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VHDLでの保持回路の完全ガイド10選

VHDLを用いた保持回路のイラスト付き解説 VHDL
2023.08.11
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この記事では、プログラム(回路記述)の基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を満たす現役のプログラマチームによって監修されています。

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はじめに

デジタル回路の設計には、様々なツールや言語が利用されています。

その中でもVHDLは、特に一般的に利用されているハードウェア記述言語のひとつです。

この記事では、VHDLでの「保持回路」の設計に焦点を当てて解説します。

初心者から上級者まで、保持回路の設計に関する基本的な知識や応用例を、サンプルコードとともにわかりやすく紹介します。

●VHDLとは？

VHDLは、Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Languageの略で、デジタル回路の動作を記述するための言語です。

特にFPGAやASICの設計に使用されることが多いです。

○VHDLの基本的な概念

VHDLでは、エンティティとアーキテクチャという2つの主要な要素を用いてデジタル回路を記述します。

エンティティは、回路の入出力端子を定義する部分です。

一方、アーキテクチャは、その回路の内部動作を定義する部分です。

●保持回路とは？

保持回路は、入力信号の値を一時的に「保持」する機能を持つデジタル回路です。

これは、例えば一時的なデータ保存や、特定の状態を維持するために使用されます。

○保持回路の役割と仕組み

保持回路の主な役割は、特定の時点での入力信号の状態を一時的に保存し、後からその状態を読み出すことができるようにすることです。

これにより、回路全体の動作を一時的に停止したり、あるいは特定の状態を維持したりすることが可能となります。

●VHDLでの保持回路の作り方

○サンプルコード1：基本的な保持回路の構築

このコードでは、VHDLを使って基本的な保持回路を構築するコードを表しています。

この例では、入力信号を受け取り、出力信号としてその状態を保持しています。

entity sample_hold_circuit is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC);
end sample_hold_circuit;

architecture behavior of sample_hold_circuit is
    signal temp : STD_LOGIC;
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            temp <= data_in;
        end if;
    end process;
    data_out <= temp;
end behavior;

上記のコードは、クロック信号clkの立ち上がりエッジでdata_inの信号を取得し、data_outとしてその信号の状態を保持します。

tempという一時的な信号を用いて、入力信号の状態を保持しています。

入力が’1’の場合、出力も’1’となり、入力が’0’の場合、出力も’0’となります。

クロックの立ち上がりエッジでのみ、入力信号が読み込まれます。

●保持回路の応用例

ここでは、保持回路を使った応用的な例をいくつか紹介します。

○サンプルコード2：入力信号を保持する回路

このコードでは、VHDLを使って入力信号を保持する回路を作成するコードを表しています。

この例では、入力信号がある特定の条件を満たしたときのみ、その状態を保持しています。

entity condition_hold_circuit is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC;
           condition : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC);
end condition_hold_circuit;

architecture behavior of condition_hold_circuit is
    signal temp : STD_LOGIC;
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) and condition = '1' then
            temp <= data_in;
        end if;
    end process;
    data_out <= temp;
end behavior;

このサンプルコードでは、condition信号が’1’のときのみ、入力信号data_inの状態を保持します。

このように、特定の条件下でのみ動作する保持回路を設計することができます。

入力信号が’1’で、条件信号も’1’の場合、出力は’1’となります。

しかし、条件信号が’0’の場合、出力は変化しません。

○サンプルコード3：複数の信号を保持する回路

このコードでは、VHDLを使って複数の信号を保持する回路を作成するコードを表しています。

この例では、複数の入力信号をそれぞれ独立して保持しています。

entity multi_hold_circuit is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in1 : in STD_LOGIC;
           data_in2 : in STD_LOGIC;
           data_out1 : out STD_LOGIC;
           data_out2 : out STD_LOGIC);
end multi_hold_circuit;

architecture behavior of multi_hold_circuit is
    signal temp1, temp2 : STD_LOG

IC;
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            temp1 <= data_in1;
            temp2 <= data_in2;
        end if;
    end process;
    data_out1 <= temp1;
    data_out2 <= temp2;
end behavior;

