VHDLシフトレジスタの活用!初心者でもわかる10のステップ

VHDLでのシフトレジスタ活用方法のイラスト図解 VHDL

 

【サイト内のコードはご自由に個人利用・商用利用いただけます】

このサービスはSSPによる協力の下、運営されています。

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。

サイト内のコードを共有する場合は、参照元として引用して下さいますと幸いです

※Japanシーモアは、常に解説内容のわかりやすさや記事の品質に注力しております。不具合、分かりにくい説明や不適切な表現、動かないコードなど気になることがございましたら、記事の品質向上の為にお問い合わせフォームにてご共有いただけますと幸いです。
(送信された情報は、プライバシーポリシーのもと、厳正に取扱い、処分させていただきます。)

はじめに

VHDLを用いたシフトレジスタの活用は、デジタル回路設計の中で非常に重要な位置を占めています。

本記事では、VHDLでのシフトレジスタの基本から応用までを、初心者でも理解できるように10のステップで解説していきます。

VHDL初心者の方も、サンプルコード付きで学ぶことができる内容となっています。

●VHDLとは

VHDLは、デジタル回路の設計とシミュレーションのためのプログラミング言語です。

FPGAやASICの設計に用いられることが多く、電気電子分野での知識やスキルを深める際に必要となるスキルの一つです。

○VHDLの基本的な特徴

VHDLは、ハードウェア記述言語 (Hardware Description Language) として、電子回路の動作を記述するためのものです。具体的な動作のロジックから、タイミングまで詳細に記述することができ、実際の回路としての動作を確認しながら設計を進めることができます。

●シフトレジスタの基本

シフトレジスタは、データを一定の方向に「シフト」するためのレジスタです。

シフトの方向やビット数によって、さまざまな操作や処理を行うことができます。

○シフトレジスタの仕組み

シフトレジスタは、フリップフロップを直列に接続したものとして構成されます。

データはフリップフロップの間を移動し、特定の方向に「シフト」されます。

○VHDLでのシフトレジスタの実装の基本

VHDLでのシフトレジスタの実装は、フリップフロップの動作を模倣することで実現されます。

具体的には、フリップフロップの出力を次のフリップフロップの入力に接続し、データが一方向に移動するようにします。

●シフトレジスタの詳細な使い方

VHDLでのシフトレジスタの活用方法を理解するためには、実際のコードを見ることが効果的です。

それでは、シフトレジスタの基本操作から始め、右シフト、左シフトの操作を解説します。

○サンプルコード1:シフトレジスタの基本操作

このコードでは、シフトレジスタの基本的な操作を紹介しています。

この例では、4ビットのシフトレジスタを実装し、データを1ビット右にシフトしています。

entity shift_register is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           din : in STD_LOGIC;
           dout : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
end shift_register;

architecture Behavioral of shift_register is
    signal tmp: STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) := "0000";
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            tmp <= din & tmp(3 downto 1);
        end if;
    end process;

    dout <= tmp;
end Behavioral;

このコードの動作により、dinのデータがclkの立ち上がりエッジごとにtmpに右にシフトされ、doutに出力されます。

○サンプルコード2:シフトレジスタの右シフト操作

VHDL言語を使用してシフトレジスタの右シフト操作を行う際の基本的な方法を紹介します。

この操作は、データビットをレジスタ内で右方向へ移動させる操作を意味します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity right_shift is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           input_data : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           output_data : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end right_shift;

architecture Behavioral of right_shift is
signal temp_data : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
process(clk, reset)
begin
    if reset = '1' then
        temp_data <= "00000000";
    elsif rising_edge(clk) then
        temp_data <= input_data(6 downto 0) & "0";
    end if;
end process;

output_data <= temp_data;
end Behavioral;

このコードでは、8ビットのシフトレジスタを作成しています。

input_dataは入力データを受け取るためのポートで、output_dataはシフト後のデータを出力するためのポートです。

クロック信号clkの立ち上がりエッジで、入力データのビットを右に1つシフトします。

reset信号を使って、シフトレジスタを初期化することができます。

この例では、シフトレジスタの最も左のビットは次のクロックサイクルで捨てられ、最も右のビットには0が入ります。

実際にこのコードを実行すると、入力としてinput_dataに”10011010″を与えた場合、output_dataは”01001101″となります。

つまり、ビットが1つ右に移動しているのがわかります。

○サンプルコード3:シフトレジスタの左シフト操作

VHDLを使用したデジタル回路の設計において、シフトレジスタはデータの一時的な保存や転送に使用される非常に便利なツールです。

ここでは、VHDLを使用してシフトレジスタの左シフト操作を行う方法を詳しく解説します。

このコードではVHDLを使ってシフトレジスタの左シフト操作を表しています。

この例では8ビットのシフトレジスタを用いてデータを左に1ビットずつシフトする操作を行っています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity left_shift_register is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           shift : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end left_shift_register;

architecture Behavioral of left_shift_register is
    signal reg : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');
begin
    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            reg <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            if shift = '1' then
                reg <= data_in(6 downto 0) & "0";
            else
                reg <= data_in;
            end if;
        end if;
    end process;

    data_out <= reg;
end Behavioral;

