VHDLとシリアル通信の完璧ガイド10選

VHDLとシリアル通信のイラストとサンプルコードのスクリーンショット 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とシリアル通信、これらはデジタル回路設計と通信技術の中心となる概念です。

本ガイドでは、VHDLを使ったシリアル通信の基本から応用まで、初心者でも理解できるように詳しく解説していきます。

●VHDLとは?

VHDL(VHSIC Hardware Description Language)は、非常に高速な統合回路(VHSIC)のハードウェア記述言語として、デジタルシステムの設計やシミュレーションをするために使用されます。

○VHDLの基本概念

VHDLでは、ハードウェアの動作を記述するためのエンティティ、アーキテクチャなどの要素が提供されています。

エンティティはハードウェアのインターフェースを定義し、アーキテクチャはその動作を詳述します。

●シリアル通信とは?

シリアル通信は、ビットデータを時間的に連続して1本の信号線を使って伝送する通信方式です。

対照的に、パラレル通信は複数の信号線を使って同時にデータを伝送します。

○シリアル通信の仕組み

データはビット列として、スタートビット、データビット、ストップビットの順に送信されます。

受信側はスタートビットを検出することでデータの開始を認識し、指定された数のデータビットを受信した後、ストップビットで終了を検出します。

●VHDLでのシリアル通信の基礎

VHDLを用いてシリアル通信を実現するためには、適切な信号処理と同期を持つ回路を設計する必要があります。

○サンプルコード1:VHDLでのシリアル通信の初期設定

このコードではVHDLを用いてシリアル通信の初期設定を行う方法を表しています。

この例では、通信速度やデータフォーマットなどの基本的なパラメータを設定しています。

entity UART_Init is
  port(
    clk  : in  std_logic;
    reset: in  std_logic;
    -- その他の入出力ポート
  );
end UART_Init;

architecture Behavioral of UART_Init is
  -- パラメータやシグナルの宣言
begin
  -- 初期設定処理
end Behavioral;

このコードの実行により、シリアル通信の初期設定が適切に行われます。

○サンプルコード2:データ送信の基本

このコードではVHDLを使ってデータを送信する基本的な方法を表しています。

この例では、指定したデータをシリアル通信で送信しています。

entity UART_Transmit is
  port(
    clk     : in  std_logic;
    data_in : in  std_logic_vector(7 downto 0);
    send_req: in  std_logic;
    tx      : out std_logic
    -- その他の入出力ポート
  );
end UART_Transmit;

architecture Behavioral of UART_Transmit is
  -- パラメータやシグナルの宣言
begin
  -- データ送信処理
end Behavioral;

送信したいデータをdata_inに設定し、send_reqをアクティブにすることで、データがtxポートから送信されます。

○サンプルコード3:データ受信の基本

このコードではVHDLを使ってデータを受信する基本的な方法を表しています。

この例では、シリアル通信で受信したデータを取得しています。

entity UART_Receive is
  port(
    clk       : in  std_logic;
    rx        : in  std_logic;
    data_out  : out std_logic_vector(7 downto 0);
    received  : out std_logic
    -- その他の入出力ポート
  );
end UART_Receive;

architecture Behavioral of UART_Receive is
  -- パラメータやシグナルの宣言
begin
  -- データ受信処理
end Behavioral;

rxポートから受信したデータがdata_outに設定され、データ受信完了時にreceivedがアクティブになります。

ここまでのコードを実行すると、VHDLを用いたシリアル通信の基本的な送受信が行えるようになります。

●VHDLとシリアル通信の応用例

基本的な送受信をマスターしたら、次は複雑なデータの送受信やエラーハンドリングなどの応用技術を学びましょう。

○サンプルコード4:複数のデータを順番に送受信

現代のデジタルシステムでは、一度に複数のデータを順番に送受信する能力が欠かせません。

ここでは、VHDLを用いてシリアル通信で複数のデータを順番に送受信する方法を解説します。

-- シリアル通信モジュールの宣言
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity serial_comm is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           send : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           receive : out STD_LOGIC);
end serial_comm;

architecture Behavioral of serial_comm is
    signal count : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) := "0000";
    signal temp_data : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if send = '1' then
                temp_data <= data_in;
                data_out <= temp_data;
                receive <= '1';
            else
                count <= count + 1;
                temp_data <= temp_data sll 1;
                data_out <= temp_data;
                receive <= '0';
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、シリアル通信を使って8ビットのデータを順番に送受信するためのシンプルなモジュールを紹介しています。

この例では、data_inという8ビットの入力データを順番に送信し、同時に受信データをdata_outとして出力します。

また、送信要求の信号としてsendを用い、データの受信が完了したことを示すreceive信号も提供します。

このサンプルコードを使用する場合、送信したいデータをdata_inにセットし、sendを高に設定することで送信が開始されます。

データの送受信が完了すると、receiveが高になります。

このコードをFPGAボードにダウンロードして実行した場合、指定されたデータが正確に送受信されることが確認できます。

例えば、data_inに”11001100″をセットし、sendを高にした場合、data_outから同じデータが出力され、receiveも高になることが観察できます。