上記のコードは、2つの入力信号data_in1とdata_in2をそれぞれの出力信号data_out1とdata_out2に保持します。

それぞれの信号は独立して動作するため、一方の入力信号が変化しても、もう一方の出力信号には影響がありません。

例えば、data_in1が’1’でdata_in2が’0’の場合、data_out1は’1’、data_out2は’0’となります。

同様に、data_in1が’0’でdata_in2が’1’の場合、data_out1は’0’、data_out2は’1’となります。

●保持回路の応用例

保持回路の基本的な機能や動作を理解した上で、さらに進んで応用例を考察していきましょう。

保持回路はその単純さから様々なシステムやデバイスで使用されるものです。

今回は、VHDLを使用して、保持回路を応用したいくつかの具体的な例を取り上げます。

○サンプルコード4：保持回路を用いたカウンター

このコードでは、保持回路を使ってシンプルなカウンターを作成するコードを表しています。

この例では、クロック信号の立ち上がり毎にカウントを1増加させ、保持回路でその値を保持しています。

entity counter_with_hold is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           count_out : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
end counter_with_hold;

architecture behavior of counter_with_hold is
    signal temp : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) := "0000";
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            temp <= "0000";
        elsif rising_edge(clk) then
            temp <= temp + 1;
        end if;
    end process;
    count_out <= temp;
end behavior;

このコードを使用すると、リセット信号が’1’のときはカウントが”0000″に初期化され、クロックの立ち上がり毎にカウントが1増加します。

例えば、5回クロックが立ち上がった場合、count_outは”0101″となります。

○サンプルコード5：保持回路を用いたタイマー

このコードでは、保持回路を活用してシンプルなタイマーを実装するコードを表しています。

この例では、指定した時間が経過するとタイマーが終了する機能を持っています。

entity timer_with_hold is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           start : in STD_LOGIC;
           time : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           done : out STD_LOGIC);
end timer_with_hold;

architecture behavior of timer_with_hold is
    signal temp : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) := "0000";
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if start = '1' then
                if temp < time then
                    temp <= temp + 1;
                end if;
            else
                temp <= "0000";
            end if;
        end if;
    end process;
    done <= '1' when temp = time else '0';
end behavior;

このコードにより、start信号が’1’のときにタイマーが開始され、tempが指定したtimeと同じになったとき、done信号が’1’になります。

例えば、timeが”0010″の場合、3回のクロック立ち上がり後にdoneが’1’となります。

○サンプルコード6：外部信号との連携

このコードでは、外部からの信号を取り込み、保持回路を活用してその値を一定時間保持するコードを表しています。

この例では、外部信号の変化を検出して、一定時間その状態を保持します。

entity hold_with_external_signal is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           external_signal : in STD_LOGIC;
           hold_out : out STD_LOGIC);
end hold_with_external_signal;

architecture behavior of hold_with_external_signal is
    signal temp : STD_LOGIC := '0';
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if external_signal = '1' then
                temp <= '1';
            else
                temp <= '0';
            end if;
        end if;
    end process;
    hold_out <= temp;
end behavior;

このコードの場合、外部信号が’1’の場合、hold_outも’1’となります。逆に外部信号が’0’の場合、hold_outも’0’となります。

これにより、外部信号の変化を確実に検出し、一定時間その状態を保持することができます。

●注意点と対処法

VHDLでの保持回路の設計と使用には非常に便利であり、多くのデジタルシステムにおいて重要な役割を果たしていますが、一方でいくつかの注意点が存在します。

これらの注意点を無視すると、保持回路の動作に問題が生じる可能性があります。

○電源断やノイズによる影響

保持回路は電源の供給や外部からのノイズに非常に敏感です。

特に、電源が不安定である場合や、強いノイズが存在する環境での使用は、保持回路の動作を不安定にする可能性が高まります。

このような状況下での保持回路の動作は、予期しない動作やデータの喪失などのリスクを伴います。

具体的な対処法としては、適切な電源供給を確保することや、ノイズの影響を受けにくい場所に保持回路を配置すること、シールドやグラウンディングを行うことなどが考えられます。

