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【VHDLコンパイル入門】10選実践コードで学ぶ！

VHDLコンパイルの基本から実践までのイメージ図 VHDL
2023.08.08
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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。

本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。

※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』を満たす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は電子工学の世界で頻繁に使用される言語であり、デジタル回路の設計やシミュレーションに利用されます。

特に、実際のハードウェアを制作する前の検証フェーズにおいて、VHDLのコンパイル技術は欠かせないものとなっています。

この記事では、VHDLコンパイルの基礎から応用テクニックまでを徹底解説します。

10の実践的なサンプルコードを通して、VHDLコンパイルの世界をステップバイステップで深く探求していきましょう。

●VHDLとは

○VHDLの基本的な概念

VHDL（VHSIC Hardware Description Language）は、高性能ICのハードウェア記述言語として1980年代に開発されました。

この言語は、デジタル回路の動作や構造をテキストベースで記述することが可能です。

VHDLを使うことで、複雑なデジタル回路の設計やテストが容易に行えるようになりました。

○コンパイルの重要性

VHDLで記述されたコードは、そのままではハードウェアとして動作しません。

それを具体的なハードウェアの動作に変換するためには、コンパイルという工程が必要となります。

コンパイルによって、VHDLのコードはシミュレーション可能な形式や、実際のハードウェアにダウンロードできる形式に変換されるのです。

●VHDLコンパイルの基本

○コンパイルとは

コンパイルは、高水準のプログラム言語で書かれたソースコードを、低水準の言語や機械語に変換するプロセスを指します。

VHDLの場合、このコンパイル工程によって、テキストベースのVHDLコードが具体的なデジタル回路の動作や構造として表現されます。

○VHDLのコンパイルの特徴

VHDLのコンパイルには、一般的なプログラミング言語のコンパイルとは異なるいくつかの特徴があります。

VHDLはハードウェア記述言語であるため、コンパイル結果として得られるのはプログラム実行のためのバイナリコードではなく、ハードウェアの設計データやシミュレーションデータとなります。

●VHDLコンパイルの具体的な手順

○サンプルコード1：基本的なコンパイル手順

このコードでは、VHDLの基本的なコンパイル手順を表しています。

この例では、単純なANDゲートの動作を記述してコンパイルします。

-- ANDゲートの動作を記述
entity AND_GATE is
    Port ( A : in  STD_LOGIC;
           B : in  STD_LOGIC;
           Y : out STD_LOGIC);
end AND_GATE;

architecture Behavioral of AND_GATE is
begin
    Y <= A and B;
end Behavioral;

このコードは、2つの入力AとBを受け取り、それらのAND結果を出力Yとして返すANDゲートを表現しています。

上記のコードをコンパイルすると、ANDゲートの動作や構造を示すシミュレーションデータやハードウェア設計データが生成されます。

これにより、実際のデバイス上でのANDゲートの動作を確認することが可能となります。

○サンプルコード2：エラーチェックの方法

このコードでは、VHDLコードのエラーチェックの方法を表しています。

この例では、意図的にエラーを含むコードを用意し、そのエラーをチェックする方法を表しています。

-- エラーを含むコード
entity OR_GATE is
    Port ( C : in  STD_LOGIC;
           D : in  STD_LOGIC;
           Z : out STD_LOGIC);
end OR_GATE;

architecture Behavioral of OR_GATE is
begin
    Z <= C or D
end Behavioral;

上記のコードでは、末尾にセミコロンが欠けているためエラーが発生します。

コンパイルを実行すると、エラーメッセージが出力され、具体的なエラーの位置や原因が表されます。

このようにしてエラーの原因を特定し、修正することが可能となります。

上記のエラーメッセージを見ると、末尾にセミコロンが必要であることがわかります。

このようにしてエラーメッセージを解析し、コードの修正を行うことで、正常にコンパイルを進めることができます。

●VHDLコンパイルの応用例

VHDLコンパイルにおける応用技術は、実際のデザインやシミュレーションでの効率や精度を大きく向上させるための鍵となります。

今回は、それらのテクニックの一部をサンプルコードとともに紹介していきます。

○サンプルコード3：最適化オプションの利用

VHDLのコンパイル時には、さまざまな最適化オプションを使用することが可能です。

これらのオプションは、コードの実行速度を向上させたり、リソースの使用量を減少させたりするために役立ちます。

-- ライブラリの宣言
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

-- 簡単な回路のエンティティの定義
entity SimpleCircuit is
    Port ( A : in STD_LOGIC;
           B : out STD_LOGIC);
end SimpleCircuit;

-- 回路の動作を記述
architecture Behavioral of SimpleCircuit is
begin
    B <= A;
end Behavioral;

