VHDLで学ぶヘキサ表示の基本10選

はじめに
●VHDLとは
- ○VHDLの基本的な概念
●ヘキサ表示の基本
- ○ヘキサ表示とは
- ○VHDLでのヘキサ表示方法
●サンプルコード集
●ヘキサ表示の応用例
●VHDLでのヘキサ表示の注意点と対処法
●カスタマイズ方法
まとめ

はじめに

VHDLは電子設計オートメーション業界で広く使用されている言語の一つであり、ハードウェア記述言語として知られています。

この記事では、VHDLでのヘキサ表示に関する基本的な情報を初心者向けに徹底解説します。

ヘキサ表示は、デジタルシステムの設計や解析において非常に有用であり、VHDLを学ぶ過程で習得すべきスキルの一つと言えます。

ヘキサ表示は、10進数や2進数とは異なる数値表現法であり、数字やアルファベットを組み合わせてデータを表現します。

この記事を通して、VHDLでのヘキサ表示の基本から、実際の応用例、注意点、そしてカスタマイズ方法まで、幅広く学ぶことができます。

●VHDLとは

VHDLは、ハードウェア記述言語として広く使われる言語であり、デジタル回路や集積回路の設計に用いられます。

VHDLの特徴として、シミュレーションのためのテストベンチ記述もサポートされており、設計者は設計した回路の動作を詳細に確認することができます。

○VHDLの基本的な概念

VHDLはイベント駆動シミュレーションを基盤とした言語であり、シグナルや変数といった要素を持っています。

シグナルはワイヤのようなものと考えることができ、変数はプログラム言語の変数と似た概念を持っています。

●ヘキサ表示の基本

○ヘキサ表示とは

ヘキサ表示は、16進数としても知られており、0から9の数字とAからFのアルファベットを組み合わせてデータを表現する方法です。

例えば、10進数の10はヘキサ表示ではAとなります。

○VHDLでのヘキサ表示方法

VHDLでは、16進数のリテラルを’H’の後に続けて書くことでヘキサ表示を行います。

例えば、16進数の1AはVHDLで1AHとして表現します。

●サンプルコード集

○サンプルコード1：ベーシックなヘキサ表示

このコードではVHDLを使ってヘキサ表示をする基本的なコードを表しています。

この例ではシグナルの値をヘキサで出力しています。

entity hex_display is
Port ( hex_value : out std_logic_vector(7 downto 0));
end hex_display;

architecture Behavioral of hex_display is
begin
process
begin
hex_value <= "00111010"; -- これはヘキサでの3Aに相当します
wait;
end process;
end Behavioral;

このコードを実行すると、hex_valueというシグナルがヘキサの3Aを表す00111010という値を持つことになります。

これは8ビットのバイナリで3Aを表現しています。

○サンプルコード2：ビット幅を指定してヘキサ表示

このコードではビット幅を指定してヘキサ表示を行うコードを表しています。

この例では4ビットの幅でヘキサ値を出力しています。

entity hex_display is
  Port ( hex_value : out std_logic_vector(3 downto 0));
end hex_display;

architecture Behavioral of hex_display is
begin
  process
  begin
    hex_value <= "1101"; -- これはヘキサでのDに相当します
    wait;
  end process;
end Behavioral;

このコードを実行すると、4ビットのhex_valueシグナルがヘキサのDを表す1101という値を持つことになります。

○サンプルコード3：特定の値だけをヘキサ表示

VHDLにおけるヘキサ表示は、デバッグ時やテストベンチの構築時に非常に有用です。

特定の値だけをヘキサ表示するケースは、特定のデータの挙動を確認したい場合や、そのデータに関連する動作を分析する際に役立ちます。

このセクションでは、VHDLで特定の値のみをヘキサ表示する方法を詳しく紹介します。

このコードでは、特定の入力値が与えられた場合のみ、その値をヘキサ表示する方法を表しています。

この例では、8ビットの入力データから特定の値0x5A（10進数で90）のみをヘキサ表示します。

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

entity hex_display_specific is
    Port ( input : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           hex_display : out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0));
end hex_display_specific;

architecture Behavioral of hex_display_specific is
begin
    process(input)
    begin
        -- 特定の値0x5Aのみをヘキサ表示する
        if input = "01011010" then
            hex_display <= "0111011"; -- 0x5Aの7セグメント表示
        else
            hex_display <= (others => '0');
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードは8ビットの入力データを受け取り、その値が0x5Aの場合にのみ、ヘキサ表示用の7セグメントデータを出力します。

