VHDL関数完全解説！手軽に学べる10の実践コード

はじめに

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。

特に、関数(function)はVHDLでの設計において非常に重要な役割を果たしています。

本記事では、VHDLのfunctionについて、基本概念から応用例まで、10のサンプルコードを交えて初心者向けに分かりやすく解説します。

VHDL関数の使用方法やカスタマイズ方法も紹介しますので、今後のVHDL設計の参考にしていただけると幸いです。

●VHDLのfunctionとは

○functionの基本概念

VHDLのfunctionは、一連の手続きや計算を実行して結果を返すためのモジュールです。

関数は、入力として引数を受け取り、計算や処理を行った後、一つの値を出力として返します。

関数はVHDLの設計において、コードの再利用やモジュール性を高めるための非常に有用なツールとなっています。

このコードでは基本的なfunctionの概念を理解するためのサンプルコードを表しています。

この例では整数を二つ受け取り、それらの合計を返す簡単な関数を定義しています。

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

entity simple_adder is
end entity;

architecture Behavioral of simple_adder is
    function add_two_numbers(a : integer; b : integer) return integer is
    begin
        return a + b;
    end function;

begin
end Behavioral;

上記のコードは、add_two_numbersという関数を定義しています。

この関数は、整数aとbを引数として受け取り、その合計を返すシンプルな機能を持っています。

実際にこのコードを実行した場合、add_two_numbers(3, 5)を呼び出すと、その結果として8が得られます。

このように関数は特定の処理を行い、その結果を返す役割を果たします。

●functionの使い方

VHDLでの関数の設計は、効率的なハードウェア設計に不可欠です。

functionは、繰り返し使うロジックや計算を簡潔に表現するための手段として使用されます。

ここでは、初心者でも理解できるように、functionの基本的な使い方や形から始めて、さまざまな実例を交えて解説していきます。

○サンプルコード1：基本的なfunctionの形

VHDLのfunctionは、特定の入力に対して一意の出力を生成するものです。

最も簡単な形から見ていきましょう。

function 関数名 return 戻り値の型 is
-- 処理
begin
    -- 処理内容
    return 戻り値;
end function 関数名;

このコードでは、基本的なfunctionの形を表しています。

この例では、関数名としての定義、戻り値の型指定、そしてfunctionの中身としての処理内容を表しています。

○サンプルコード2：引数を取るfunction

関数は入力を受け取ることができます。

引数を取ることで、関数の汎用性や再利用性を高めることができます。

function 加算(数値1 : integer; 数値2 : integer) return integer is
begin
    return 数値1 + 数値2;
end function 加算;

このコードでは、2つの整数を引数として受け取り、それらを加算して結果を返すfunctionを紹介しています。

この例では、2つの整数を加算して結果を返しています。

○サンプルコード3：複数の出力を持つfunction

VHDLのfunctionは、通常、一つの出力しか持たないと思われがちですが、実は複数の出力を持つことができます。

これは、タプルやレコードを使用して実現されます。

type 結果型 is record
    合計 : integer;
    差 : integer;
end record;

function 計算(数値1 : integer; 数値2 : integer) return 結果型 is
    変数 結果 : 結果型;
begin
    結果.合計 := 数値1 + 数値2;
    結果.差 := 数値1 - 数値2;
    return 結果;
end function 計算;

このコードでは、2つの整数を引数として受け取り、加算と減算の結果をレコードとして返すfunctionを紹介しています。

この例では、2つの整数を加算と減算し、その結果を結果型のレコードとして返しています。

●functionの応用例

VHDLの関数は、基本的な概念と使い方を理解することで、非常に多岐にわたる応用が可能です。

このセクションでは、さまざまな応用的な使い方をサンプルコードとともに解説します。

○サンプルコード4：複雑な計算を行うfunction

このコードでは、VHDLのfunctionを使用して複雑な計算を行う方法を表しています。

この例では、2つの整数を引数として取り、その平均値を計算して返す関数を定義しています。

function average(a: integer; b: integer) return integer is
begin
    -- ２つの整数aとbの平均を計算
    return (a + b) / 2;
end function average;

この関数を使用すれば、2つの整数の平均値を簡単に計算することができます。

例えば、average(4, 8)という関数呼び出しを行えば、結果として6が返されます。

○サンプルコード5：データ型の変換を行うfunction

このコードでは、整数からビット列にデータ型を変換する関数を表しています。

この例では、整数をビット列に変換し、その結果を返しています。

function int_to_bit(val: integer) return std_logic_vector is
begin
    -- 整数valをビット列に変換
    return std_logic_vector(to_unsigned(val, 8));
end function int_to_bit;

