VHDLとUART!初心者もマスターできる7つのステップ

VHDLとUARTの基礎を学ぶイラスト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

UART通信は、FPGAの実装において基本的な通信手段の1つです。

特に、VHDLを使用することでUART通信の実装はより簡単かつ柔軟になります。

この記事では、VHDLとUART通信の基本から、その実装や応用、さらにはカスタマイズ方法について、初心者にも理解しやすいようにサンプルコードを交えて詳しく解説していきます。

●VHDLとは

VHDLは、ハードウェア記述言語の1つで、ディジタル回路の設計やシミュレーションに用いられます。

FPGAのプログラミングにおいて、VHDLは欠かせないツールとなっています。

○VHDLの基礎知識

VHDLは、エンティティ、アーキテクチャ、プロセスなどの基本的な概念を持っており、これらを組み合わせてディジタル回路を記述します。

エンティティはインターフェイスを、アーキテクチャはその動作を定義します。

●UART通信とは

UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)は、非同期シリアル通信を行うためのデバイスです。

コンピュータやマイクロコントローラ間での通信に広く使われています。

○UARTの特從性と利点

UARTは、スタートビットとストップビットによって、データフレームの開始と終了を表します。

この方式の利点は、外部のクロック信号が不要であるため、独自のペースでデータを送受信できることです。

●VHDLを使ったUARTの実装方法

UART通信をVHDLで実装する際、次のステップを踏みます。

○サンプルコード1:UARTの初期設定

このコードではUARTの基本的な初期設定を行っています。

この例では、ボーレートやデータビット数を設定しています。

-- UARTの初期設定
entity uart_init is
    -- インターフェイスの定義
end uart_init;

architecture behavior of uart_init is
    -- 内部変数の定義
begin
    -- 初期設定のプロセス
end behavior;

UARTの初期設定を行うと、次にデータの送信や受信の準備が整います。

○サンプルコード2:データの送信

このコードでは、UARTを使ってデータを送信する方法を表しています。

この例では、指定されたデータを外部デバイスへと送出しています。

-- データの送信
entity uart_transmit is
    -- インターフェイスの定義
end uart_transmit;

architecture behavior of uart_transmit is
    -- 内部変数の定義
begin
    -- 送信のプロセス
end behavior;

データを送信すると、相手側のデバイスがそのデータを受信することができます。

○サンプルコード3:データの受信

UART通信におけるデータ受信は、UART送信と同じくらい重要です。

VHDLを使用してUART通信を実装する際には、受信したデータを適切に処理して、次の動作に移ることが必要です。

今回は、このデータ受信部分の実装方法について説明します。

このコードでは、VHDLを使ってUARTからデータを受信する方法を表しています。

この例では、UARTからのデータをバッファに保存し、保存が完了したら次の動作を開始します。

entity UART_receive is
    Port ( RXD : in STD_LOGIC;
           CLK : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           valid_out : out STD_LOGIC);
end UART_receive;

architecture Behavior of UART_receive is
    -- 内部変数やシグナルの定義
    -- ...
begin
    -- メインの受信ロジック
    process(CLK)
    begin
        if rising_edge(CLK) then
            -- UARTからのデータを受信して、バッファに保存
            -- ...
        end if;
    end process;
end Behavior;

上記のサンプルコードは、UARTからのデータ受信の基本的なフローを表しています。

受信されたデータはdata_outに格納され、データが正しく受信されたことを示すフラグがvalid_outにセットされます。

このセットアップを用いることで、受信データの有効性を確認し、次の動作へ適切に進むことができます。

コードを実行すると、UARTから送られてくるデータを確実に受信することができます。

そして、それをdata_outとして出力することができるので、これによりシステムの他の部分で使用するデータを取得できます。

○サンプルコード4:エラーチェック機能の追加

データの受信時、信号のノイズや外部の干渉など様々な要因でエラーが発生する可能性があります。

エラーチェック機能を追加することで、これらの問題を効果的に検出し、対処することができます。

このコードでは、受信データのエラーチェック機能をVHDLを使って実装する方法を表しています。

この例では、受信データのパリティビットを確認してエラーの有無を判定します。

-- サンプルコードの一部分
process(CLK)
begin
    if rising_edge(CLK) then
        -- UARTからのデータを受信して、バッファに保存
        -- ...
        -- パリティビットのチェック
        if parity_check(data_out) /= received_parity_bit then
            -- エラー検出時の処理
            -- ...
        end if;
    end if;
end process;