それ以外の値が入力された場合、7セグメントデータは全て’0’となります。

このコードをFPGAやシミュレータに適用した場合、入力として0x5Aが供給されると、7セグメントディスプレイにAの文字が表示されます。

それ以外の値が入力された場合、7セグメントディスプレイは消灯状態となります。

この方法で特定の値のみをヘキサ表示する場合、入力データのビット幅やヘキサ表示する値を変更したい場合は、適切な部分のコードを修正する必要があります。

また、異なる7セグメントディスプレイやディスプレイドライバを使用している場合、表示用のセグメントデータも適宜変更する必要があります。

○サンプルコード4：ヘキサ表示の色付け

VHDLを用いてヘキサデシマルの値を表示する際、さらなる見やすさや分かりやすさを追求するために色を使って表示する方法を考えることができます。

ここでは、VHDLを用いてヘキサデシマルの値に色をつける方法を紹介します。

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

entity HexColor is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           hex_out : out STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0) );
end HexColor;

architecture Behavioral of HexColor is
begin
process(clk, reset)
    variable temp : STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);
begin
    if reset = '1' then
        temp := "0000000000000000";
    elsif rising_edge(clk) then
        -- ここでdata_inのヘキサ値に応じて色を指定する
        if data_in = "00000000" then
            temp := "0000111100001111"; -- 白色を示す値
        elsif data_in = "00000001" then
            temp := "1111000011110000"; -- 赤色を示す値
        else
            temp := data_in & data_in; -- その他の色
        end if;
    end if;
    hex_out <= temp;
end process;
end Behavioral;

このコードでは、入力された8ビットのヘキサデシマル値に応じて、出力として16ビットのヘキサデシマル値を生成します。

この例では、data_inが"00000000"の場合は白色、"00000001"の場合は赤色として出力を行います。

それ以外の値の場合は、入力値を2回繰り返して出力します。

VHDLにおける色の指定は、通常、RGB値やHSV値などのカラーコードを使用して行いますが、この例では簡略化のために16ビットのヘキサデシマル値を直接使用しています。

このコードを使用することで、VHDLでのヘキサ表示において、値ごとに異なる色を付けることが可能となります。

これにより、デバッグやデータの可視化がより簡単に行えるようになります。

応用例としては、入力のヘキサデシマル値の範囲ごとに異なる色を割り当てることで、特定の値の範囲を一目で識別することができます。

また、特定の条件下でのみ色を変更することも可能です。

たとえば、次のようなコードを考えてみましょう。

-- 省略
    elsif rising_edge(clk) then
        -- ここでdata_inのヘキサ値が特定の範囲にあるかチェックする
        if data_in > "10000000" and data_in < "11000000" then
            temp := "0011001100110011"; -- 緑色を示す値
        else
            temp := data_in & data_in; -- その他の色
        end if;
    end if;
-- 省略

この例では、入力のヘキサ値が"10000000"以上"11000000"未満の場合、緑色として出力します。

それ以外の場合は、入力値を2回繰り返して出力します。

○サンプルコード5：ヘキサ表示の桁数指定

VHDLのヘキサ表示では、表示する桁数を指定することが可能です。

桁数を指定することで、出力するヘキサの文字列の長さを一定に保つことができ、見た目の整合性やデバッグの際にも役立ちます。

このコードでは、ヘキサ表示の際に桁数を指定して表示する方法を表しています。

この例では、4桁のヘキサ表示を行っています。

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

entity HexDisplayWithPadding is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data : in STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           hexOutput : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end HexDisplayWithPadding;

architecture Behavior of HexDisplayWithPadding is
begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        -- 16ビットデータを4桁のヘキサ表示に変換
        hexOutput <= to_hex(data(15 downto 12)) & to_hex(data(11 downto 8)) & to_hex(data(7 downto 4)) & to_hex(data(3 downto 0));
    end if;
end process;

end Behavior;

