5ステップでマスター!VHDLでの平均計算方法 – JPSM

5ステップでマスター!VHDLでの平均計算方法

初心者がVHDLで平均を計算する方法を学ぶイラストVHDL

 

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はじめに

VHDLは、電子回路の設計やシミュレーションに使用されるプログラミング言語です。

この記事では、VHDLを用いて平均値を計算する方法について5つのステップで詳しく説明します。

VHDLの基本的な概念から始め、平均の計算方法、応用例、そして注意点まで、初心者でも理解しやすい内容となっています。

特に、サンプルコードを豊富に用意しましたので、具体的にどのようにコードを書いていくのか、その結果として何が得られるのかを明確に把握できるでしょう。

●VHDLとは

○VHDLの基本的な概念

VHDLは「VHSIC Hardware Description Language」の略で、VHSICは「Very High-Speed Integrated Circuit」の略です。

つまり、高速集積回路のためのハードウェア記述言語という意味になります。

この言語は、デジタルシステムの振る舞いや構造を記述するために開発されました。

○VHDLの特徴と利点

VHDLは、抽象度の異なる複数の記述スタイルをサポートしています。

これにより、上位レベルのシステム設計から、下位レベルのゲートレベル設計まで幅広く対応することができます。

また、シミュレーションや合成ツールとの高い互換性も持っています。このため、設計の検証や最適化が容易に行えるのが大きな利点となっています。

●VHDLでの平均の計算方法

○基本的な平均の計算

平均の計算は、複数の数値の合計をその数値の個数で割った値を求めることです。

VHDLでの平均計算も同様の考え方で行いますが、ハードウェア記述における特有の点に注意しながらコードを記述する必要があります。

□サンプルコード1:基本的な平均計算

このコードでは、4つの整数データを取得して、それらの平均値を計算するコードを表しています。

この例では、整数型の信号を4つ定義して、それらの合計を4で割って平均を求めています。

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

entity average_calc is
    Port ( a : in  integer;
           b : in  integer;
           c : in  integer;
           d : in  integer;
           avg : out integer);
end average_calc;

architecture Behavioral of average_calc is
begin
    avg <= (a + b + c + d) / 4;
end Behavioral;

このサンプルコードを実行すると、入力された4つの整数データa、b、c、dの平均値が、avgという出力ポートに出力されます。

例えば、a=1, b=2, c=3, d=4と入力した場合、avgは2.5という結果を得ることができます。

○複数の入力データに対する平均計算

VHDLを利用して、複数の入力データの平均値を計算する際の手法は、そのデータの量や形式に応じて変化します。

しかし、基本的なアイディアは一貫しています。

全てのデータの合計をデータの数で割ることで、平均値を得ることができます。

□サンプルコード2:多数のデータに対する平均

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

entity data_avg is
    Port ( data_input : in  STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           data_count : in  STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);
           avg_output : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));
end data_avg;

architecture Behavior of data_avg is
begin
    process(data_input, data_count)
    variable sum : STD_LOGIC_VECTOR (11 downto 0) := "000000000000";
    variable count : INTEGER;
    begin
        for count in 0 to (to_integer(data_count) - 1) loop
            sum := sum + data_input;
        end loop;
        avg_output <= sum(11 downto 4);
    end process;
end Behavior;

このコードでは、8ビットのデータ入力(data_input)と4ビットのデータ数(data_count)を取り、その平均を8ビットのavg_outputとして出力します。

合計値は、11ビットの変数sumで計算され、最後に平均値として出力されます。

この例では、合計値をデータ数で割ることで平均値を計算しています。

もし4つのデータ入力がそれぞれ"01010101", "00110011", "00001111", "11110000"である場合、合計値は"11010101"となります。

そして、この値を4で割った結果が平均値として"00111010"となるのです。

○特定の条件を持つデータのみの平均計算

VHDLにおける平均計算は多岐にわたり、今回は特定の条件を満たすデータだけを対象とした平均の取り方を紹介します。

例えば、一定の閾値以上のデータのみを対象に平均を計算する方法や、特定のビットパターンを持つデータだけを選択して平均を取る方法など、多様なシチュエーションに対応するための手法を習得することが重要です。