このコードでは、基本的なVHDLのエンティティとアーキテクチャを用いて、シンプルなデジタル回路を定義しています。

この例では、入力Aをそのまま出力Bに接続しています。

このコードをコンパイルする際に、特定の最適化オプションを用いることで、回路の合成結果やシミュレーションの速度を改善することが可能です。

例えば、次のようにコンパイラのコマンドラインから最適化オプションを指定することが考えられます。

vhdl-compiler -optimize-level 2 SimpleCircuit.vhdl

このコマンドは、最適化レベル2でコンパイルを行うことを指示しています。

結果として、生成される回路やシミュレーションの動作が最適化され、より効率的に動作する可能性が高まります。

○サンプルコード4：マクロやライブラリの使用

VHDLの開発において、再利用性やコードの整理を促進するために、マクロや外部ライブラリの使用は非常に重要です。

-- 外部ライブラリの使用例
library MyCustomLib;
use MyCustomLib.MyFunctions.ALL;

entity ComplexCircuit is
    Port ( X : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           Y : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end ComplexCircuit;

architecture Behavioral of ComplexCircuit is
begin
    Y <= MyFunction(X);
end Behavioral;

このコードでは、MyCustomLibという独自のライブラリを用いて、特定の関数MyFunctionを利用しています。

このような外部ライブラリの活用により、複雑な処理や一般的な処理を簡単に実装することが可能となります。

コンパイル時には、外部ライブラリの場所を指定する必要があります。

vhdl-compiler -L /path/to/MyCustomLib ComplexCircuit.vhdl

このコマンドにより、指定したパスにあるMyCustomLibライブラリを参照してコンパイルが行われます。

これにより、外部ライブラリ内の関数やコンポーネントを正常に参照し、期待通りの動作を実現することができます。

●コンパイル時のトラブルと対処法

VHDLのコンパイルに関する知識が増えてきた中、実際のコンパイル時にはさまざまなトラブルやエラーが生じる可能性があります。

これらのトラブルを効果的に対処するための方法や考え方をこちらで紹介します。

○サンプルコード5：エラーメッセージの解釈と対処

このコードでは、VHDLでのコンパイルエラーの一例とその解釈、対処の方法を表しています。

この例では、信号宣言を忘れてしまった時にどのようなエラーメッセージが表示されるのかを表しています。

-- 信号宣言を忘れた例
entity SampleEntity is
port (
    A : in bit;
    B : out bit
);
end entity SampleEntity;

architecture Behave of SampleEntity is
begin
    B <= A and C; -- Cは宣言されていない
end architecture Behave;

上記のコードをコンパイルすると、「Cが宣言されていない」というエラーメッセージが表示されます。

このような場合、まずはエラーメッセージをしっかりと読んで、どの部分が問題を引き起こしているのかを確認します。

エラーの原因が明確であれば、それを修正して再度コンパイルを行います。

○サンプルコード6：警告メッセージのハンドリング

警告メッセージはエラーではないものの、注意が必要な箇所を指摘してくれます。

このコードでは、未使用の信号に関する警告の例を紹介しています。

この例では、Dという信号が宣言されているものの、実際には使用されていないことを表しています。

-- 未使用の信号の警告例
entity WarningEntity is
port (
    A : in bit;
    B : out bit;
    D : in bit -- この信号は使用されていない
);
end entity WarningEntity;

architecture Behave of WarningEntity is
begin
    B <= A;
end architecture Behave;

このようなコードをコンパイルすると、「Dは使用されていない」という警告が表示されることがあります。

警告メッセージには、コードの潜在的な問題点や最適化のためのヒントが含まれていることが多いため、無視するのではなく、きちんと対応することが望ましいです。

●VHDLコンパイルのカスタマイズ方法

VHDLのコンパイルには、標準の手順や方法だけでなく、様々なカスタマイズや拡張が可能です。

これにより、特定の要件や環境に合わせて最適なコンパイルを行うことができます。

○サンプルコード7：カスタムライブラリの作成と利用

このコードでは、独自のライブラリを作成し、それを使用する方法を紹介しています。

この例では、基本的な論理ゲートをまとめたカスタムライブラリを作成し、それを利用してデジタル回路を設計しています。

-- カスタムライブラリの宣言
library CustomLib;
package LogicGates is
    function AND_GATE(A, B: bit) return bit;
    function OR_GATE(A, B: bit) return bit;
end package LogicGates;

-- カスタムライブラリの実装
package body LogicGates is
    function AND_GATE(A, B: bit) return bit is
    begin
        return A and B;
    end AND_GATE;

    function OR_GATE(A, B: bit) return bit is
    begin
        return A or B;
    end OR_GATE;
end package body LogicGates;

-- カスタムライブラリの利用例
entity UseCustomLib is
port (
    X, Y : in bit;
    Z    : out bit
);
end entity UseCustomLib;

architecture Behave of UseCustomLib is
begin
    Z <= LogicGates.AND_GATE(X, Y);
end architecture Behave;

