行して新しいVCDファイルを生成しましょう。

●カスタマイズ方法

カスタマイズは、VerilogやVCDを使用した際の一般的な方法やデザインを変更し、特定のニーズや要件に適合させるための方法です。

ここでは、Verilogのコードのカスタマイズ方法やVCDの表示方法のカスタマイズについて解説します。

詳細なサンプルコードを交えながら説明していきますので、具体的なカスタマイズの手法を学ぶことができます。

○Verilogのコードのカスタマイズ

Verilogのコードは、複雑なデザインや要件に合わせて、多様な方法でカスタマイズすることが可能です。

ここでは、異なるクロック領域を持つデザインのためのクロックドメインクロッシング(CDC)の実装に焦点を当てて解説します。

このコードでは、異なるクロックドメイン間でデータを安全に転送する方法を表しています。

この例では、2つの異なるクロック領域からの信号を取り込み、安全にデータを伝送するためのCDCロジックを実装しています。

module CDC(input clk1, input clk2, input [7:0] data_in, output reg [7:0] data_out);

    reg [7:0] tmp_data;
    reg sync_pulse = 0;

    always @(posedge clk1) begin
        tmp_data <= data_in;
        sync_pulse <= 1;
    end

    always @(posedge clk2 or posedge sync_pulse) begin
        if (sync_pulse) begin
            data_out <= tmp_data;
            sync_pulse <= 0;
        end
    end

endmodule

上記のコードでは、clk1およびclk2という2つの異なるクロックドメインからの入力を持っています。

data_inからデータを取り込み、一時的なレジスタtmp_dataに格納します。

その後、sync_pulseという信号を使用して、clk2のクロックドメインにデータを安全に転送します。

実行結果として、data_inのデータはdata_outに安全に転送され、クロックドメインクロッシングの問題を回避できます。

CDCロジックの設計時には、データの整合性やタイミングの問題に注意を払う必要があります。

○VCDの表示方法のカスタマイズ

VCDの表示方法のカスタマイズは、VCDの内容を効果的に解析や確認するためのものです。

ここでは、特定の信号の波形を強調して表示する方法を紹介します。

このコードでは、VCDファイルから特定の信号のみを取り出し、それを強調表示するPythonのスクリプトを紹介しています。

def extract_signal_from_vcd(vcd_file, target_signal):
    with open(vcd_file, 'r') as file:
        lines = file.readlines()

    extracted_data = []
    for line in lines:
        if target_signal in line:
            extracted_data.append(line)

    return extracted_data

target_signal = "target_signal_name"
vcd_data = extract_signal_from_vcd("sample.vcd", target_signal)
for line in vcd_data:
    print(line)

このPythonスクリプトは、指定したtarget_signalの名前を持つ信号のみをVCDファイルから抽出します。

これにより、特定の信号の波形データを簡単に確認することができます。

実行結果として、target_signal_nameという名前の信号のVCDデータがコンソールに表示されます。

これを利用して、特定の信号の動作を詳細に確認することができます。

まとめ

VerilogとVCDは、デジタル回路の設計とシミュレーションにおいて非常に重要なツールです。

この記事では、初心者向けに、これらの基本から応用に至るまでの知識と、具体的な10のサンプルコードを交えて解説しました。

特に、実践的な使い方やカスタマイズ方法、注意点や対処法に重点を置いて説明しましたので、これを参考にして、VerilogとVCDを効果的に活用してください。