これらの方法を組み合わせることで、保持回路の安定性を向上させることができます。

○サンプルコード7：ノイズ対策を施した保持回路

このコードでは、ノイズの影響を最小限に抑えるための保持回路の設計を表しています。

この例では、ノイズフィルタを導入して外部からのノイズの影響を軽減しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity noise_filtered_hold is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC;
           hold : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC);
end noise_filtered_hold;

architecture Behavioral of noise_filtered_hold is
    signal temp_data : STD_LOGIC;
    -- ノイズフィルタのためのディレイ
    constant delay_time : time := 10 ns; 
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            -- ディレイを加えることでノイズの影響を軽減
            wait for delay_time; 
            if hold = '1' then
                temp_data <= data_in;
            end if;
            data_out <= temp_data;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

上記のコードは、ディレイを用いて外部からのノイズの影響を軽減する方法を表しています。

具体的には、delay_timeという定数を定義し、これを使ってディレイを加えています。

これにより、短時間のノイズの影響を受けにくくなっています。

このコードを使用することで、外部からのノイズが強い環境下でも、保持回路の動作を安定させることが可能となります。

実際に実装する際には、ノイズの状況に応じてディレイの時間を適切に調整することが推奨されます。

●カスタマイズ方法

VHDLを用いた保持回路の設計は、基本的な保持機能だけでなく、さまざまなカスタマイズや応用が可能です。

ここでは、保持時間のカスタマイズや、複数の保持回路の組み合わせ、さらには動作速度の変更方法など、3つの具体的なカスタマイズ方法を紹介します。

○サンプルコード8：保持時間をカスタマイズする方法

このコードでは、VHDLを使って保持時間をカスタマイズする方法を表しています。

この例では、入力信号が与えられてから指定した時間だけ信号を保持する機能を実装しています。

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

entity CustomHold is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           input_signal : in STD_LOGIC;
           hold_time : in INTEGER;
           output_signal : out STD_LOGIC);
end CustomHold;

architecture Behavior of CustomHold is
    signal count : INTEGER := 0;
    signal holding : BOOLEAN := FALSE;
begin
    process(clk, rst)
    begin
        -- リセット時の動作
        if rst = '1' then
            count <= 0;
            holding <= FALSE;
        -- クロックの立ち上がりエッジで動作
        elsif rising_edge(clk) then
            if holding = TRUE then
                if count < hold_time then
                    count <= count + 1;
                else
                    holding <= FALSE;
                    count <= 0;
                end if;
            elsif input_signal = '1' then
                holding <= TRUE;
            end if;
        end if;
    end process;

    output_signal <= '1' when holding = TRUE else '0';
end Behavior;

このサンプルコードでは、リセット信号（rst）が’1’のとき、カウント値と保持フラグをリセットします。

入力信号が’1’のとき、保持フラグがセットされ、指定したhold_timeの間、出力信号を’1’に保持します。

このコードを適用すると、例えばhold_timeを10に設定した場合、入力信号が’1’になってから10クロックサイクル後まで出力信号が’1’に保持されます。

このようにして、保持時間を自由にカスタマイズすることができます。

○サンプルコード9：複数の保持回路を組み合わせる方法

このコードでは、VHDLで複数の保持回路を組み合わせる方法を表しています。

この例では、2つの保持回路を連携させ、1つ目の回路の出力を2つ目の回路の入力として利用しています。

-- [先ほどのコード (CustomHold) はこの上に配置]

entity DualHold is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           input_signal : in STD_LOGIC;
           hold_time1 : in INTEGER;
           hold_time2 : in INTEGER;
           output_signal : out STD_LOGIC);
end DualHold;

architecture Behavior of DualHold is
    signal first_output : STD_LOGIC;
    signal second_output : STD_LOGIC;
begin
    first_hold : CustomHold
        Port map (clk, rst, input_signal, hold_time1, first_output);

    second_hold : CustomHold
        Port map (clk, rst, first_output, hold_time2, second_output);

    output_signal <= second_output;
end Behavior;