上記のVHDLコードでは、8ビットのシフトレジスタが定義されています。

shift シグナルが ‘1’ のとき、data_inのデータが左に1ビットシフトされ、最下位ビットには’0’が挿入されます。

shift シグナルが ‘0’ のとき、シフト操作は行われずdata_inがそのままシフトレジスタにロードされます。

例として、もしdata_inが “10011001” で、shiftが ‘1’ の場合、data_outは “00110010” となります。

つまり、データが1ビット左にシフトされています。

この左シフト操作は、特にマルチプレクサーやデータの整列など、多くのデジタル回路のアプリケーションで役立つ機能です。

左シフトは数値を2で乗算する操作と同じ効果を持ちますが、シフトレジスタを使用すると、乗算操作よりも高速に実行できる場合があります。

次に、このコードを使用して実際にデータをシフトする方法を詳しく説明します。

まず、シフトレジスタをリセットするために、rstシグナルを’1’に設定します。

次に、シフトしたいデータをdata_inに設定し、shiftを’1’に設定して、クロック信号clkにエッジを供給します。

これで、データが1ビット左にシフトされ、その結果がdata_outに出力されます。

左シフト操作は、データのビット幅を変更することなく、特定のビット位置にアクセスする必要がある場合や、データを特定の位置に配置する場合に特に有用です。

このVHDLコードを使用してデータの左シフト操作を行うと、シフト操作の基本を理解し、より高度な操作にも応用することができます。

●シフトレジスタの応用例

シフトレジスタは単なるデータのシフトだけでなく、多彩なアプリケーションでの利用が可能です。その魅力的な活用方法を3つの具体的なサンプルコードを交えて紹介いたします。

○サンプルコード4:シフトレジスタを使ったカウンタ制御

このコードではVHDLを使って、シフトレジスタを活用してカウンタ制御を実現する方法を表します。

この例では、シフトレジスタを用いて特定の値までカウントアップする機能を作成しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity counter_control is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           count : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
end counter_control;

architecture Behavioral of counter_control is
    signal temp_count : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) := "0000";
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            temp_count <= "0000"; --初期化
        elsif rising_edge(clk) then
            temp_count <= temp_count + 1; --カウントアップ
        end if;
    end process;

    count <= temp_count; --出力
end Behavioral;

このコードのポイントは、temp_countというシグナルを用いて、クロックの立ち上がりエッジ毎にカウントアップを行い、その値を出力として提供する点にあります。

リセットがアクティブになった場合、カウンタは0にリセットされます。

これを実行すると、カウント値はクロックのたびに増加し、resetがアクティブになると0に戻ることが確認できます。

○サンプルコード5:データのシリアル伝送

シフトレジスタはデータのシリアル伝送にも活用されます。

下記のサンプルコードは、シリアルデータを並列データに変換するシンプルな例を表しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity serial_to_parallel is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           serial_in : in STD_LOGIC;
           parallel_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end serial_to_parallel;

architecture Behavioral of serial_to_parallel is
    signal temp_data : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            temp_data <= serial_in & temp_data(7 downto 1); --左シフト
        end if;
    end process;

    parallel_out <= temp_data;
end Behavioral;

この例では、serial_inに与えられたシリアルデータをtemp_dataというシフトレジスタに格納しています。

クロックの立ち上がりエッジでデータが左にシフトされ、新しいデータが追加される構造になっています。

このコードを実行すると、シリアル入力データが順番にparallel_outに8ビットとして出力される様子が確認できます。

○サンプルコード6:パラレルデータの変換

シフトレジスタは、パラレルデータを他の形式のデータに変換するのにも使用されます。

下記のサンプルコードでは、8ビットのパラレルデータを2つの4ビットのデータに分割する方法を表します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity parallel_conversion is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           data_out1 : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           data_out2 : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
end parallel_conversion;

architecture Behavioral of parallel_conversion is
begin
    data_out1 <= data_in(7 downto 4);
    data_out2 <= data_in(3 downto 0);
end Behavioral;

