VHDL比較の基本10選！初心者でも簡単にマスター

はじめに

VHDLの比較を初心者向けに徹底解説します。

VHDLの比較を学ぶことで、電子回路の設計やシミュレーションが効率的になります。

本記事では、サンプルコードや使い方、カスタマイズ方法まで紹介しますので、VHDLの比較をしっかりと理解し、実践的に使いこなすための第一歩として活用してください。

●VHDLの比較とは

VHDLにおける比較は、二つの信号や変数の関係を評価するためのものです。

例えば、二つの数値が等しいか、一方がもう一方より大きいか等を判定することができます。

これは、条件分岐や制御構文を実装する際に不可欠な要素となります。

○比較の基本概念

VHDLでの比較は、主にリレーショナルオペレータを使用して実行されます。

リレーショナルオペレータとは、=(等しい)、/=(等しくない)、< (小さい)、<= (小さいか等しい)、> (大きい)、>= (大きいか等しい) などの記号を指します。

これらのオペレータを使用することで、変数や信号の比較が可能になります。

●VHDLでの比較の使い方

VHDLの比較は、多岐にわたる用途で使用されます。

ここでは、いくつかのサンプルコードを交えて具体的な使い方を紹介します。

○サンプルコード1：基本的な比較

このコードでは、二つの整数型の変数AとBの大小を比較して、結果をブール型の変数resultに格納するコードを表しています。

この例では、AがBより大きい場合に、resultにtrueを格納しています。

signal A, B: integer;
signal result: boolean;

begin
  result <= A > B;
end;

このコードを実行すると、AとBの値に応じて、resultにはtrueまたはfalseが格納されます。

○サンプルコード2：等価性の確認

このコードでは、二つの整数型の変数AとBが等しいかどうかを確認するコードを表しています。

この例では、AとBが等しい場合に、resultにtrueを格納しています。

signal A, B: integer;
signal result: boolean;

begin
  result <= A = B;
end;

もしAとBの値が等しい場合、resultにはtrueが格納されます。それ以外の場合は、falseが格納されます。

○サンプルコード3：数値の大小比較

VHDLでの数字の大小比較は、非常に重要なコンセプトの一つです。VHDLには大小比較のための複数の演算子が用意されており、それを適切に利用することで、信号や変数の値を効果的に比較することができます。

このコードでは、2つの数値の大小関係をチェックする基本的な例を取り上げています。

この例では、2つの数値AとBを比較して、AがBより大きい、小さい、または等しいかを判定しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity CompareNumber is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           A_gt_B : out STD_LOGIC;
           A_lt_B : out STD_LOGIC;
           A_eq_B : out STD_LOGIC);
end CompareNumber;

architecture Behavioral of CompareNumber is
begin
    -- 大きいかのチェック
    A_gt_B <= '1' when A > B else '0';
    -- 小さいかのチェック
    A_lt_B <= '1' when A < B else '0';
    -- 等しいかのチェック
    A_eq_B <= '1' when A = B else '0';
end Behavioral;

この例で使用している>、<、=は、それぞれ大きい、小さい、等しいという意味を持つVHDLの比較演算子です。

結果として、A_gt_B、A_lt_B、A_eq_Bの各出力は、比較結果に基づいて’1’または’0’に設定されます。

このコードを実行した場合、例えばAが”00100110″(38の10進数)で、Bが”00100001″(33の10進数)の場合、A_gt_Bは’1’、A_lt_Bは’0’、そしてA_eq_Bは’0’となります。

つまり、AがBより大きいことが表されます。

○サンプルコード4：複数の条件での比較

VHDLを使って複数の条件での比較を行う場面は多々あります。

特にデジタル回路の設計や動作確認を行う際、複数の入力信号やパラメータに基づいて、出力や動作を制御する必要が出てきます。

ここでは、VHDLで複数の条件を組み合わせて比較する方法を詳しく解説します。

まず初めに、複数の条件での比較を行う基本的なサンプルコードを見てみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity multiple_conditions is
    Port ( A : in  STD_LOGIC;
           B : in  STD_LOGIC;
           C : in  STD_LOGIC;
           Y : out STD_LOGIC);
end multiple_conditions;

architecture Behavioral of multiple_conditions is
begin
    -- このコードではA、B、Cの3つの入力に対して、特定の条件を満たす場合にYを'1'にするコードを紹介しています。
    -- この例ではAとBが'1'であり、かつCが'0'のときにYが'1'になるようにしています。
    process(A, B, C)
    begin
        if (A = '1' and B = '1' and C = '0') then
            Y <= '1';
        else
            Y <= '0';
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このサンプルコードは、3つの入力信号A、B、Cを持ち、出力Yは、AとBが’1’、かつCが’0’の場合にのみ’1’を出力し、それ以外の場合は’0’を出力します。