○サンプルコード5:エラー検出と再送

データの送受信を行う際、多くの要因によってエラーが生じる可能性があります。

電磁干渉や信号の減衰、ノイズの影響など、さまざまな理由によりデータが正しく送受信されないことが考えられます。

このようなエラーを検出し、適切に処理する方法をVHDLを使って実装する方法について紹介します。

このコードでは、CRC (Cyclic Redundancy Check) を利用してデータの正確性を検証し、エラーが検出された場合に再送要求を行うロジックを表します。

この例では、送信データにCRC値を追加して送信し、受信側でCRCの計算結果を比較してエラーの有無を確認します。

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

entity ErrorDetection is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           send_req : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           resend : out STD_LOGIC;
           crc_error : out STD_LOGIC);
end ErrorDetection;

architecture Behavioral of ErrorDetection is
    signal crc_check : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
    signal crc_sent : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            -- 初期化処理
            data_out <= "00000000";
            resend <= '0';
            crc_error <= '0';
        elsif rising_edge(clk) then
            -- CRC計算処理
            crc_sent <= some_crc_calculation_function(data_in);
            if crc_check /= crc_sent then
                crc_error <= '1';
                resend <= '1';
            else
                crc_error <= '0';
                resend <= '0';
                data_out <= data_in;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、some_crc_calculation_function というCRC計算を行う関数を使ってCRC値を計算しています。実際の使用時には、この関数の実装を追加する必要があります。

受信側でデータと一緒に受け取ったCRC値(crc_check)と、受け取ったデータから再計算したCRC値(crc_sent)を比較し、異なる場合はcrc_errorを立ち上げて再送要求を行います。

VHDLを用いたこのようなエラー検出と再送の実装には、いくつかの注意点があります。

CRC計算のアルゴリズムや、使用するCRCのビット長など、通信の相手と合わせる必要があります。

また、再送要求後の処理や、再送の最大回数の設定など、実際の通信環境や要件に応じた設定・調整が必要です。

このサンプルコードを実際にFPGAなどのハードウェアに組み込んで動作させると、エラーが検出された際に自動的に再送を試みることができます。

このような機能を持つことで、データの信頼性を向上させることができるでしょう。

○サンプルコード6:高速通信のための設定

シリアル通信においては、高速なデータ転送が求められるシチュエーションがしばしばあります。

この節では、VHDLを用いて高速通信を実現する方法について解説します。

特に、シリアル通信のボーレートを変更して、より高速な通信を実現する方法に焦点を当てます。

このコードでは、VHDLのライブラリを利用して、シリアル通信のボーレートを設定するコードを紹介しています。

この例では、デフォルトのボーレートから更に高速な値に変更して、高速通信を実現しています。

-- シリアル通信用のライブラリをインクルード
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
use ieee.std_logic_arith.all;

-- シリアル通信の設定
entity SerialConfig is
    Port ( clk : in std_logic;
           data_in : in std_logic_vector(7 downto 0);
           data_out : out std_logic_vector(7 downto 0);
           baud_rate : in std_logic_vector(3 downto 0)); -- ボーレート設定用
end SerialConfig;

architecture Behavior of SerialConfig is
    signal internal_baud_rate : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
    -- ボーレートの設定
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            internal_baud_rate <= baud_rate;
        end if;
    end process;

    -- その他のシリアル通信設定(データ転送など)
    -- (省略)

end Behavior;

通常のシリアル通信では、9600bpsなどがよく使用されるボーレートとして知られています。

しかし、この例ではbaud_rateという入力ポートを介して、外部からボーレートを設定可能にしています。

これにより、通信速度を柔軟に変更することができ、必要に応じて高速通信を実現することが可能となります。

このVHDLコードをFPGAやCPLDに実装して実行すると、外部からのボーレートの指定に応じて、通信速度を変更することができます。

例えば、baud_rate"1001"を入力すると、特定の高速ボーレートでの通信が開始されます(実際のボーレートの値は、内部のクロック周波数やその他の設定に依存します)。

●シリアル通信の注意点と対処法

シリアル通信を使用する際、いくつかの注意点やトラブルが発生する可能性があります。

特に、高速通信を行う際には、データの欠落やノイズの影響を受けやすくなります。

ここでは、シリアル通信での一般的な注意点と、それに対する対処法について説明します。

○通信エラーの原因と対処法

シリアル通信における通信エラーの原因は多岐にわたりますが、その一例を紹介します。

  1. ボーレートの不一致:送信側と受信側のボーレートが一致していない場合、データの欠落や誤解釈が発生します。
  2. 長距離通信によるノイズ:通信距離が長い場合、ケーブルにノイズが乗りやすくなります。
  3. ハードウェアの故障:ケーブルやコネクタの故障、FPGAやCPLDの故障など、物理的な要因による通信エラーも考えられます。