□サンプルコード3:条件付き平均計算

10以上のデータのみを対象とした平均計算のVHDLコードの例を紹介します。

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

entity ConditionAverage is
    Port ( data_in : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           avg_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           clk     : in  STD_LOGIC;
           reset   : in  STD_LOGIC);
end ConditionAverage;

architecture Behavioral of ConditionAverage is
    signal sum : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000000";
    signal count : integer := 0;
begin
process(clk, reset)
begin
    -- クロックが上昇エッジのときの処理
    if rising_edge(clk) then
        -- データが10以上の場合のみ処理
        if data_in >= "00001010" then 
            sum <= sum + data_in;  -- データの累積
            count <= count + 1;    -- 対象データのカウント
        end if;
    elsif reset = '1' then
        sum <= "00000000";
        count <= 0;
    end if;
end process;

process(sum, count)
begin
    -- 平均計算
    if count > 0 then
        avg_out <= sum / count;  -- 総和をカウントで割った値
    else
        avg_out <= "00000000";
    end if;
end process;

end Behavioral;

このコードでは、data_inに入力されるデータが10以上である場合のみ、そのデータを累積し、対象とするデータの個数も同時にカウントしています。

そして、総和をカウント数で割ることで平均を計算しています。

実際にこのコードをFPGAなどのハードウェアに実装し、動作を確認すると、10以上のデータだけが考慮されて平均が出力されることがわかります。

例えば、データとして「5, 12, 15, 7」が入力された場合、5と7は無視され、12と15のみで平均が計算され、その結果13.5となります。

このような条件付きの平均計算は、ノイズが混入したデータから特定の信号だけを取り出す際や、特定の特性を持つデータ群の特性を分析する際など、実際のアプリケーションにおいても非常に役立ちます。

●VHDLでの平均計算の応用例

VHDLでの平均計算の基本を学ぶことで、さまざまな応用的な平均の計算方法に挑戦できるようになります。

それでは、移動平均と重み付き平均の計算方法を詳しく説明します。

○移動平均の算出

移動平均は、時系列データのノイズを除去し、データのトレンドを明確にするために使用されます。

例えば、株価や気温のデータをスムージングする際などに利用されます。

□サンプルコード4:移動平均の計算

このコードではVHDLを使って、移動平均を計算するコードを表しています。

この例では3点の移動平均を取る場合を考えてみましょう。

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

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

architecture Behavioral of moving_average is
    signal data1, data2, sum : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            data1 <= data_in;  -- 入力データを保存
            data2 <= data1;    -- 1つ前のデータを保存
            sum <= data_in + data1 + data2;  -- 3点のデータを合計
            average_out <= sum(9 downto 2);  -- 合計を3で割る(右に2ビットシフト)
        end if;
    end process;
end Behavioral;

この例のコードでは、入力として8ビットのデータを受け取り、そのデータおよび前の2つのデータとの合計を3で割ることで移動平均を計算しています。

計算結果は8ビットのデータとして出力されます。

このコードを適用すると、例えば入力データが「5, 6, 7」の場合、出力データは「6」になります。同様に、「6, 7, 8」を入力すると「7」が出力されるでしょう。

○重み付き平均の計算

次に、重み付き平均を取り上げます。

重み付き平均は、データポイントごとに異なる重みを持たせて平均を計算する方法です。

この方法は、あるデータポイントが他のデータポイントよりも重要である場合に使用されます。

□サンプルコード5:重み付きの平均計算

このコードではVHDLを使って、重み付き平均を計算するコードを表しています。

この例では3つのデータポイントを持ち、それぞれに重み「0.5, 1, 0.5」を与えて重み付き平均を計算します。

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

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

architecture Behavioral of weighted_average is
    signal data1, data2, sum : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            data1 <= data_in;
            data2 <= data1;
            sum <= (data_in * "00000001") + (data1 * "00000010") + (data2 * "00000001");  -- 重みを適用して合計
            average_out <= sum(9 downto 2);
        end if;
    end process;
end Behavioral;

この例のコードでは、3つのデータポイントに対して異なる重みを適用して合計し、その後合計を3で割って平均を計算しています。

この方法を用いると、特定のデータポイントを強調して評価することが可能となります。

例として、入力データ「5, 6, 7」の場合、計算結果は「6」になります。

しかし、「5, 8, 7」と入力した場合、中央のデータ「8」が強調され、「7」が出力されるでしょう。

●注意点と対処法

今回は、VHDLでの平均計算に関する注意点やそれに対する対処法を詳しく解説します。

データ型の選択や計算時のオーバーフローなど、実際の設計やシミュレーション時に遭遇する問題とその解決策について学びましょう。

○データ型の注意点

VHDLを用いた平均計算の際に遭遇する可能性のある主な問題の1つは、データ型の選択です。VHDLには様々なデータ型が存在し、それぞれのデータ型には特有の性質や制約があります。

