VHDLのafter関数!10の実践コードで学ぶ!

VHDLのafter関数の徹底解説とサンプルコードVHDL
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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。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を凌駕する現役のプログラマチームによって監修されています。

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はじめに

VHDLプログラミングを行う中で、時間を制御する必要が出てくることはよくあります。

その際に非常に役立つのがafter関数です。

この記事ではVHDLのafter関数の詳細な使い方、注意点、応用例、カスタマイズ方法を10のサンプルコードを交えて解説します。

プログラミング初心者の方でも理解できるように、実践的な内容を心掛けています。

●VHDLのafter関数とは

○after関数の基本

after関数は、VHDLのシグナルに一定の遅延時間を設定するための関数です。

時間遅延を持たせることで、シミュレーションや実際のハードウェア動作において、あるイベントの後に特定の動作を実行させることが可能になります。

●after関数の使い方

○サンプルコード1:基本的なafter使用例

このコードでは、シグナル’value’が’1’になった後、5 ns後にシグナル’delayed_value’を’1’に設定する例を表しています。

signal value : bit;
signal delayed_value : bit;
...
begin
  delayed_value <= '1' after 5 ns when value = '1' else '0';
end;

この例では、valueが’1’になった瞬間から5 ns後にdelayed_valueが’1’になる動作を表しています。

○サンプルコード2:afterを使ったディレイ制御

このコードでは、switchがオン(‘1’)になった10 ns後にlightがオン(‘1’)になる動作を表しています。

signal switch : bit;
signal light : bit;
...
begin
  light <= '1' after 10 ns when switch = '1' else '0';
end;

○サンプルコード3:複数のafterを組み合わせる方法

このコードでは、input1が’1’になった5 ns後とinput2が’1’になった10 ns後に、それぞれ対応するoutputシグナルが’1’になる動作を表しています。

signal input1, input2 : bit;
signal output1, output2 : bit;
...
begin
  output1 <= '1' after 5 ns when input1 = '1' else '0';
  output2 <= '1' after 10 ns when input2 = '1' else '0';
end;

●after関数の応用例

○サンプルコード4:センサーからのデータ読み取りにafterを利用

センサーからのデータ読み取りを想定し、センサーがデータを出力した後、一定の遅延を持たせてデータを処理する方法を表しています。

signal sensor_data : bit_vector(7 downto 0);
signal processed_data : bit_vector(7 downto 0);
...
begin
  processed_data <= (others => '0') after 15 ns when sensor_data /= "00000000" else (others => '1');
end;

この例では、sensor_dataが”00000000″ではない場合、15 ns後にprocessed_dataが全て’0’に設定されます。

○サンプルコード5:afterを使ったエラー回避方法

afterを使用して、ある条件下でのエラーを遅延させて回避する方法を表します。

signal error_signal : bit;
signal delay_error : bit;
...
begin
  delay_error <= '1' after 20 ns when error_signal = '1' else '0';
end;

○サンプルコード6:動的な時間設定でafterを利用

特定の条件下で、動的に遅延時間を設定する方法を表しています。

signal dynamic_delay : time;
signal signal_A, delayed_signal_A : bit;
...
begin
  delayed_signal_A <= '1' after dynamic_delay when signal_A = '1' else '0';
end;

●注意点と対処法

○サンプルコード7:頻繁なafter使用での不具合とその解消方法

頻繁にafterを使用すると、期待した動作と異なる結果が得られることがあります。

その原因と解消策をサンプルコードで解説します。

signal frequent_signal : bit_vector(3 downto 0);
signal result_signal : bit_vector(3 downto 0);
...
begin
  -- これは期待する動作をしない可能性がある
  result_signal(0) <= '1' after 5 ns when frequent_signal(0) = '1' else '0';
  result_signal(1) <= '1' after 5 ns when frequent_signal(1) = '1' else '0';
  -- ...
  -- 解決策: 遅延時間を変えて衝突を避ける
  result_signal(2) <= '1' after 10 ns when frequent_signal(2) = '1' else '0';
  result_signal(3) <= '1' after 15 ns when frequent_signal(3) = '1' else '0';
end;

●カスタマイズ方法

○サンプルコード8:独自関数としてafterをカスタマイズする方法

after関数を独自の関数としてカスタマイズする方法を表します。

function custom_after(signal_value: bit; delay_time: time) return bit is
begin
  return '1' after delay_time when signal_value = '1' else '0';
end function custom_after;

○サンプルコード9:afterと他のVHDL関数を組み合わせる方法

after関数と他のVHDL関数を組み合わせる方法を紹介します。

signal combined_signal : bit_vector(3 downto 0);
signal result : bit;
...
begin
  result <= '1' after 10 ns when or_reduce(combined_signal) = '1' else '0';
end;

○サンプルコード10:after関数を最大限に活用したプロジェクトサンプル

大規模なプロジェクトでafter関数を最大限に活用する方法を表すサンプルを紹介します。

-- この部分は、あくまで一例としての大規模なプロジェクトの断片です。
entity project_sample is
...
end entity project_sample;

architecture behavior of project_sample is
...
begin
  -- after関数を複数組み合わせて制御を行うロジックなどを記述
end architecture behavior;

まとめ

VHDLのafter関数は、時間遅延を持たせることでさまざまな制御やシミュレーションを実現する強力なツールです。

初心者から上級者まで、適切に使用することでVHDLプログラミングの幅が広がります。

本記事で紹介したサンプルコードやテクニックを参考に、実際のプロジェクトでの応用を試みてみてください。