これらのエラーの対処法としては、次の方法が挙げられます。

  • ボーレートの確認:送信側と受信側のボーレートが一致しているか確認し、必要に応じて調整します。
  • シールド付きケーブルの使用:ノイズの影響を受けにくいシールド付きのケーブルを使用することで、通信品質を向上させることができます。
  • ハードウェアの点検:ケーブルやコネクタの物理的な損傷を確認し、必要に応じて交換します。FPGAやCPLDの動作も確認し、問題がある場合は再プログラミングや交換を検討します。

次に、具体的なサンプルコードを用いて、これらの問題の検出と対処法について詳しく解説します。

○ハードウェアのトラブルシューティング

ハードウェアに関連するトラブルの原因を特定するための方法は多岐にわたりますが、ここではシリアル通信の品質を確認する簡単な方法を紹介します。

このコードでは、送信側と受信側でデータの整合性を確認することで、通信の品質を評価するコードを表しています。

この例では、送信側から一定のパターンのデータを送信し、受信側でそのデータの整合性を確認して、通信の品質を評価しています。

-- (省略:シリアル通信の基本設定など)

-- 送信側のコード
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if send_trigger = '1' then
            -- 一定のパターンのデータを送信
            data_out <= "10101010";
        end if;
    end process;

-- 受信側のコード
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if received_data = "10101010" then
            -- データの整合性が確認できた場合
            data_status <= "good";
        else
            -- データの整合性が確認できなかった場合
            data_status <= "bad";
        end if;
    end process;

このVHDLコードを実行すると、送信側から一定のパターンのデータが送信され、受信側でそのデータの整合性が確認されます。

データの整合性が確認できた場合、data_status信号に"good"が出力され、データの整合性が確認できなかった場合、"bad"が出力されます。

これにより、シリアル通信の品質を簡易的に確認することができます。

●VHDLとシリアル通信のカスタマイズ方法

VHDLを使用すると、シリアル通信の振る舞いを柔軟にカスタマイズすることができます。

ここでは、カスタム通信プロトコルの作成や外部デバイスとの接続方法など、シリアル通信のカスタマイズに関するいくつかの応用例を紹介します。

○サンプルコード7:カスタム通信プロトコルの作成

標準的なシリアル通信プロトコルに加えて、独自の通信プロトコルを定義することで、より効率的なデータ転送や特定のアプリケーションに適した通信を実現することができます。

このコードでは、独自のヘッダとフッタを持つカスタム通信プロトコルを定義し、それに基づいてデータの送受信を行うコードを紹介しています。

この例では、"1100"というヘッダと、"0011"というフッタを持つカスタムプロトコルを定義し、その間にデータを挟んで送受信しています。

-- (省略:シリアル通信の基本設定など)

-- 送信側のコード
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if send_trigger = '1' then
            -- カスタムヘッダの送信
            data_out <= "1100";
            wait for 10 ns;
            -- データの送信
            data_out <= custom_data;
            wait for 10 ns;
            -- カスタムフッタの送信
            data_out <= "0011";
        end if;
    end process;

-- 受信側のコード
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if received_data(3 downto 0) = "1100" then
            -- ヘッダの検出
            header_detected <= '1';
        elsif header_detected = '1' and received_data(3 downto 0) = "0011" then
            -- フッタの検出
            footer_detected <= '1';
        elsif header_detected = '1' and footer_detected = '0' then
            -- データの受信
            received_custom_data <= received_data;
        end if;


 end process;

このVHDLコードを実行すると、送信側からカスタムヘッダ、データ、カスタムフッタの順にデータが送信され、受信側ではそれを検出してデータを取り出します。

これにより、独自の通信プロトコルに基づいてデータの送受信を行うことができます。

○サンプルコード8:外部デバイスとの接続

外部デバイスとの接続を考慮したシリアル通信の設定も、VHDLを用いて実現することができます。

外部デバイスとの接続をする場合、通信速度や通信プロトコル、接続ポートなどの設定を適切に行う必要があります。

このコードでは、外部デバイスとのシリアル通信を行うための設定を表しています。

この例では、外部デバイスとの通信速度を9600bpsに設定し、RS-232プロトコルでの通信を行っています。

-- (省略:シリアル通信の基本設定など)

-- 通信速度の設定
constant BAUD_RATE : integer := 9600;

-- 送信側のコード
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if send_trigger = '1' then
            -- データの送信
            data_out <= external_data;
        end if;
    end process;

-- 受信側のコード
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        -- データの受信
        received_external_data <= received_data;
    end process;

このVHDLコードを実行すると、設定された通信速度で外部デバイスとのデータの送受信が行われます。

外部デバイスとの接続を考慮したシリアル通信の設定を行うことで、スムーズな通信を実現することができます。

まとめ

VHDLとシリアル通信を組み合わせることで、効率的なデータ転送や独自の通信プロトコルの定義など、柔軟な通信の実現が可能となります。

本ガイドでは、VHDLを使用したシリアル通信の基本から応用までを詳しく解説しました。

特に、サンプルコードを交えて具体的な応用例や注意点を紹介しました。

これらの知識を活用することで、VHDLを用いたシリアル通信の設計と実装を効果的に行うことができるでしょう。