この例を実際にVHDLシミュレータで実行すると、例えばA、Bが’1’、Cが’0’の場合、出力Yは’1’となります。

逆に、A、B、Cのいずれかの値が異なる場合、例えばAが’0’であれば、出力Yは’0’となります。

●比較の応用例

VHDLでの比較は、基本的な等価性の確認や数値の大小だけでなく、複雑な条件下での動作を制御するためにも使われます。

このような比較の応用例として、条件式を使った制御構文や特定の範囲内での比較、配列やレコードの比較など、多岐にわたる用途が考えられます。

○サンプルコード5：条件式を使った制御構文

VHDLにおける条件式を使用した制御構文は、回路の振る舞いを効果的に指定する際に極めて役立ちます。

特に、ある条件が満たされた場合や複数の条件の中から一つを選択して処理を行う際に、条件式を用いた制御構文は欠かせない要素となっています。

ここでは、VHDLでの条件式を使用した基本的な制御構文に関するサンプルコードを紹介します。

この例では、入力された信号に基づいて出力を制御する簡単な例を示しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity ConditionalControl is
    Port ( A : in STD_LOGIC;
           B : out STD_LOGIC );
end ConditionalControl;

architecture Behavior of ConditionalControl is
begin
    process(A)
    begin
        -- このコードでは、Aが'1'の場合はBに'0'を出力し、Aが'0'の場合はBに'1'を出力する
        if A = '1' then
            B <= '0';
        else
            B <= '1';
        end if;
    end process;
end Behavior;

このコードでは、入力Aが’1’である場合には、出力Bに’0’を出力し、それ以外の場合、つまりAが’0’の場合には、出力Bに’1’を出力します。

これは、入力信号の値に応じて出力を変化させる基本的な制御構文の例となっています。

このコードを実際にFPGAやシミュレータ上で動作させると、入力Aに’1’を与えた場合、出力Bが’0’となり、入力Aに’0’を与えた場合、出力Bが’1’となることを確認できます。

○サンプルコード6：特定の範囲内での比較

特定の範囲内での比較は、数値が特定の範囲内に収まっているかどうかを確認する際に使用されるものです。

例として、0から100までの整数値が入力されたとき、その値が50以上であるかどうかを確認するVHDLコードを紹介します。

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

entity RangeCheck is
    Port ( num : in STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0);
           result : out STD_LOGIC );
end RangeCheck;

architecture Behavior of RangeCheck is
begin
    process(num)
    begin
        -- このコードでは、入力された数値が50以上の場合にresultに'1'を出力し、それ以外の場合には'0'を出力する
        if num >= "110010" then  -- 50を2進数で表現
            result <= '1';
        else
            result <= '0';
        end if;
    end process;
end Behavior;

このコードでは、7ビットの入力numが与えられた際、その値が50以上であればresultに’1’を出力し、それ以外の場合には’0’を出力します。

これにより、入力された数値が特定の範囲内にあるかどうかを簡単に判定することができます。

実際にこのコードをシミュレータ上で動作させると、入力numに”110010″(=50)やそれ以上の値を与えた場合、出力resultが’1’となること、それより小さい値を与えた場合には、出力resultが’0’となることを確認できます。

○サンプルコード7：配列やレコードの比較

VHDLでは、配列やレコードのような複合データタイプを扱うことができます。

これらのデータタイプの比較は、一般的な数値や真偽値の比較とは異なります。

今回は、これらの複合データタイプの比較方法について詳しく解説していきます。

まず、配列に関しての基本的な比較を見ていきましょう。

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

entity Array_Compare is
end Array_Compare;

architecture Behavioral of Array_Compare is
    signal A: STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "11001100";
    signal B: STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "11001101";
    signal result: BOOLEAN;
begin
    process
    begin
        result <= (A = B); -- 配列の比較
        wait;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、8ビットのSTD_LOGIC_VECTORという配列型の信号AとBを定義しています。

