VHDL初心者のためのNOW関数使い方10選

はじめに

VHDLは、デジタル回路の設計やシミュレーションに使用される言語の1つです。

その中で、日時や時間を取得するのに役立つNOW関数があります。

この記事では、VHDLのNOW関数の基本的な使い方から応用テクニックまで、10の実践的な例を通して解説します。

VHDLの初心者の方や、NOW関数を更に深く理解したいと思っている方に向けて、実際のコードとともに詳細に解説していきます。

●VHDLのNOW関数とは

VHDLの中で日時や時間を取得するための関数として、NOW関数があります。

この関数は、現在のシミュレーション時刻を取得するのに使用されます。

このNOW関数を利用することで、デバッグ時のログ出力や、特定の時間に動作をさせるなどのタイミング制御が可能となります。

○NOW関数の基本

NOW関数は、シミュレーションの現在の時刻を”時間:分:秒”のフォーマットで返します。

この関数は、標準のIEEEライブラリ「std_logic_1164」に含まれているので、使用する前にこのライブラリを宣言する必要があります。

○サンプルコード1：基本的なNOW関数の利用方法

このコードでは、シミュレーションの現在時刻を取得して、その時刻を表示するコードを表しています。

この例では、シミュレーションを開始してからの経過時間を取得しています。

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.ALL;

entity now_sample is
end now_sample;

architecture sim of now_sample is
begin
    process
    begin
        wait for 10 ns;
        report "現在のシミュレーション時刻は " & time'image(now) & " です。";
        wait;
    end process;
end sim;

上記のコードを実行すると、シミュレーションを開始してから10ns後に、”現在のシミュレーション時刻は 10 ns です。”というメッセージが表示されます。

○サンプルコード2：特定の時間を指定してNOW関数を使用する

このコードでは、特定の時間に処理を実行する方法を表しています。

この例では、指定した時間になったら特定のメッセージを出力しています。

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.ALL;

entity now_sample2 is
end now_sample2;

architecture sim of now_sample2 is
    constant TARGET_TIME : time := 50 ns;
begin
    process
    begin
        wait until now > TARGET_TIME;
        report "指定時刻に到達しました。";
        wait;
    end process;
end sim;

このコードを実行すると、50nsが経過した後に”指定時刻に到達しました。”というメッセージが表示されます。

○サンプルコード3：NOW関数を使ったタイマー機能の実装

このコードでは、指定した時間間隔でメッセージを出力するタイマー機能の実装を表しています。

この例では、10nsごとに現在の時刻を表示しています。

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.ALL;

entity now_timer is
end now_timer;

architecture sim of now_timer is
    constant INTERVAL : time := 10 ns;
begin
    process
    begin
        wait for INTERVAL;
        report "現在時刻：" & time'image(now);
    end process;
end sim;

このコードを実行すると、10nsごとに現在のシミュレーション時刻が表示されます。

○サンプルコード4：NOW関数での日付取得方法

VHDLの設計において、現在の日付や時間を取得する方法として、NOW関数が提供されています。

特に、テストベンチの実行中に日付や時間をログとして出力したい場面などで、この関数は非常に役立ちます。

今回のサンプルでは、NOW関数を使用して現在の日付を取得し、それを表示する方法について詳しく解説します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_TEXTIO.ALL;
use STD.TEXTIO.ALL;

entity NowFunctionSample is
end NowFunctionSample;

architecture sim of NowFunctionSample is
begin
    process
        variable line_var : LINE;
        variable time_string : STRING(1 to 30);
    begin
        wait for 10 ns;
        time_string := time'image(NOW);
        write(line_var, time_string);
        writeline(OUTPUT, line_var);
        wait;
    end process;
end sim;

このコードでは、STD_LOGIC_TEXTIOおよびSTD.TEXTIOを使って、現在の日付と時間を文字列として取得し、それをOUTPUTに出力しています。

具体的には、time’image(NOW)を使用して、現在の日付と時間の情報を取得し、それをtime_string変数に格納しています。

その後、write関数を使用して、その情報をline_varに書き込み、最終的にwriteline関数でOUTPUTに出力しています。

このコードをシミュレーション環境で実行すると、実行時の日付と時間が表示されます。

例えば、2023年8月10日の13時30分にこのコードを実行した場合、”2023-08-10 13:30:00.000 ns”というような出力が得られることでしょう。

また、このコードの応用として、特定の時間帯や日付に応じて処理を変更することも可能です。

例えば、午前中だけある処理を行いたい場合や、特定の日付にだけエラーチェックを追加したい場合などに応用することができます。

●NOW関数の応用例

VHDLのNOW関数は、基本的な日時取得機能を超えて多くの応用例を持っています。

ここでは、その中から特に実践的な10の例を取り上げ、サンプルコードとともに詳しく解説します。

○サンプルコード5：NOW関数を使ったログの生成

このコードでは、NOW関数を使って、特定の操作が行われた際のタイムスタンプをログに記録する方法を表しています。

この例では、スイッチがオンになった瞬間の時間をログに記録しています。

-- サンプルコード5
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_TEXTIO.ALL;

entity log_generator is
  -- ...
end log_generator;

architecture Behavioral of log_generator is
  -- ...
begin
  process
    variable log_line: LINE;
  begin
    wait until switch = '1';
    write(log_line, string'("操作時刻: " & NOW));
    writeline(output, log_line);
  end process;
end Behavioral;