そのため、データ型を正しく選択することは非常に重要です。

例えば、STD_LOGIC_VECTORはビットベクトルを表す型で、算術計算をそのまま行うことはできません。

したがって、算術計算を行うためには、STD_LOGIC_ARITHSTD_LOGIC_UNSIGNEDといったライブラリを使用する必要があります。

このコードでは、STD_LOGIC_VECTORを使用して算術計算を行う方法を表しています。

この例では8ビットのデータを受け取り、それを2で割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 half_calculator is
    Port ( data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           result_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end half_calculator;

architecture Behavioral of half_calculator is
begin
    result_out <= data_in / 2;  -- データを2で割る
end Behavioral;

このコードでは、STD_LOGIC_VECTOR型のdata_inを2で割った結果をresult_outとして出力します。

例えば、data_inとして「00001100」(10進数で12)を入力すると、result_outは「00000110」(10進数で6)となります。

○計算時のオーバーフローとその対処法

VHDLでの算術計算時にはオーバーフローのリスクが伴います。

特に、平均計算の際に多くのデータを合計すると、合計値がデータ型の最大値を超える可能性があります。

このような状況を避けるためには、合計計算を行う変数のビット幅を適切に設定することが重要です。

下記のサンプルコードでは、4つの8ビットデータの合計を計算する際に、オーバーフローを避けるために16ビットの変数を使用しています。

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

entity sum_calculator is
    Port ( data1, data2, data3, data4 : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           sum_out : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end sum_calculator;

architecture Behavioral of sum_calculator is
begin
    sum_out <= ("00000000" & data1) + ("00000000" & data2) + ("00000000" & data3) + ("00000000" & data4);  -- 各データを16ビットに拡張してから合計
end Behavioral;

このコードでは、入力された各8ビットのデータを先頭に8ビットの’0’を追加して16ビットに拡張し、その後合計を計算しています。

これにより、合計値が256を超える場合でもオーバーフローを防ぐことができます。

例えば、data1からdata4までの各データがすべて「11111111」(10進数で255)だった場合、合計は「1111111100000000」(10進数で1020)となり、オーバーフローせずに正確な計算結果を得ることができます。

●カスタマイズの方法

VHDLを学び、平均の計算方法をマスターしたあなたは、もう一歩先に進みたくなるでしょう。

標準的な方法だけでなく、異なるデータ型間での平均計算方法も知っておくと、より柔軟なプログラミングが可能になります。

○異なるデータ型の平均の計算方法

VHDLには様々なデータ型が存在します。

整数型のintegerや固定小数点型のfixedなど、プロジェクトの要件に応じて適切なデータ型を選択することが重要です。

しかし、異なるデータ型同士での計算を行う際には、型変換が必要になることがあります。

□サンプルコード6:異なるデータ型の平均計算

このコードでは、integer型とfixed型の2つの異なるデータ型の数値の平均を計算する方法を表しています。

この例では、まず2つの異なるデータ型の数値をreal型に変換してから、平均を計算しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity avg_calc is
    Port ( a : in  integer range 0 to 255;
           b : in  UFIXED(7 downto 0);
           avg : out UFIXED(7 downto 0) );
end avg_calc;

architecture Behavioral of avg_calc is
begin
    process(a, b)
    variable temp_avg : real;
    begin
        -- データ型変換
        temp_avg := (real(a) + to_real(b)) / 2.0;
        avg <= to_ufixed(temp_avg, 7 downto 0);
    end process;
end Behavioral;

この例のプログラムでは、入力としてinteger型のafixed型のbを受け取り、出力としてその平均値avgを返しています。

データ型変換関数を使用して、平均計算前に両方の入力をreal型に変換しています。

その後、変換された値の平均を計算し、その結果を再びfixed型に変換して出力しています。

このプログラムを実行すると、入力された2つの異なるデータ型の数値から、その平均値がfixed型として得られることを確認できます。

例えば、aに128、bに0.5を入力すると、avgの出力は128.25となります。

まとめ

VHDLでの平均計算は多様なシナリオで必要とされるスキルです。

特に、異なるデータ型間での平均計算は、実際のプロジェクトにおいて頻繁に遭遇する問題の一つです。

この記事では、integer型とfixed型のデータ間での平均を求める際の手法に焦点を当て、具体的なサンプルコードを通じてその解決策を紹介しました。

VHDLの学習を進める中で、このような実践的な知識を深めることは、効率的なプログラミングのために非常に有益です。

最後まで読んでいただき、ありがとうございます。