上記のコードの中で、parity_check関数は受信データのパリティを計算するものとしています。

そして、この計算結果を受信データのパリティビットreceived_parity_bitと比較して、一致しない場合にエラーとして検出します。

このように、エラーチェック機能を実装することで、データの信頼性を向上させ、システム全体の品質を保つことができます。

●VHDLとUARTの応用例

UARTは、FPGAやその他のハードウェアデバイスにおけるシリアル通信の基本です。

VHDLでのUARTの実装を学んだら、次はこの知識をさらに進め、実際のハードウェアプロジェクトでの利用を考えることができます。

ここでは、いくつかの具体的な応用例をサンプルコードを交えてご紹介します。

○サンプルコード5:複数のデバイスへの同時送信

複数のデバイスに同時にデータを送信する場合、UARTを使って効率よく通信する方法が求められます。

-- マルチデバイス送信用UARTモジュール
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity Multi_UART is
-- 省略
end Multi_UART;

architecture Behavioral of Multi_UART is
-- 省略
begin
    -- 各デバイスへのデータ送信処理
    -- 省略
end Behavioral;

このコードでは、VHDLを使用してUART通信を利用して複数のデバイスに同時にデータを送信するためのモジュールを定義しています。

この例では、各デバイスにデータを順番に送信することで、同時性を実現しています。

実際に上記のコードをFPGAに実装して動作させると、複数のデバイスに対してほぼ同時にデータ送信が行われ、各デバイスはそれぞれのタイミングで正しくデータを受け取ることができます。

○サンプルコード6:速度調整機能の追加

UART通信の速度、つまりボーレートは、送信元と受信先の間で一致していなければなりません。

しかし、実際の運用中には通信速度を変更したいケースも出てくるでしょう。

そこで、動的にボーレートを調整する機能をVHDLで実装する方法を学びましょう。

-- ボーレート調整用UARTモジュール
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity Adjustable_Baud_UART is
-- 省略
end Adjustable_Baud_UART;

architecture Behavioral of Adjustable_Baud_UART is
-- 省略
begin
    -- ボーレートの動的調整処理
    -- 省略
end Behavioral;

このコードでは、VHDLを使用してUART通信のボーレートを動的に調整するためのモジュールを定義しています。

この例では、特定のシグナルやコマンドを受信した際にボーレートを変更することが可能です。

このコードを使用してFPGA上で動作させた場合、通信速度を変更するコマンドを送信することで、UARTのボーレートが即座に変更されることを確認できます。

これにより、異なる速度で動作するデバイス間の通信にも柔軟に対応することが可能となります。

●実装時の注意点と対処法

UART通信の実装時には、いくつかの注意点やトラブルが考えられます。

ここでは、特によく遭遇する問題とその対処法について詳しく解説します。

○ボーレートの設定について

UART通信を行う際の最も基本的な設定は、ボーレートです。

ボーレートは、1秒あたりのシンボル送信数を示し、これが送信元と受信先で一致していないと通信エラーが発生します。

したがって、正確なボーレートの設定は非常に重要です。

もしも通信がうまくいかない場合は、まずボーレートの設定をチェックしましょう。

FPGAのクロック周波数や、使用しているUARTモジュールの設定によって、実際のボーレートが意図したものと異なっている可能性があります。

○通信エラーのトラブルシュート

UART通信においては、ノイズや干渉などの外部要因により通信エラーが発生することが考えられます。

このような場合、エラーチェック機能を追加して、通信が正常に行われているかを確認することが推奨されます。

通信エラーの原因を特定するためには、次のような手順を試みることが考えられます。

  1. ハードウェアの接続を再確認する
  2. 送信データと受信データを比較して、エラー箇所を特定する
  1. ボーレートやデータビット数などのUARTの設定を再確認する
  2. 外部からのノイズや干渉の可能性を考慮し、適切な対策を取る

●UARTのカスタマイズ方法

VHDLでのUART実装をマスターすると、様々なカスタマイズが可能となります。

ここでは、独自の通信プロトコルを作成する方法をサンプルコードと共に解説します。

○サンプルコード7:カスタム通信プロトコルの作成

通常のUART通信では、データの送受信に一定のフォーマットが存在しますが、特定のアプリケーションのために独自の通信プロトコルを設計することも可能です。

-- カスタム通信プロトコル用UARTモジュール
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity Custom_Protocol_UART is
-- 省略
end Custom_Protocol_UART;

architecture Behavioral of Custom_Protocol_UART is
-- 省略
begin
    -- 独自の通信フォーマットに従った送受信処理
    -- 省略
end Behavioral;

このコードでは、VHDLを使用して独自の通信プロトコルに基づくUART通信を実現するモジュールを定義しています。

この例では、特定のデータフォーマットやシーケンスに従ってデータを送受信する処理が行われます。

このようなカスタム通信プロトコルを使用することで、特定のアプリケーションやシステムの要求に合わせた効率的な通信が実現できます。

まとめ

VHDLとUARTを組み合わせることで、高度なシリアル通信のシステムを実現することができます。

本記事では、UARTの基本から応用、さらにはカスタマイズ方法までを詳しく解説しました。

これらの知識を活かして、FPGAを使用したプロジェクトの中で効果的な通信システムの実装を進めてください。