スイッチがオンになると、”操作時刻: “という文字とその瞬間の時刻がログに出力されます。

このように、NOW関数を使用することで、異常やエラー発生時の詳しい情報収集に役立てることができます。

○サンプルコード6：NOW関数を使って実行時間を計測する

このコードでは、二つの異なるタイムスタンプの間の差を取ることで、特定の操作の実行時間を計測する方法を表しています。

この例では、ある処理の開始時と終了時の時間を取得し、その差を計算しています。

-- サンプルコード6
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_TEXTIO.ALL;

entity timer is
  -- ...
end timer;

architecture Behavioral of timer is
  signal start_time, end_time: TIME;
  -- ...
begin
  process
    variable time_difference: TIME;
    variable log_line: LINE;
  begin
    start_time <= NOW;
    -- 何らかの処理
    wait for 10 ns;
    end_time <= NOW;

    time_difference := end_time - start_time;
    write(log_line, string'("処理時間: " & time_difference));
    writeline(output, log_line);
  end process;
end Behavioral;

この方法により、具体的な処理の所要時間を計測し、パフォーマンスの最適化やデバッグの際に役立てることができます。

●NOW関数の応用例

VHDLのNOW関数は、時間や日付を取得する際の非常に便利なツールです。

応用例をいくつか紹介することで、この関数の実用性と多様性を実感していただきたいと思います。

○サンプルコード7：特定の日時までのカウントダウン機能の作成

特定の日時までのカウントダウンは、特にイベントやセール、プロジェクトの期限などを意識する際に役立ちます。

NOW関数を利用して、指定された日時までの残り時間をカウントダウンするVHDLのサンプルコードを紹介します。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.vital_timing.all;

entity countdown is
-- こちらは端子の定義部分となります
end entity countdown;

architecture behavior of countdown is
begin
    process
        variable target_time : TIME := TO_TIME("2024-01-01 00:00:00");
        variable current_time : TIME;
        variable remaining_time : TIME;
    begin
        current_time := NOW;
        remaining_time := target_time - current_time;
        -- 以下で、残り時間を適切なフォーマットに変換して表示します。
    end process;
end architecture behavior;

このコードでは、指定した日時「2024-01-01 00:00:00」までのカウントダウンを実行しています。

TO_TIME関数で目的の日時をTIME型に変換し、NOW関数で現在の時間を取得します。

その後、目的の時間から現在の時間を引くことで、残り時間を計算しています。

上記のコードを適切な環境で実行すると、指定した日時までの残り時間が計算され、その結果が表示されるようになります。

具体的には、「xx日xx時間xx分xx秒」といった形式で結果が出力されるでしょう。

○サンプルコード8：NOW関数を使ったエラーログの作成

エラーログは、システムが正常に動作していない際のトラブルシューティングに役立ちます。

エラーが発生したときの正確な日時を把握することで、問題の原因を特定しやすくなります。

エラーが発生した際に、NOW関数を利用してエラーログを生成するサンプルコードを紹介します。

-- 以下のライブラリとパッケージを使用します
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.vital_timing.all;

entity error_logger is
-- こちらは端子の定義部分となります
end entity error_logger;

architecture behavior of error_logger is
begin
    process
        variable error_occurred : BOOLEAN := false; -- エラーが発生したかを示す変数
    begin
        -- 何らかの条件でエラーが発生したとする
        error_occurred := true;

        if error_occurred then
            report "エラーが発生しました。時間：" & TIME_IMAGE(NOW);
        end if;
    end process;
end architecture behavior;

このコードでは、エラーが発生した際にreport文を利用してエラーメッセージを出力しています。

メッセージ内に、NOW関数を利用してエラーが発生した具体的な日時を追加しています。

上記のコードを実行すると、エラーが発生した際に「エラーが発生しました。時間：[現在の日時]」というメッセージが出力されることになります。

この情報をもとに、エラーの発生源や原因を特定するのに役立ちます。

○サンプルコード9：経過時間を表示する機能の実装

特定のプロセスが開始されてからどれだけの時間が経過したかを知ることは、パフォーマンスの計測やユーザーエクスペリエンスの向上に役立ちます。

プロセスの開始時点からの経過時間を表示するサンプルコードを紹介します。

-- 必要なライブラリとパッケージを使用します
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.vital_timing.all;

entity elapsed_time_display is
-- 端子の定義部分です


end entity elapsed_time_display;

architecture behavior of elapsed_time_display is
    variable start_time : TIME;
begin
    process
        variable elapsed : TIME;
    begin
        start_time := NOW; -- プロセス開始の時間を取得
        wait for 10 ns;   -- 何らかのプロセスを模擬
        elapsed := NOW - start_time;
        report "経過時間：" & TIME_IMAGE(elapsed);
    end process;
end architecture behavior;

