Verilogラッチ回路完全解説！初心者が即実践できる7選

はじめに

ディジタル設計の世界で、Verilogは抜群の存在感を放つ言語の一つとして知られています。

特に、回路の設計やテストにおいて、その能力を最大限に引き出すことが可能です。

この記事では、Verilogにおけるラッチ回路の完全解説を行い、初心者が即座に実践できる方法やコードを7選解説いたします。

Verilogでのラッチ回路の基本から応用、使い方やカスタマイズ方法まで、初心者目線で詳しく解説していきます。

●Verilogとは

Verilogは、ディジタルシステムの設計とシミュレーションのためのハードウェア記述言語（HDL）です。

ASICやFPGAの設計に広く用いられています。

○Verilogの基本概念

Verilogでの設計は、主にモジュールとして表されます。モジュールは、特定の機能を持つ回路のブロックを定義します。

各モジュールは、入力ポート、出力ポート、内部信号などから構成されます。

●ラッチ回路とは

ラッチ回路は、ディジタルロジック回路の基本要素の一つとして知られています。

特に、情報を一時的に保持する能力を持っているため、多くのディジタルシステムで利用されています。

○ラッチ回路の仕組み

ラッチは、入力の状態を保持し、出力にその状態を維持することができる回路です。

この性質は、データの一時的な保持や、特定の状態をキャッチする際に非常に役立ちます。

○ラッチ回路の種類

ラッチ回路には、SRラッチ、Dラッチ、JKラッチなど、いくつかの主要なタイプが存在します。

それぞれのラッチは、動作の仕組みや用途に応じて特定の特性を持っています。

●Verilogでのラッチ回路の表現方法

○サンプルコード1：基本的なラッチ回路

このコードでは、基本的なDラッチ回路を使ってデータを保持するコードを紹介しています。

この例では、D入力をCLK信号で制御して、Q出力にデータを維持しています。

module D_latch(input CLK, D, output Q);
reg Q;
always @(D or CLK)
begin
    if (CLK)
        Q = D;
end
endmodule

上記のコードの実行結果として、CLKがハイレベルの時にDのデータがQに転送され、CLKがローレベルの時にはQの値は変わりません。

○サンプルコード2：セットリセットラッチ回路

このコードでは、セットリセットラッチ回路を表現するコードを紹介しています。

この例では、SETとRESET信号でラッチの動作を制御しています。

module SR_latch(input SET, RESET, output Q, Q_bar);
reg Q, Q_bar;
always @(SET or RESET)
begin
    if (SET)
    begin
        Q = 1'b1;
        Q_bar = 1'b0;
    end
    else if (RESET)
    begin
        Q = 1'b0;
        Q_bar = 1'b1;
    end
end
endmodule

上記のコードの実行結果として、SET信号がハイのときQは1、RESET信号がハイのときQ_barは1となります。

両方の信号がローレベルのとき、出力は変わらず保持されます。

●ラッチ回路の使い方

ラッチ回路は、さまざまなディジタルシステムや応用例で用いられる一時記憶装置として活用されています。

ここでは、いくつかの具体的な使用例とそれに伴うサンプルコードを紹介していきます。

○サンプルコード3：データ保持の例

ラッチ回路は、信号を一時的に保存し、必要に応じて出力することができます。

この特性を利用し、データを一時的に保持することで、さまざまなデジタルシステムの基本的な動作を実現することができます。

ここでは、Verilogを使用してデータ保持の基本的な動作を実装する方法を紹介します。

module data_hold_latch(input wire clk, input wire d, output reg q);

    always @(posedge clk) begin
        q <= d;
    end

endmodule

このコードでは、clk（クロック）が正のエッジで上昇するたびに、d（データ入力）の値がq（出力）に保持されます。

この例では、clkの正のエッジでdの値を取り込み、qとして出力しています。

実行結果：

想定する実行結果は、clkが正のエッジで上昇するたびに、qの値が更新されることです。たとえば、dが1であるとき、次のclkの正のエッジでqも1になります。

同様に、dが0のとき、次のclkの正のエッジでqも0になります。

このラッチ回路の動作を確認するために、テストベンチを使用することができます。

テストベンチを使用することで、実際の動作をシミュレーションすることができ、期待する動作が得られるかどうかを確認することができます。

また、データ保持の動作を利用して、複数のデータを順番に取り込み、それを順番に出力するフィフォ（First-In-First-Out）メモリのような機能を実装することもできます。

フィフォメモリは、データの取り込みと出力を別のタイミングで行うことができ、一時的なデータのバッファリングに使用されます。

module fifo(input wire clk, input wire [3:0] d, output reg [3:0] q);
    reg [3:0] buffer[0:3];
    integer i;

    always @(posedge clk) begin
        for(i=0; i<3; i=i+1) begin
            buffer[i] = buffer[i+1];
        end
        buffer[3] = d;
        q = buffer[0];
    end
endmodule