このサンプルコードでは、16ビットのデータを入力として受け取り、それを4桁のヘキサ表示として出力しています。

to_hex関数を使用して、4ビットごとにヘキサ変換を行い、その結果を結合しています。

入力が1100 1010 0011 0101の場合、出力はヘキサのCA35となります。

特定の桁数を超えた場合にオーバーフローの警告を行いたい場合は、次のように改変することができます。

process(clk)
variable overflow_flag : boolean := false;
begin
    if rising_edge(clk) then
        if data > "FFFF" then
            overflow_flag := true;
        else
            overflow_flag := false;
            hexOutput <= to_hex(data(15 downto 12)) & to_hex(data(11 downto 8)) & to_hex(data(7 downto 4)) & to_hex(data(3 downto 0));
        end if;
    end if;
end process;

このコードでは、入力されるデータがFFFFを超える場合、overflow_flagがtrueになり、オーバーフローが発生していることを表すことができます。

これにより、オーバーフローが発生した際の対処を追加することが容易になります。

●ヘキサ表示の応用例

ヘキサ表示は、VHDLプログラムの中でよく使用されるものの一つです。しかし、ベーシックなヘキサ表示だけではなく、応用的な利用方法も存在します。今回は、その中からいくつかの代表的な応用例をサンプルコードとともに紹介していきます。

○サンプルコード6：ヘキサ値から10進数に変換

このコードではVHDLを使ってヘキサ値を10進数に変換する方法を紹介しています。この例ではヘキサ値”1A”を10進数に変換して表示します。

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

entity hex_to_dec is
    Port ( hex : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           dec : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end hex_to_dec;

architecture Behavior of hex_to_dec is
begin
    dec <= conv_std_logic_vector(to_integer(hex), 8);
end Behavior;

このコードを実行すると、ヘキサ値”1A”は、10進数で26として出力されます。

○サンプルコード7：ヘキサ表示の条件付き変換

このコードでは、特定の条件下でのみヘキサ表示を変換する方法を表しています。

この例ではヘキサ値が”0A”以上であれば10進数に変換し、それ以外の場合はそのままのヘキサ表示を出力します。

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

entity hex_conditional_conversion is
    Port ( hex : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           output : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end hex_conditional_conversion;

architecture Behavior of hex_conditional_conversion is
begin
process (hex)
begin
    if hex >= "0A" then
        output <= conv_std_logic_vector(to_integer(hex), 8);
    else
        output <= hex;
    end if;
end process;
end Behavior;

このコードを適用すると、例えばヘキサ値”09″はそのまま”09″として、ヘキサ値”0A”は10進数の10として出力されます。

○サンプルコード8：複数のヘキサ値を一括表示

このコードでは、複数のヘキサ値を一度に表示する方法を表しています。

この例では、3つのヘキサ値を連続して表示します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity multi_hex_display is
    Port ( hex1, hex2, hex3 : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           output : out STD_LOGIC_VECTOR(23 downto 0));
end multi_hex_display;

architecture Behavior of multi_hex_display is
begin
    output <= hex1 & hex2 & hex3;
end Behavior;

実行すると、ヘキサ値”1A”, “2B”, “3C”を入力とすると、出力は連結された”1A2B3C”となります。

○サンプルコード9：ヘキサ表示と10進数表示の併用

VHDLにおいて、ヘキサ表示と10進数表示を同時に使用する場面は数多く存在します。

ここでは、VHDLを使用して、ヘキサデシマルと10進数の値を並列して表示する方法を学習します。

このコードではVHDLの基本的なデータ型と変換関数を使って、10進数の数値とそのヘキサデシマル表現を同時に出力するコードを表しています。

この例では、数値255を10進数とヘキサデシマルの両方で表示しています。

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

entity HexDecimalDisplay is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           hexValue : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           decimalValue : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end HexDecimalDisplay;

architecture Behavioral of HexDecimalDisplay is
signal tempValue: STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "11111111"; -- 255の2進数表現
begin
    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            hexValue <= "00000000";
            decimalValue <= "00000000";
        elsif rising_edge(clk) then
            hexValue <= tempValue;          -- ヘキサデシマル表示
            decimalValue <= tempValue;      -- 10進数表示
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードは、クロックの立ち上がりエッジでtempValueの値をhexValueとdecimalValueに出力します。