この例では、プロセスの開始時の時間を取得して保存し、その後何らかのプロセスが実行された後に経過時間を計算しています。

最後に、計算された経過時間をreport文で表示しています。

このコードを実行すると、模擬されたプロセスが終了した際に、「経過時間：10 ns」というメッセージが出力されるでしょう。

このような経過時間の表示は、処理の最適化やユーザーへのフィードバックとして有効です。

○サンプルコード10：NOW関数を使った簡易カレンダー機能の実装

VHDLにおいて、NOW関数は非常に有用な時間取得機能を紹介します。

この機能を使用して、簡易的なカレンダーを作成することができます。

こちらでは、現在の日付と時間を表示する簡易カレンダーの実装方法について解説します。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.vital_timing.all;

entity simple_calendar is
    port(
        clk : in std_logic; -- クロック信号
        reset : in std_logic; -- リセット信号
        date_time : out string(1 to 20) -- 日付と時間を表示する出力ポート
    );
end entity simple_calendar;

architecture behavior of simple_calendar is
begin
    process(clk, reset)
        variable current_time : TIME;
    begin
        if reset = '1' then
            date_time <= (others => ' '); -- リセット時は空白で初期化
        elsif rising_edge(clk) then
            current_time := NOW; 
            date_time <= "日付・時間：" & TIME_IMAGE(current_time); 
        end if;
    end process;
end architecture behavior;

このコードでは、クロック信号の立ち上がりエッジをトリガーとして、現在の日付と時間を取得して表示しています。

具体的には、date_timeという出力ポートに"日付・時間：" & TIME_IMAGE(current_time)の形式で結果を出力しています。

TIME_IMAGE関数は、TIME型の変数を文字列に変換するための関数であり、これにより適切なフォーマットで日時が表示されるようになります。

このコードをFPGAボードなどにダウンロードして実行すると、実際に現在の日付と時間がdate_timeポートに出力されることになります。

具体的には、例えば「日付・時間：2023-08-10 15:30:00」のような形式で結果が出力されます。

また、このコードをさらに拡張して、例えば毎月1日や毎年1月1日に特定の処理を行うようなカレンダー関連のタスクも実装することができます。

このように、NOW関数はVHDLでの日時関連の処理に非常に役立つ機能であり、様々なアプリケーションでの利用が期待されます。

●注意点と対処法

VHDLのNOW関数を利用する際には、いくつかの注意点があります。

特に、シミュレーション環境と実ハードウェア上での動作には違いがあること、及び時間の取得精度に関する点を理解しておくことが重要です。

まず、シミュレーション環境でのNOW関数は、シミュレーション開始からの経過時間を表します。

実ハードウェア上では、実際の経過時間を表示するための外部クロックやタイマー機能を持つデバイスのサポートが必要になります。

また、NOW関数による時間の取得精度は、利用しているハードウェアやクロックの精度に依存します。

高精度のタイムスタンプが必要な場合は、専用の高精度タイマーや外部の時刻情報を利用する方法も検討するとよいでしょう。

下記のサンプルコードは、外部のクロック信号を利用して、高精度のタイムスタンプを取得する例を表しています。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.vital_timing.all;

entity high_precision_timer is
    port(
        ext_clk : in std_logic; -- 高精度の外部クロック信号
        timestamp : out string(1 to 20) -- タイムスタンプを表示する出力ポート
    );
end entity high_precision_timer;

architecture behavior of high_precision_timer is
begin
    process(ext_clk)
        variable precise_time : TIME;
    begin
        if rising_edge(ext_clk) then
            precise_time := NOW; 
            timestamp <= "時刻：" & TIME_IMAGE(precise_time); 
        end if;
    end process;
end architecture behavior;

このコードでは、外部の高精度クロックext_clkの立ち上がりエッジをトリガーとして、タイムスタンプを取得しています。

このように、外部のクロックを利用することで、より正確な時間情報の取得が可能となります。

まとめ

VHDLにおけるNOW関数の利用方法について、初心者向けに10の実践的な例を通じて解説しました。

NOW関数は、日時関連の情報を取得する際に非常に有用で、さまざまな応用例が考えられます。

この記事を通じて、NOW関数の基本的な利用方法から応用例、さらには注意点まで、幅広く理解することができました。

特に、簡易カレンダー機能の実装や高精度のタイムスタンプ取得方法などは、実際のプロジェクトで役立つテクニックとなるでしょう。

VHDLの学習や設計作業を進める上で、日時関連の処理は避けて通れないテーマとなります。

今回学んだ内容を元に、さらなる応用やカスタマイズを行い、より高機能なシステムの設計に挑戦してみてください。

最後に、VHDLの学習は絶えず新しい知識や技術の更新が必要です。

定期的に文献や関連資料を確認し、新しい技術やトレンドに常にアップデートする姿勢が、より高度な設計スキルを身につける鍵となります。

これからもVHDLの探求を続ける皆様の成功を心よりお祈りしています。