VHDLのkeep_hierarchy活用法！初心者向け10選

はじめに

VHDLは、デジタル回路の設計とシミュレーションのための言語であり、keep_hierarchy属性は、VHDLでの回路設計において重要な役割を果たしています。

本記事では、VHDLでのkeep_hierarchyの利用方法を初心者目線で解説します。

10の実践的なサンプルコードを通じて、より効果的な使い方を学んでいきましょう。

●VHDLとkeep_hierarchyの基礎

○VHDLの概要

VHDL（VHSIC Hardware Description Language）は、複雑なデジタルシステムをモデル化、シミュレーションするための言語です。

ASICやFPGAの設計に広く使用されています。

○keep_hierarchy属性の役割

keep_hierarchy属性は、合成時に特定の階層を維持するためのものです。

この属性を使用すると、設計の柔軟性を高めることができます。

●keep_hierarchyの詳細な使い方

○サンプルコード1：基本的なkeep_hierarchyの使用方法

このコードでは、keep_hierarchy属性をシンプルに使用して階層を維持する方法を表しています。

この例では、モジュールmy_moduleを維持しています。

entity my_module is
-- 省略 --
end my_module;

-- keep_hierarchy属性の設定
attribute keep_hierarchy : string;
attribute keep_hierarchy of my_module : entity is "true";

このコードを適用すると、my_moduleの階層が合成時に維持されます。

○サンプルコード2：階層構造の維持

このコードでは、複数のモジュールの階層を維持する方法を表しています。

この例では、モジュールAとBを維持しています。

entity moduleA is
-- 省略 --
end moduleA;

entity moduleB is
-- 省略 --
end moduleB;

-- keep_hierarchy属性の設定
attribute keep_hierarchy of moduleA, moduleB : entity is "true";

このコードを適用すると、moduleAとmoduleBの階層が合成時に維持されます。

○サンプルコード3：特定のモジュールにkeep_hierarchyを適用

このコードでは、特定のモジュールにのみkeep_hierarchyを適用する方法を表しています。

この例では、モジュールCだけを維持しています。

entity moduleC is
-- 省略 --
end moduleC;

entity moduleD is
-- 省略 --
end moduleD;

-- keep_hierarchy属性の設定
attribute keep_hierarchy of moduleC : entity is "true";

このコードを適用すると、moduleCのみの階層が合成時に維持され、moduleDは通常通り合成されます。

●keep_hierarchyの応用例

○サンプルコード4：複雑な回路での適用方法

このコードでは、複雑な回路構造にkeep_hierarchyを適用する方法を表しています。

この例では、内部に複数のモジュールを持つmain_moduleを維持しています。

entity main_module is
-- 省略 --
end main_module;

-- keep_hierarchy属性の設定
attribute keep_hierarchy of main_module : entity is "true";

このコードを適用すると、main_module内のすべてのモジュールとその階層が合成時に維持されます。

○サンプルコード5：テストベンチとの連携

このコードでは、テストベンチと連携してkeep_hierarchyを適用する方法を表しています。

この例では、テストベンチに合わせて特定のモジュールを維持しています。

entity testbench is
-- 省略 --
end testbench;

entity target_module is
-- 省略 --
end target_module;

-- keep_hierarchy属性の設定
attribute keep_hierarchy of target_module : entity is "true";

このコードを適用すると、target_moduleの階層がテストベンチの実行時に維持されます。

○サンプルコード6：最適化とのバランス

このコードでは、keep_hierarchyの利用と合成の最適化をバランス良く組み合わせる方法を表しています。

この例では、特定のモジュールを維持しつつ、他の部分は最適化しています。

entity opt_module is
-- 省略 --
end opt_module;

-- keep_hierarchy属性の設定
attribute keep_hierarchy of opt_module : entity is "true";

このコードを適用すると、opt_moduleの階層だけが維持され、他の部分は通常通り最適化されます。

●VHDLプログラミングの注意点と対処法

○コンパイルエラーへの対応

VHDLプログラミング中にコンパイルエラーが発生する場合があります。

エラーメッセージをしっかり読み、原因を特定し、適切に対処することが重要です。

○keep_hierarchyの過度な使用について

keep_hierarchy属性の過度な使用は、合成結果を予測しにくくする恐れがあります。

適切なバランスを取りながら使用することが推奨されます。

●keep_hierarchyのカスタマイズ方法

○サンプルコード7：カスタム属性の追加

このコードでは、ユーザー定義のカスタム属性を追加してkeep_hierarchyをカスタマイズする方法を表しています。

この例では、custom_hierarchyという新しい属性を作成しています。

entity custom_module is
-- 省略 --
end custom_module;

-- カスタム属性の作成
attribute custom_hierarchy : string;
attribute custom_hierarchy of custom_module : entity is "custom_value";

このコードを適用すると、custom_moduleに対して新しいカスタム属性が適用されます。

○サンプルコード8：ユーザー定義の階層構造の作成

このコードでは、ユーザーが独自に定義した階層構造を作成する方法を表しています。

この例では、特定のモジュール間の関係を定義しています。

entity user_moduleA is
-- 省略 --
end user_moduleA;

entity user_moduleB is
-- 省略 --
end user_moduleB;

-- ユーザー定義の階層構造の設定
attribute user_hierarchy of user_moduleA : entity is "linked_to_moduleB";

このコードを適用すると、user_moduleAがuser_moduleBにリンクされた階層として扱われます。

○サンプルコード9：外部ライブラリとの組み合わせ

このコードでは、外部ライブラリとの組み合わせでkeep_hierarchyを使用する方法を表しています。

この例では、外部ライブラリとしてlib_exampleを使用しています。

library lib_example;

entity lib_module is
-- 省略 --
end lib_module;

-- keep_hierarchy属性の設定
attribute keep_hierarchy of lib_module : entity is "true";

このコードを適用すると、外部ライブラリ内のlib_moduleの階層が維持されます。

○サンプルコード10：シミュレーション時の動作確認

このコードでは、シミュレーション時にkeep_hierarchyの動作を確認する方法を表しています。

この例では、sim_moduleでシミュレーションを行っています。

entity sim_module is
-- 省略 --
end sim_module;

-- シミュレーションの実行
begin
    -- 省略 --
end sim_module;

このコードを適用すると、sim_module内でのkeep_hierarchyの動作を確認することができます。

まとめ

VHDLでのkeep_hierarchy属性は、回路の設計と最適化のバランスを取りながら、効果的な設計を行うための重要なツールです。

本記事で紹介したサンプルコードを参考に、実践的な回路設計を行いながら、keep_hierarchyの活用方法をマスターしてみましょう。