このコードを使用すると、入力信号が’1’になった場合、まずfirst_holdで指定したhold_time1の時間だけ信号を保持し、その後second_holdでさらにhold_time2の時間だけ信号を保持します。

○サンプルコード10：保持回路の動作速度を変更する方法

VHDLでの保持回路の動作速度を変更するとは、具体的には保持回路の動作のレスポンスを速くしたり遅くしたりすることを意味します。

ここでは、保持回路の動作速度を変更する方法を詳しく解説します。

まず、保持回路の動作速度を変更する要因としては、主にクロックの速度が影響を与えます。

VHDLでは、このクロックの速度を制御することで、回路全体の動作速度を変更することができます。

このコードではVHDLを使って保持回路の動作速度を変更する方法を表しています。

この例ではクロックの周波数を変更して保持回路の動作速度を変更しています。

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

entity hold_circuit_speed is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           input_data : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           output_data : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end hold_circuit_speed;

architecture Behavioral of hold_circuit_speed is
    signal tmp_data : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    signal slow_clk : STD_LOGIC;
    constant clk_divider : integer := 10; -- クロック分周の値を10に設定
begin

    -- クロックを分周して動作速度を下げる
    process(clk)
    variable cnt : integer := 0;
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if cnt < clk_divider - 1 then
                cnt := cnt + 1;
                slow_clk <= '0';
            else
                cnt := 0;
                slow_clk <= not slow_clk;
            end if;
        end if;
    end process;

    -- 保持回路の動作
    process(slow_clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            tmp_data <= (others => '0');
        elsif rising_edge(slow_clk) then
            tmp_data <= input_data;
        end if;
    end process;

    output_data <= tmp_data;

end Behavioral;

このサンプルコードのポイントは、クロック信号clkに対して分周を行う部分です。

ここでclk_dividerの値を変更することで、実際のクロックの速度を変更することができます。

この方法を利用して、保持回路の動作速度を独自にカスタマイズすることが可能です。

このコードをFPGAなどのハードウェアに実装し、動作させると、input_dataのデータがoutput_dataに遅れて出力されますが、その遅れはclk_dividerの値に応じて変わります。

例えば、clk_dividerを10に設定すると、入力データが出力に反映されるまでの時間が10倍になります。

まとめ

この記事では、VHDLを使用して保持回路を構築・操作する方法について、基本的な情報から高度なカスタマイズ方法まで、詳しく紹介しました。

VHDLは、デジタルシステム設計の主要な言語として広く利用されており、その中で保持回路は多くのアプリケーションでの核心的な役割を果たします。

まず、VHDLと保持回路の基本的な概念について触れました。

その後、保持回路の構築方法や応用例、注意点、さらにはカスタマイズ方法に関する詳細なガイドとサンプルコードを解説しました。

特に動作速度を変更する方法に関するセクションでは、クロックの分周を利用して保持回路の動作速度を独自に調整するテクニックを学びました。

これらの情報を元に、読者の皆様はVHDLを用いた保持回路の設計・実装に関する知識を深めることができたことでしょう。

VHDLにおける保持回路の技術は、デジタルデザインの幅広い領域での応用が期待されますので、今後の設計活動においてもこの知識を活かしてください。

この記事が、VHDLと保持回路に関する理解とスキルの向上に役立ったことを願っています。