そして、これらの配列が等しいかどうかを比較して、結果をresult信号に格納しています。

この例では、AとBは最後のビットが異なるので、resultはFALSEとなります。

次に、レコードの比較について見てみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity Record_Compare is
end Record_Compare;

architecture Behavioral of Record_Compare is
    type person is record
        name: STRING(1 to 10);
        age: INTEGER;
    end record;

    signal person1, person2: person := (name => "John", age => 25);

    signal result: BOOLEAN;
begin
    process
    begin
        result <= (person1 = person2); -- レコードの比較
        wait;
    end process;
end Behavioral;

こちらのコードでは、personというレコード型を定義し、その中にnameとageというフィールドを持たせています。

そして、person1とperson2という2つのレコード信号を作成し、同じ値を持たせています。

最後に、これらのレコードが等しいかどうかを比較して、結果をresult信号に格納しています。

この例では、person1とperson2は完全に同じデータを持っているので、resultはTRUEとなります。

○サンプルコード8：組み合わせ回路での比較

組み合わせ回路は、入力が変更されるとすぐに出力が変更される特性を持つ回路です。

VHDLを用いた組み合わせ回路での比較は、複数の入力値の比較や論理演算を行う際に非常に有効です。

このコードでは、2つの4ビットのバイナリ数を入力として受け取り、それらが等しいかどうかを判断する組み合わせ回路を表しています。

この例では、バイナリ数を比較して等しければ1を、そうでなければ0を出力しています。

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

entity Compare_Combinatorial is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           EQ : out STD_LOGIC);
end Compare_Combinatorial;

architecture Behavioral of Compare_Combinatorial is
begin
    process(A, B)
    begin
        if A = B then  -- ここでAとBを比較しています
            EQ <= '1';  -- AとBが等しい場合の出力
        else
            EQ <= '0';  -- AとBが等しくない場合の出力
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードが動作すると、入力された2つのバイナリ数が等しいかどうかを即座に判断し、その結果をEQという出力ポートに送信します。

例えば、Aに”1100″、Bに”1100″が入力された場合、EQは’1’となります。

一方、Aに”1100″、Bに”1010″が入力された場合、EQは’0’となります。

○サンプルコード9：シーケンシャル回路での比較

シーケンシャル回路は、過去の入力や現在の状態に基づいて出力を変更する回路です。

比較演算を行うシーケンシャル回路は、特定の条件下での比較や、時間的な制約を持つ比較を行いたい場合に適しています。

このコードでは、2つのバイナリ数を入力として受け取り、1クロック遅れてその比較結果を出力するシーケンシャル回路を表しています。

この例では、1クロック前の入力バイナリ数と現在のバイナリ数が等しいかどうかを比較しています。

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

entity Compare_Sequential is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           A : in  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           EQ : out STD_LOGIC);
end Compare_Sequential;

architecture Behavioral of Compare_Sequential is
    signal prev_A : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if A = prev_A then
                EQ <= '1';
            else
                EQ <= '0';
            end if;
            prev_A <= A;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

この回路の特徴は、比較が1クロック遅れて行われる点です。このため、入力Aの値が変更された直後ではEQの出力が変わりません。

しかし、次のクロックエッジで、変更された入力Aと1クロック前の入力Aが等しいかどうかがEQに出力されます。

これはタイミングに応じた比較や、過去の入力値との比較を行いたい場合に役立ちます。

○サンプルコード10：複数ビットの同時比較

VHDLでは、複数ビットのデータを一度に比較することも可能です。

これにより、大きなデータセットや幅広いビットレンジの比較を効率的に行うことができます。

このコードでは、2つの8ビットのバイナリ数を入力として受け取り、それらのビットごとのAND演算の結果を出力する例を表しています。

この例では、2つの8ビットバイナリ数の各ビットをAND演算しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity Bitwise_AND is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           C : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end Bitwise_AND;

architecture Behavioral of Bitwise_AND is
begin
    C <= A and B;  -- 各ビットごとのAND演算を行っています
end Behavioral;