例えば、int_to_bit(5)という関数呼び出しを行うと、8ビットのビット列”00000101″が返されます。

○サンプルコード6：配列を扱うfunction

このコードでは、配列を引数として取り、その中の最大値を返す関数を表しています。

この例では、整数の配列を受け取り、その中の最大値を探し出して返しています。

function find_max(arr: array(1 to 10) of integer) return integer is
    variable max_val: integer := arr(1);
begin
    for i in arr'range loop
        if arr(i) > max_val then
            max_val := arr(i);
        end if;
    end loop;
    -- 配列内の最大値を返す
    return max_val;
end function find_max;

この関数を使用すると、整数の配列の中から最大値を簡単に探し出すことができます。

例えば、次のような配列を持っている場合、find_max関数を使うことで配列の中の最大値12を取得することができます。

variable arr: array(1 to 10) of integer := (4, 7, 12, 5, 6, 2, 8, 9, 10, 1);
variable max_value: integer;

begin
    max_value := find_max(arr);
end;

○サンプルコード7：条件分岐を持つfunction

VHDLで関数を扱う際、条件分岐は非常に便利なツールとなります。

特定の条件に応じて異なる操作や計算を行うことが可能となり、設計の柔軟性を大幅に高めることができます。

今回は、VHDLのfunction内で条件分岐を使用する方法を詳しく解説します。

まず初めに、基本的な条件分岐を持つfunctionのサンプルコードを紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity condition_function is
end condition_function;

architecture Behavior of condition_function is
    function max_value(a: integer; b: integer) return integer is
    begin
        -- 条件分岐を使って、二つの整数のうち大きい方を返す
        if a > b then
            return a;
        else
            return b;
        end if;
    end function max_value;
begin
end Behavior;

このコードでは、二つの整数を引数として取り、大きい方の整数を返すfunctionを定義しています。

具体的には、if a > b thenの部分でaがbより大きい場合はaを、そうでない場合はbを返しています。

このようにVHDLのfunction内で条件分岐を使用することで、入力データや状況に応じて異なる計算や操作を行うことができます。

特に、複雑な処理や条件に基づく選択が必要な場合、条件分岐は非常に有用です。

次に、このfunctionを使って、実際に二つの整数を入力として与え、大きい方の整数を取得するシミュレーションコードを表します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity test_condition_function is
end test_condition_function;

architecture sim of test_condition_function is
    signal a, b, result: integer := 0;
begin
    process
    begin
        a <= 5;
        b <= 7;
        wait for 10 ns;
        result <= max_value(a, b);
        wait;
    end process;
end sim;

このシミュレーションコードを実行すると、整数5と7が与えられ、その結果、functionは7を返すと予想されます。

これは、7が5より大きいためです。

○サンプルコード8：ループを使用するfunction

VHDLのfunctionでのループの使用は、繰り返し同じ処理を実行する際に非常に有効です。

ループを使うことで、コードを簡潔にし、同じ処理を何度も記述する手間を省くことができます。

ここでは、VHDLのfunction内でループを使用する方法を、サンプルコードを交えて詳しく解説します。

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

entity LoopFunction is
end LoopFunction;

architecture Behavioral of LoopFunction is

    function sum_series(n : integer) return integer is
        variable total : integer := 0; -- 総和を保存する変数
    begin
        for i in 1 to n loop
            total := total + i; -- iを総和に加える
        end loop;
        return total; -- 総和を返す
    end function;

begin
end Behavioral;

このコードでは、1から指定された数までの整数の総和を計算するsum_seriesというfunctionを定義しています。

この例ではforループを使って指定された回数だけループを回し、その都度総和にiの値を加えています。

最後に、計算された総和を返しています。

上記のfunctionを利用すると、例えばsum_series(4)という呼び出しを行うと、1 + 2 + 3 + 4 = 10という計算が行われ、10が返されます。

また、このループを使用するfunctionの応用として、例えば2の累乗を計算する関数なども考えられます。

その一例として、指定された数までの2の累乗を計算するfunctionを紹介します。

function power_of_two(n : integer) return integer is
    variable result : integer := 1; -- 結果を保存する変数
begin
    for i in 1 to n loop
        result := result * 2; -- 2を掛ける
    end loop;
    return result; -- 計算結果を返す
end function;