リセット信号がアクティブの場合、出力は0にリセットされます。

このVHDLコードをFPGAボードで実行すると、hexValueとdecimalValueがそれぞれ同じ255の値で更新されることを確認できます。

ただし、表示するデバイスやドライバーによっては、hexValueはFFとして、decimalValueは255として表示される場合もあります。

○サンプルコード10：ヘキサ表示の高度なフォーマット

VHDLにおけるヘキサ表示の基本を学んできたあなたに、さらなるステップアップのための高度なフォーマット方法を紹介します。

ここでは、VHDLのコードを利用してヘキサ表示を一歩進め、さらに洗練された表示方法を取得する方法を学びます。

このコードでは、複数のデータを組み合わせた高度なヘキサフォーマットを表しています。

この例では、異なるビット幅のデータを組み合わせて一つのヘキサデータとして表示する方法を解説しています。

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

entity HexFormatAdvanced is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data1 : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           data2 : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           hex_output : out STD_LOGIC_VECTOR(11 downto 0));
end HexFormatAdvanced;

architecture Behavioral of HexFormatAdvanced is
begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        hex_output <= data1 & data2; -- 4ビットデータと8ビットデータを結合
    end if;
end process;
end Behavioral;

この例のコードでは、4ビットのデータ（data1）と8ビットのデータ（data2）を入力として受け取り、これらのデータを結合して12ビットのヘキサデータとして出力しています。

特に、「hex_output <= data1 & data2;」の部分で、2つのデータを結合しています。

このコードをFPGAやシミュレータで実行すると、data1とdata2のデータが連結され、12ビットの結果がhex_outputとして出力されます。

たとえば、data1が”1101″で、data2が”10101100″の場合、hex_outputは”110110101100″となります。

注意点として、結合するデータのビット数が異なる場合には、結果のビット幅も変わる点を理解しておくことが重要です。

●VHDLでのヘキサ表示の注意点と対処法

VHDLでのヘキサ表示には多くの利点がありますが、注意するべき点もあります

特に初心者の方がハマりがちなトラップや、適切な方法での対処法について紹介します。

①ビット幅の誤り

ヘキサ表示を行う際、入力データのビット幅が出力データのビット幅と異なる場合、エラーや意図しない動作が発生することがあります。

対処法として、入力と出力のビット幅を常に確認し、必要に応じて変換処理を行うようにしてください。

②ビット順序の問題

VHDLでは、ビットの順序（エンディアン）を指定することができます。

このエンディアンの違いにより、表示されるヘキサ値が意図しないものになることがあります。

対処法として、エンディアンを明示的に指定し、必要に応じて変換処理を実装することが推奨されます。

③符号の取り扱い

VHDLのヘキサ表示では、符号付きと符号なしのデータを区別することができます。

符号付きデータを符号なしとして誤って解釈すると、意図しない表示結果が得られることがあります。

対処法として、データの種類を確認し、適切なデータ型を使用することが必要です。

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、VHDLでのヘキサ表示を正確かつ効率的に行うことができます。

●カスタマイズ方法

VHDLでのヘキサ表示はカスタマイズが可能で、表示形式や色付けなどを変更することで、よりユーザーフレンドリーな結果を得ることができます。

VHDLでのヘキサ表示をカスタマイズする主な方法を詳しく解説します。

○ビット幅を指定してヘキサ表示

通常のヘキサ表示では、すべてのビットが表示されることが一般的ですが、特定のビット幅だけを表示することも可能です。

例として、8ビットのデータから最上位4ビットだけをヘキサ表示する方法を紹介します。

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

entity HexDisplay is
    Port ( data : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           hex_out : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) );
end HexDisplay;

architecture Behavior of HexDisplay is
begin
    hex_out <= data(7 downto 4);
end Behavior;

このコードでは、8ビットの入力データから最上位4ビットを取り出し、それをhex_outとして出力しています。

○特定の値だけをヘキサ表示

特定の値のみをヘキサ表示する際には、条件分岐を利用します。

例として、入力データが’1010’の場合のみヘキサ表示を行う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 HexCondition is
    Port ( data : in  STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           hex_out : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) );
end HexCondition;

architecture Behavior of HexCondition is
begin
    process(data)
    begin
        if data = "1010" then
            hex_out <= "A";
        else
            hex_out <= "0";
        end if;
    end process;
end Behavior;

この例では、入力データが’1010’の場合にのみ、ヘキサ表示を’A’として出力します。それ以外の場合は’0’を出力します。