このコードでは、4ビットのデータを4つ保持するフィフォメモリを実装しています。

dのデータは、clkの正のエッジで順番にbufferに保存され、最も古いデータがqとして出力されます。

この例では、データの入力と出力を別のタイミングで行うことができるフィフォの基本的な動作を実装しています。

データの一時保持は、デジタルシステムの中核的な動作の一つであり、Verilogを使用することで簡単に実装することができます。

○サンプルコード4：クロック同期ラッチの利用

Verilogを利用して、デジタルシステム設計を行う際、クロック同期のラッチ回路は頻繁に用いられる要素の一つです。

特に、入力の変化に対して出力が適切なタイミングで更新されるように、クロック信号に同期して動作するラッチ回路は多くのデジタル回路で用いられます。

ここでは、クロック同期ラッチの基本的な使い方について、サンプルコードを用いて詳しく解説します。

module clk_sync_latch(input wire clk, input wire D, output reg Q);
    // clk: クロック入力
    // D: データ入力
    // Q: ラッチの出力

    always @(posedge clk) // クロックの立ち上がりエッジで動作
    begin
        Q <= D; // データ入力Dを出力Qにアサイン
    end
endmodule

このコードでは、Verilogのalwaysブロックを使ってクロックの立ち上がりエッジで動作するラッチ回路を表現しています。

具体的には、クロック信号clkの立ち上がりエッジの時、データ入力Dの値をラッチの出力Qにアサインします。

これにより、Dの値が変わったとしても、次のクロックの立ち上がりまでQの出力は更新されません。

この特性を活かし、タイミングの揺れやノイズの影響を受けにくい安定した出力を得ることができます。

実行結果として、クロックの立ち上がりエッジ毎に、入力Dの値が出力Qに反映されます。

もしDが0から1に変わった場合、次のクロックエッジまでQは0のままとなり、エッジの瞬間に1に変わります。

●応用例とサンプルコード

さて、このクロック同期ラッチを基にして、更に応用的な使い方を考えてみましょう。

○サンプルコード5：分周器の作成

デジタル回路において、特定の周波数のクロック信号を得るために、分周器という回路がよく用いられます。

分周器は、入力クロックの周波数を半分や4分の1など、特定の割合で減少させる役割を果たします。

次に、クロック同期ラッチを利用して2分の1の周波数で動作する分周器のサンプルコードを紹介します。

module divider(input wire clk, output reg Q);
    // clk: クロック入力
    // Q: 分周後のクロック出力

    always @(posedge clk) // クロックの立ち上がりエッジで動作
    begin
        Q <= ~Q; // 出力Qを反転
    end
endmodule

このコードでは、クロックの立ち上がりエッジ毎に出力Qの値を反転させています。従って、入力クロックの2分の1の周波数でQが動作します。

例えば、入力クロックが1MHzの場合、出力Qは500kHzで動作することとなります。

実行結果として、入力クロックの立ち上がりエッジ毎に、出力Qの状態がトグルします。

この動作を利用して、単純に周波数を半分にしたクロック信号を得ることができます。

○サンプルコード6：状態遷移を利用したデザイン

Verilogでのデザインでは、状態遷移は非常に重要な要素です。

特に、デジタルロジック回路において、異なる状態間の遷移を処理する場面は頻繁に見受けられます。

ここでは、状態遷移を活用したデザインの基本的なサンプルコードを紹介しています。

この例では、状態遷移を制御してラッチ回路を操作しています。

// 状態遷移を利用したデザインのサンプルコード
module state_transition_latch(input wire clk, input wire rst, input wire in, output reg out);
    // 状態の定義
    typedef enum {LOW, HIGH} state_t;
    state_t current_state, next_state;

    // 状態遷移のロジック
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) current_state <= LOW;
        else current_state <= next_state;
    end

    // 出力と次の状態の決定
    always @(current_state or in) begin
        case(current_state)
            LOW: begin
                out = 0;
                if (in) next_state = HIGH;
                else next_state = LOW;
            end
            HIGH: begin
                out = 1;
                if (!in) next_state = LOW;
                else next_state = HIGH;
            end
        endcase
    end
endmodule

このコードでは、状態遷移を使って簡単なラッチ回路を操作しています。

具体的には、入力inがHIGHになると状態がHIGHに遷移し、出力outもHIGHになります。

逆に、入力inがLOWになると、状態がLOWに遷移し、出力outもLOWになります。

実行結果：

上記のコードを実行すると、次の結果が得られます。

リセット(rst)が有効になると、現在の状態はLOWに設定されます。
入力inがHIGHになると、状態がHIGHに遷移し、出力outもHIGHになります。
一方、入力inがLOWになると、状態がLOWに遷移し、出力outもLOWになります。