このfunctionを使用すると、power_of_two(3)の呼び出し結果は、(2^3 = 8)となります。

ループを使ったfunctionは、計算やデータ処理など、同じ操作を繰り返す必要がある場面で大変役立ちます。

しかし、ループの回数や計算内容に注意する必要があり、過度な計算量や無限ループにならないように注意しなければなりません。

○サンプルコード9：外部ライブラリを用いたfunction

VHDLでは外部ライブラリを利用することで、より幅広い機能を手軽に実装することが可能です。

外部ライブラリは既に多くの機能が実装されており、それを利用することで開発のスピードを大幅に向上させることができます。

このコードでは外部のライブラリを使って特定の機能を実現するfunctionを表しています。

この例では数学的な計算をするための外部ライブラリを使用して、複雑な数学的計算をfunction内で行っています。

-- 外部ライブラリの宣言
library IEEE;
use IEEE.MATH_REAL.ALL;

-- 外部ライブラリを用いたfunctionの宣言
function calculateSqrt(input_val : real) return real is
begin
    return sqrt(input_val); -- sqrtはMATH_REALライブラリにある関数
end function calculateSqrt;

上記のサンプルコードでは、IEEEのMATH_REALライブラリを使用しています。

このライブラリにはsqrt関数が含まれており、この関数を使って平方根の計算を行っています。

calculateSqrtというfunctionは、与えられたreal型の値の平方根を返す役割を持っています。

たとえば、このfunctionに4.0という値を入力として渡すと、2.0という結果が返ってきます。

同様に、9.0を入力すると、3.0が返ります。

応用例として、他のライブラリや関数を利用して、さらに複雑な計算やデータの処理を行うことも可能です。

例えば、三角関数や対数関数などの計算を行う際にも、適切なライブラリを用いることで容易に実装することができます。

カスタマイズ例として、外部ライブラリの中には、特定のデバイスや環境に最適化された機能が提供されているものもあります。

そのようなライブラリを利用することで、特定のハードウェア上での高速化や、効率的な動作を追求することも可能になります。

外部ライブラリを使用する際の注意点として、互換性の問題が挙げられます。

特定のハードウェアやソフトウェア環境に依存するライブラリを使用する場合、そのライブラリが対応している環境やバージョンに注意が必要です。

また、ライセンスや利用規約も確認することをおすすめします。

○サンプルコード10：複数のfunctionを組み合わせる

VHDLのfunctionを理解し、いくつかのサンプルコードを学んできましたが、実際の設計では、単一のfunctionだけでなく、複数のfunctionを組み合わせて使用するケースが多くあります。

ここでは、異なる2つのfunctionを組み合わせて、より高度な機能を実現する方法を解説します。

まず、次のサンプルコードをご覧ください。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity combine_func is
end combine_func;

architecture Behavior of combine_func is

    function add_two_numbers(a: integer; b: integer) return integer is
    begin
        return a + b;
    end function add_two_numbers;

    function multiply_result_by_three(c: integer) return integer is
    begin
        return c * 3;
    end function multiply_result_by_three;

begin

    signal result1: integer;
    signal final_result: integer;

    result1 <= add_two_numbers(3, 4); -- このコードでは、3と4を加算するfunctionを呼び出しています。
    final_result <= multiply_result_by_three(result1); -- この例では、前のfunctionの結果を3倍するfunctionを使用しています。

end Behavior;

このコードでは、まず「add_two_numbers」というfunctionを使って2つの数を加算し、その後「multiply_result_by_three」というfunctionを使用して、前のfunctionの結果を3倍しています。

VHDLでは、このように複数のfunctionを組み合わせて使うことで、より複雑な処理を効率的に実現できます。

このサンプルコードを実行すると、result1は7として出力され、final_resultはその3倍の21として出力されます。

したがって、最終的な結果としては、3と4を加算した後、その結果を3倍した21が得られます。

このように、VHDLのfunctionを組み合わせることで、計算の流れや処理のステップを明確にし、コードの再利用性も高めることができます。

特に大規模な設計では、同じ処理を何度も繰り返す場面が多く、functionの組み合わせをうまく利用することで、効率的なコードの実装が可能となります。

しかし、functionを組み合わせる際の注意点もあります。

それは、関数間のデータ型の互換性です。異なるデータ型の間で計算を行うと、意図しない結果が出力されることがあるため、関数を組み合わせる際は、それぞれの関数の入力と出力のデータ型に注意を払う必要があります。