上記のコードでは、CustomLibという独自のライブラリにLogicGatesというパッケージを定義し、その中に基本的な論理ゲートの関数を実装しています。

そして、そのライブラリを使用するエンティティを定義しています。

○サンプルコード8：プリプロセッサの使用例

VHDLにおけるプリプロセッサは、コンパイル前のソースコードの変更や条件付きのコード生成などを行うツールです。

これにより、異なる条件下でのコンパイルや特定の環境向けのコードの生成が可能となります。

下記のコードでは、プリプロセッサを使用して、デバッグモードの有無に応じて異なる動作をするデジタル回路を設計しています。

-- プリプロセッサのディレクティブを使用
`ifdef DEBUG
signal debug_signal : bit := '0';
`endif

entity ProcessorEntity is
port (
    A : in bit;
    B : out bit
);
end entity ProcessorEntity;

architecture Behave of ProcessorEntity is
begin
`ifdef DEBUG
    B <= A or debug_signal;
`else
    B <= A;
`endif
end architecture Behave;

このコードでは、DEBUGという名前のプリプロセッサの定義が存在するかどうかで、コード内の動作を切り替えています。

DEBUGが定義されている場合、debug_signalという追加の信号を利用して、Bの出力を制御します。

定義されていない場合、BはAの入力をそのまま出力します。

このようなプリプロセッサの利用により、一つのソースコードで複数の動作モードや環境を持つデジタル回路を設計することができます。

実際にこのコードをコンパイルするとき、DEBUGを定義する場合としない場合で、出力されるデジタル回路が異なることがわかります。

DEBUGを定義した場合、出力Bはdebug_signalの影響を受けることとなり、デバッグの際の動作検証やテストが容易になります。

●VHDLコンパイルの高度なテクニック

VHDLのコンパイルには、基本的な手順やカスタマイズ方法だけでなく、さらに高度なテクニックも存在します。

これらのテクニックを利用することで、より効率的なコンパイルや最適化が可能となります。

○サンプルコード9：並列コンパイルの活用

多くの現代のコンピュータはマルチコアやマルチスレッドのCPUを持っています。

VHDLのコンパイルも、これらのハードウェアの特性を利用して、複数のファイルやモジュールを同時にコンパイルする並列コンパイルが可能です。

下記のコードでは、二つの異なるVHDLモジュールを並列にコンパイルする例を表しています。

-- Module1.vhdl
entity Module1 is
-- 以下略

-- Module2.vhdl
entity Module2 is
-- 以下略

並列コンパイルを行うことで、大規模なデジタル回路の設計やシミュレーションの際のコンパイル時間を大幅に短縮することができます。

特に複数のモジュールやファイルが存在する大規模なプロジェクトでは、この技術の活用が非常に有効です。

コンパイルを行った際、それぞれのモジュールが独立してコンパイルされるため、全体のコンパイル時間が短縮されます。

具体的には、2つのモジュールが同時にコンパイルされる場合、通常の半分の時間でコンパイルが完了することが期待されます。

○サンプルコード10：特定のデバイスやプラットフォーム向けの最適化

デジタル回路の設計において、使用するデバイスやプラットフォームに応じてコンパイルを最適化する必要があります。

VHDLでは、特定のデバイスやプラットフォーム向けの最適化を実施することで、効率的なコンパイル結果を得ることができます。

このコードでは、特定のデバイスに合わせて最適化を行うためのコンパイルオプションを設定する方法を紹介しています。

この例では、特定のFPGAブランドとモデルに合わせて、最適なコンパイル結果を得るための設定を行っています。

-- FPGAブランドとモデルの指定
pragma target_device BRAND_X MODEL_1234;

entity SampleDeviceOptimized is
   -- ピンやポートの定義など
end SampleDeviceOptimized;

architecture Behavioral of SampleDeviceOptimized is
begin
   -- ロジックの記述
end Behavioral;

このサンプルコードでは、pragmaコマンドを使用して、目的とするデバイスのブランドとモデルを指定しています。

実際のコンパイル時には、この情報を元に、デバイス固有の最適化が行われます。

このように指定することで、指定したデバイスに特有の特性や機能を活用して、高速動作や省電力動作などの最適化を達成することが期待されます。

例えば、BRAND_XのMODEL_1234では、特定の演算が高速に動作するハードウェアアクセラレータが内蔵されている場合、この情報を元に、そのアクセラレータを活用するようなコンパイル結果が出力されることになります。

応用例として、異なるデバイスやプラットフォームに対応するために、コード内で複数のデバイス指定を行うことも考えられます。

この場合、各デバイス向けのコード部分を条件分岐やプリプロセッサの指示を使って分けることで、1つのVHDLコードから複数のデバイス向けのコンパイル結果を出力することが可能になります。

具体的なコードの実行後、指定したデバイスやプラットフォームに特有の最適化が行われたコンパイル結果が得られます。

これをハードウェアに適用することで、そのデバイスの特性を最大限に活用した動作を確認することができるでしょう。

まとめ

VHDLコンパイルの過程やそのテクニックについて、基本から高度なテクニックまで幅広く解説しました。

特に、初心者の方にもステップバイステップで学べるように、10のサンプルコードを交えて説明しました。

VHDLのコンパイルは、デジタル回路設計の基盤となる重要なプロセスです。

この記事を通して、その基礎から実践的なテクニックまでの知識を深める手助けになれば幸いです。