このコードを使用すると、例えば、Aに”11001100″、Bに”10101010″が入力された場合、Cは”10001000″となります。

これは、AとBの各ビットをAND演算した結果です。

●注意点と対処法

VHDLの比較演算を使用する際には、多くの新しい開発者が陥ることがある一般的な誤りや落とし穴を認識することが非常に重要です。

これらの注意点を理解し、適切な対処法を適用することで、効率的かつ正確なデジタル回路設計を行うことができます。

○符号と非符号の比較に注意

VHDLには符号付き(SIGNED)と符号なし(UNSIGNED)のデータ型が存在します。

これらのデータ型を混在させて比較する場合、意図しない結果を引き起こす可能性があります。

このコードでは符号なしと符号付きのデータ型を混在させて比較しています。

この例では、符号なしのUと符号付きのSを比較しています。

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

signal U: UNSIGNED(7 downto 0) := "10000000";
signal S: SIGNED(7 downto 0) := "10000000";

begin
    if U > S then
        -- この部分が実行されるかもしれません。
    end if;

非常に分かりにくい結果が出る可能性があるため、データ型を明確にして比較を行うことが推奨されます。

○実数の比較の誤差

VHDLで実数(REAL)の比較を行う際には、浮動小数点数の誤差に注意が必要です。

二つの実数が等しいかどうかを直接比較するのではなく、その差が十分に小さいかどうかを確認する方法を取ることが一般的です。

このコードでは、二つの実数の差が0.0001未満であるかどうかを確認しています。

この例では、AとBの実数の差を計算して、その差が0.0001未満であるかどうかを確認しています。

variable A, B, diff: REAL;
begin
    diff := A - B;
    if abs(diff) < 0.0001 then
        -- この部分が実行されます。
    end if;

この方法を採用することで、実数の誤差による比較の誤りを避けることができます。

○ビット長の不一致に注意

異なるビット長のSTD_LOGIC_VECTORを比較する際には、意図しない結果を得ることがあります。

常に同じビット長を持つベクトル同士を比較することが重要です。

このコードでは、異なるビット長のSTD_LOGIC_VECTORを比較しています。

この例では、8ビットのVecAと7ビットのVecBを比較しています。

signal VecA: STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "10000000";
signal VecB: STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0) := "1000000";

begin
    if VecA = VecB then
        -- この部分は実行されません。
    end if;

比較を行う前に、ビット長を一致させるような処理を加えることが推奨されます。

●比較のカスタマイズ方法

VHDLでは、比較演算子をカスタマイズして特定の条件下での比較を実現することが可能です。

ここでは、カスタマイズした比較方法の一例として、特定のビットパターンを持つSTD_LOGIC_VECTORの比較方法を紹介します。

○特定のビットパターンの比較

このコードでは、STD_LOGIC_VECTORが特定のビットパターンを持っているかどうかを確認する方法を表しています。

この例では、Vecが”10xxxx10″のビットパターンを持っているかどうかを確認しています。

signal Vec: STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);

begin
    if Vec(7 downto 6) = "10" and Vec(1 downto 0) = "10" then
        -- この部分が実行されます。
    end if;

このように、特定のビット位置のみを取り出して比較することで、特定のビットパターンを持つSTD_LOGIC_VECTORを検出することができます。

まとめ

VHDLの比較演算にはいくつかの注意点があり、これらを適切に理解して利用することで信頼性の高いデジタル回路設計が可能です。

符号付き(SIGNED)と符号なし(UNSIGNED)のデータ型の混在による比較は意図しない結果をもたらす可能性があるため、データ型を明確にして比較を行うことが推奨されます。

実数(REAL)の比較時には浮動小数点の誤差に注意が必要です。

二つの実数が完全に等しいかを確認するのではなく、その差が十分に小さいかを確認する方法が適切です。

STD_LOGIC_VECTORの比較では、ビット長が異なる場合の比較が意図しない結果を生むことがあるので注意が必要です。

VHDLでは、特定のビットパターンを持つSTD_LOGIC_VECTORの比較など、カスタマイズされた比較方法を実現することができます。

以上の内容を踏まえ、VHDLの比較演算を効果的に使用して、品質の高いデジタル回路設計を目指しましょう。