さらなる応用として、function内で他のfunctionを呼び出すことも可能です。これにより、より高度な機能を持つfunctionを作成することもできます。

しかし、このような方法を取る際は、関数の呼び出し階層が深くなりすぎないように注意することが重要です。

関数の呼び出し階層が深くなると、コードの可読性が低下し、デバッグが困難になる場合があります。

●注意点と対処法

VHDLのコードを書く際には、様々な注意点があります。特に、functionに関しては細かな点に気を付ける必要があります。

ここでは、VHDLの構文エラーとfunction内での変数の取り扱いについて詳しく解説していきます。

○VHDLの構文エラーとその対処法

VHDLのコードを書いていると、思わぬところでエラーが発生することがあります。

よく発生する構文エラーとその対処法を紹介していきます。

このコードでは、VHDLの基本的な構文エラーを表しています。

この例では、セミコロンの抜けやキーワードの誤りを表しています。

function add(a: integer, b: integer) return integer is
begin
    return a + b  -- セミコロンが抜けている
end function

上記のコードを正しく修正すると次のようになります。

function add(a: integer, b: integer) return integer is
begin
    return a + b;  -- セミコロンを追加
end function;

上記の修正例のように、セミコロンが必要な箇所に忘れずにセミコロンを追加することで、構文エラーを解消できます。

また、VHDLは大文字小文字を区別しないため、「FUNCTION」と「function」は同じ意味として扱われます。

しかし、統一した記述方法を心がけることで、読みやすく保守しやすいコードとなります。

○function内での変数の取り扱いについて

function内での変数の扱いも、VHDLの一般的な構文とは異なる点があります。

このコードでは、function内での変数の定義と使用方法を表しています。

この例では、function内で変数を使用して計算を行っています。

function multiply(a: integer, b: integer) return integer is
    variable result: integer;  -- function内での変数定義
begin
    result := a * b;  -- 変数を使用した計算
    return result;
end function;

上記のコードでは、function内で「result」という名前の変数を定義しています。

そして、この変数に計算結果を代入し、その結果をreturn文で返しています。

function内で変数を定義する際は、必ず「variable」というキーワードを使用することが必要です。

また、変数の値の代入には「:=」を使用します。

●カスタマイズ方法

VHDLのfunctionをより効果的に使用するためのカスタマイズ方法を学びましょう。

ここでは、functionのカスタムデータ型の定義や、functionの拡張性を高めるためのコツを解説します。

○functionのカスタムデータ型の定義

VHDLのfunctionでは、特定のニーズや要件に合わせてカスタムデータ型を定義することができます。

これにより、より柔軟なコード記述や効率的な設計が可能となります。

新しいデータ型Vector3Dを定義し、それを使用したfunctionのサンプルコードを紹介します。

-- Vector3Dという名前の新しいデータ型を定義
type Vector3D is record
    x, y, z : real;
end record;

-- Vector3D型の変数を2つ受け取り、それらのベクトル和を返すfunction
function addVectors(v1, v2 : Vector3D) return Vector3D is
    variable result : Vector3D;
begin
    -- 各要素を加算
    result.x := v1.x + v2.x;
    result.y := v1.y + v2.y;
    result.z := v1.z + v2.z;
    return result; 
end function addVectors;

このコードでは、3次元ベクトルを表すVector3Dという新しいデータ型を定義しています。

また、この新しいデータ型を引数として取り、ベクトルの和を求めるfunctionを定義しています。

この例の場合、Vector3D型の2つの変数をfunctionに渡すと、それらのベクトルの和をVector3D型として返します。

○functionの拡張性を高めるコツ

VHDLのfunctionの拡張性を高めるためには、いくつかのコツやベストプラクティスが存在します。

❶汎用性を持たせる

functionの中身が特定のタスクやデータ型に依存しないように設計することで、再利用性を高めることができます。

❷適切なデータ型の選択

functionの入出力に最も適したデータ型を選択することで、コードの可読性や効率を向上させることができます。

❸明確なコメントを記述する

functionの動作や仕様を理解しやすくするために、詳細なコメントを記述することが重要です。

汎用性を持たせたfunctionのサンプルコードを紹介します。

-- 任意の型の2つの変数を受け取り、それらの値が等しいかを判定するfunction
function isEqualTo<TYPE>(a, b : TYPE) return boolean is
begin
    return a = b; 
end function isEqualTo;

この例では、任意のデータ型を受け取り、2つの値が等しいかどうかを判定するfunctionを示しています。

このような汎用的な設計を取り入れることで、多様なシチュエーションでfunctionを再利用することができます。

まとめ

VHDLのfunctionを効果的にカスタマイズするための方法を紹介しました。

カスタムデータ型の定義やfunctionの拡張性を高めるコツを理解し、より高度なVHDL設計に挑戦してみましょう。

これにより、VHDLのfunctionを使って効率的なデジタル回路設計が可能となります。