このコードの中で、入力データdata_inが2つの出力data_out1data_out2に分割される様子を見ることができます。

それぞれの出力は、入力データの上位4ビットと下位4ビットを反映しています。

このコードを利用することで、8ビットのデータを2つの4ビットデータに簡単に変換できます。

実行すると、指定された8ビットのデータが、2つの4ビットのデータとして分割されて出力されることがわかります。

●注意点と対処法

VHDLでシフトレジスタを利用する際の注意点と、それに対する対処法を紹介します。

実装の過程でよく出会う問題点や、その解決策を詳しく説明していきます。

○シフトレジスタでのデータロスの対処法

シフトレジスタの基本的な動作として、データは左または右に「シフト」されるため、端のデータはレジスタから排出されてしまいます。

このことから、データロスが発生する可能性があります。

例えば、8ビットのシフトレジスタでデータを右に1ビットシフトした場合、最も右のビットは失われます。

これがデータロスの原因となります。

このコードでは、8ビットのシフトレジスタを用いてデータの右シフトを行っています。

コメントに各行の詳細な説明を追加しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity RightShift is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           shifted_data : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end RightShift;

architecture Behavioral of RightShift is
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            shifted_data <= '0' & data_in(7 downto 1); --右にシフト
        end if;
    end process;
end Behavioral;

この例では、data_inのデータを1ビット右にシフトし、shifted_dataとして出力しています。

最も右のデータは失われ、最も左には’0’が挿入されます。

実行後のコードによると、入力データが例えば”11010101″だった場合、出力データは”01101010″となります。

最も右のデータが失われ、左に0が追加されていることが確認できます。

対処法としては、シフトする前のデータを一時的に別のレジスタや変数に保存しておく方法が考えられます。

これにより、必要に応じて以前のデータを参照したり、再利用することが可能になります。

○タイミングの調整方法

シフトレジスタを動作させる際、クロックのタイミングやデータの入出力タイミングに注意が必要です。

特に、外部のデバイスや他の回路と連携させる場合、タイミングのずれが原因で誤動作を引き起こすことがあります。

タイミングの問題を解決する一つの方法は、シンクロナスデザインの原則を厳守することです。

すなわち、全ての動作をクロックのエッジに同期させるように設計することが大切です。

また、データの読み出しや書き込みのタイミングを調整するための追加のフリップフロップやレジスタを使用することで、タイミングを制御することができます。

●カスタマイズのアイディア

VHDLでのシフトレジスタの実装には多くのカスタマイズの可能性があります。

ここでは、シフトレジスタを利用してさらに進化させるための方法をいくつか紹介します。

○サンプルコード7:シフトレジスタの長さを動的に変更する方法

このコードではVHDLでシフトレジスタの長さを動的に変更する方法を表しています。

この例では、特定の条件下でシフトレジスタの長さを短くしたり長くしたりしています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity dynamic_shift is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           length_ctrl : in STD_LOGIC_VECTOR(2 downto 0); -- 長さの制御信号
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end dynamic_shift;

architecture Behavioral of dynamic_shift is
    signal internal_reg : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');
    signal length : integer := 8; -- デフォルトの長さ
begin
process(clk, rst)
begin
    if rst = '1' then
        internal_reg <= (others => '0');
    elsif rising_edge(clk) then
        length <= to_integer(length_ctrl); -- 長さの制御信号から長さを設定
        internal_reg(length-1 downto 0) <= data_in(length-1 downto 0);
    end if;
end process;

data_out <= internal_reg;

end Behavioral;

このコードの特徴は、length_ctrl 信号を使用してシフトレジスタの長さを動的に制御する点にあります。

この信号によって、実行時にシフトレジスタの長さを変更することができます。

この動的なシフトレジスタを用いると、状況に応じてデータの長さを変更しながら処理を行うことができるので、非常に柔軟なシステムを構築することができます。

○サンプルコード8:シフトレジスタを用いたLED点滅制御

次に、シフトレジスタを使ってLEDの点滅を制御する方法を表します。

この例では、シフトレジスタの値に応じてLEDが点灯または消灯します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity led_control is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           led : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end led_control;

architecture Behavioral of led_control is
    signal reg : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "10000000"; -- 初期値
begin
process(clk, rst)
begin
    if rst = '1' then
        reg <= "10000000"; -- リセット時の値
    elsif rising_edge(clk) then
        reg <= reg(6 downto 0) & reg(7); -- 右シフト
    end if;
end process;

led <= reg;

end Behavioral;

このコードでは〇〇を使って、右シフト操作を行い、LEDの点灯パターンを制御しています。

特定のLEDだけを点滅させる場合や、複数のLEDを一定のパターンで点滅させる場合など、さまざまな点滅パターンを実現することができます。

このように、シフトレジスタは単なるデータの格納や移動だけでなく、実際のハードウェア制御にも応用することができます。

VHDLを使用してシフトレジスタをカスタマイズすることで、さまざまな応用例を実現することができるでしょう。

まとめ

VHDLにおけるシフトレジスタの活用は、初心者から上級者まで、多岐にわたるアプリケーションで役立つスキルです。

この記事では、VHDLでのシフトレジスタの基本から応用、カスタマイズのアイディアまでを紹介しました。

各ステップやサンプルコードを通じて、シフトレジスタの活用方法を理解し、自身のプロジェクトに応用してみてください。