このように、状態遷移を利用することで、入力に応じて異なる動作を実現することができます。

状態遷移を利用したデザインは、上記のサンプルよりも複雑なシナリオでの使用が一般的です。

例えば、特定のシーケンスの検出や、複数の入力を組み合わせた複雑な動作を制御する際に活用されます。

// 複数の入力を組み合わせた動作の例
module complex_state_transition(input wire clk, input wire [1:0] in, output reg out);
    // 状態の定義
    typedef enum {S0, S1, S2, S3} state_t;
    state_t current_state, next_state;

    // 状態遷移のロジック
    always @(posedge clk) begin
        current_state <= next_state;
    end

    // 出力と次の状態の決定
    always @(current_state or in) begin
        case(current_state)
            S0: begin
                if (in == 2'b01) next_state = S1;
                else if (in == 2'b10) next_state = S2;
                else next_state = S0;
            end
            S1: begin
                if (in == 2'b00) next_state = S3;
                else next_state = S1;
            end
            // ... 他の状態も同様に定義 ...
        endcase
    end
endmodule

この例では、2ビットの入力を組み合わせて、複数の状態遷移を制御しています。

状態遷移のロジックは前述の例と同様に、現在の状態と入力に基づいて次の状態を決定しています。

こうした状態遷移を利用したデザインは、システムの動作を柔軟に制御するための強力な手段となります。

特に、複数の入力や条件を組み合わせた動作を実現する際には、状態遷移を活用することで、システムの振る舞いを効率的にデザインすることができます。

○サンプルコード7：シーケンス検出器の実装

シーケンス検出器とは、特定のビット列、つまりシーケンスが入力された際にそれを検出する回路のことを指します。

例えば、”1101″というビット列が入力されたときにのみ”1″を出力するような回路を考えてみましょう。

Verilogを使用してシーケンス検出器を実装したサンプルコードを紹介します。

module sequence_detector(
    input wire clk,   // クロック入力
    input wire rst,   // 非同期リセット
    input wire din,   // データ入力
    output reg dout   // 検出結果の出力
);

reg [3:0] state;  // 現在の状態を保持するレジスタ

// 初期化
always @(posedge rst or posedge clk) begin
    if (rst) begin
        state <= 4'b0000;   // 初期状態
    end else begin
        state <= {state[2:0], din};  // 最新のビットを追加
    end
end

// シーケンス検出
always @(state) begin
    if (state == 4'b1101) begin  // 1101が検出された場合
        dout <= 1;
    end else begin
        dout <= 0;
    end
end

endmodule

このコードでは、4ビットのシーケンス”1101″を検出するシーケンス検出器を紹介しています。

この例では、stateという4ビットのレジスタを使って、過去の4ビットの入力状態を保持しています。

そして、毎クロックの立ち上がりで最新のビット情報をレジスタstateに追加し、そのシーケンスが”1101″かどうかをチェックしています。

このコードを実行すると、入力dinに”1101″というシーケンスが検出された時、出力doutが”1″になり、それ以外の時は”0″になるという動作を確認できます。

●注意点と対処法

○ラッチの誤動作を避けるための対策

Verilogでの設計時には、ラッチの誤動作や不具合を引き起こす可能性があります。

これは、コードの記述ミスや意図しない動作を引き起こす原因となります。

特に、alwaysブロック内での条件分岐や非同期リセットの取り扱いに注意が必要です。

誤動作を避けるための主な対策としては、次のような方法が考えられます。

非同期リセットや非同期セットは極力使用しない。
alwaysブロック内での条件分岐は、完全に網羅的に記述する。
シミュレーションを多用して、意図した動作をしっかりと確認する。

これらの対策を踏まえ、上記のシーケンス検出器のサンプルコードでも、非同期リセットの取り扱いに注意して記述しています。

●カスタマイズ方法

○ラッチ回路のカスタマイズポイント

Verilogを使用してラッチ回路を設計する際のカスタマイズポイントとして、次のような点が挙げられます。

検出するシーケンスの長さや内容を変更する：上記のサンプルコードでは4ビットの”1101″を検出していますが、これを8ビットや16ビットの長さに変更することが可能です。
シーケンス検出のタイミングを変更する：クロックの立ち上がりや立ち下がりを検出タイミングとして設定することができます。
複数のシーケンスを同時に検出する：一つのシーケンス検出器で複数のビット列を同時に検出する設計も可能です。

これらのカスタマイズポイントを活用することで、様々な用途や要件に合わせたラッチ回路の設計が可能となります。