VHDLと論理合成の手順10選！初心者向け徹底ガイド

はじめに
●VHDLとは
- ○VHDLの歴史と背景
- ○VHDLの特徴
●論理合成の基本
- ○論理合成とは
- ○論理合成のメリット
●VHDLでの論理合成の手順
●応用例とサンプルコード
●注意点と対処法
●カスタマイズの方法
- ○カスタマイズ例1：出力波形の調整
- ○カスタマイズ例2：遅延の導入
まとめ

はじめに

VHDLという言葉を初めて聞く方も多いかと思います。

VHDLは、デジタル回路設計のための言語であり、論理合成というプロセスを通じて物理的なハードウェアに変換されることを前提とした設計言語です。

この記事では、VHDLを用いた論理合成の基本から応用までの10の手順を、初心者にも理解しやすいように解説します。

サンプルコードも交えて、具体的な手順や注意点、カスタマイズの方法などを紹介していきます。

VHDLに興味を持った方、これから学ぼうと考えている方に向けて、一つ一つの手順を詳しく説明していきますので、ぜひ最後までお読みください。

この記事を通して、VHDLの論理合成が、少しでも身近に感じられるようになれば幸いです。

VHDLの基本的な文法から、より高度な応用技術までを段階的に学べる内容となっておりますので、一つ一つ順番に進めていくことをおすすめします。

それでは、まずVHDLの基本的な概念から、その背景や特徴を簡単に触れながら、論理合成の手法やサンプルコードを交えて、実際の手順や応用例を詳しく解説していきましょう。

●VHDLとは

VHDLは「VHSIC Hardware Description Language」の略称であり、高度集積回路のハードウェア記述言語として広く知られています。

これはデジタルシステムの設計やモデリングのために用いられる言語で、ハードウェアの振る舞いや構造をテキストベースで記述することができます。

VHDLは、ハードウェア設計の世界での主要なツールの一つとして位置づけられています。

○VHDLの歴史と背景

1980年代初頭、米国防総省の主導の下、VHSIC（Very High-Speed Integrated Circuit）プログラムの一環としてVHDLが開発されました。

その主な目的は、デジタルシステムの設計の標準化を促進することでした。

時を経て、この言語は商業的な半導体設計の分野でも広く受け入れられるようになり、多くのハードウェアエンジニアがVHDLを使用して複雑な集積回路やFPGAの設計を行うようになりました。

○VHDLの特徴

VHDLは非常に表現力が豊かで、異なる抽象度レベルでのハードウェアの記述が可能です。

例えば、論理ゲートレベルから、システムレベルの高度なモデリングまで、幅広い設計手法をサポートしています。

加えて、強力なシミュレーションと検証の機能も持ち合わせており、設計の正確性を確保するための有効なツールとなっています。

また、VHDLには次のような特徴もあります。

シミュレーションのための豊富なデータ型と制御構造を持つ。
複数のエンジニアが共同で作業を行う大規模プロジェクトにも適している。
標準ライブラリやユーザー定義ライブラリを使用して、コードの再利用が容易。
ポータビリティが高く、さまざまなシミュレーションツールや合成ツールでの利用が可能。

次に、VHDLでの基本的なコードの記述方法やその実行結果について詳しく解説していきます。

●論理合成の基本

論理合成とは、HDL (Hardware Description Language) 言語で記述されたハードウェアの動作を、実際のハードウェアコンポーネントへと変換するプロセスを指します。

VHDLはこのHDLの中でも特に有名で、論理合成の過程において頻繁に使用されます。

○論理合成とは

論理合成を簡単に言えば、HDLで記述された抽象的なハードウェアの動作を具体的なハードウェアのレベルで実現する技術です。

この過程で、VHDLのコードは実際の回路（例：AND、OR、NAND、NORゲートなど）へと変換されます。

この変換を行うツールを論理合成ツールと呼びます。

このコードではVHDLを使ってシンプルなANDゲートを定義するコードを表しています。

この例では2つの入力信号を取り、AND操作を適用して出力信号を生成しています。

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

architecture Behavioral of Simple_AND_Gate is
begin
    -- ここでANDゲートの動作を定義
    Y <= A and B;
end Behavioral;

上記のコードを論理合成ツールを使って合成すると、2つの入力端子AとBを持つANDゲートが生成されます。

このANDゲートは、AとBの両方が’1’の場合のみ出力Yが’1’になるという動作をします。

○論理合成のメリット

論理合成には数多くのメリットがありますが、ここでは主な利点をいくつか挙げてみましょう。

❶抽象的な記述

VHDLなどのHDLを使用すると、ハードウェアの動作を高い抽象度で記述できます。

これにより、デザイナーは具体的なハードウェアの詳細を気にせずに設計を進めることができます。

❷再利用性

同じVHDLのコードを異なるターゲットハードウェアに合成することができるため、コードの再利用が容易になります。

❸シミュレーション

VHDLで記述されたコードは、論理合成前にシミュレーションを行うことができます。

これにより、動作の正確性を事前に確認することが可能となり、設計の効率が向上します。

❹ハードウェアとソフトウェアの間のギャップを埋める

論理合成を使用すると、ソフトウェアの開発者がハードウェアの開発に関与しやすくなります。

HDLを使用してハードウェアの動作を記述することで、ソフトウェアの開発者もハードウェアの設計に貢献できるようになります。

●VHDLでの論理合成の手順

VHDLの強力さを理解するには、その論理合成の手順を知ることが不可欠です。

論理合成とは、高レベルの言語で書かれたハードウェア記述を、実際のハードウェア、例えばFPGAやASICにマッピングするための過程のことを指します。

VHDLでの論理合成は、VHDLで記述されたコードを実際の回路に変換する手順のことを指します。

ここでは、その手順と具体的なサンプルコードを交えて説明します。

○サンプルコード1：VHDLの基本文法

このコードでは、VHDLの基本的な文法を使って、単純なANDゲートを実装するコードを表しています。

この例では、入力信号AとBを受け取り、そのAND結果を出力信号Yとして出力しています。

entity AND_GATE is
    port (
        A : in std_logic;
        B : in std_logic;
        Y : out std_logic
    );
end entity AND_GATE;

architecture Behavior of AND_GATE is
begin
    process (A, B)
    begin
        Y <= A and B;  -- AND演算
    end process;
end architecture Behavior;

このコードをシミュレーションすると、入力信号AとBの両方が’1’の時のみ、出力信号Yも’1’となることが確認できます。それ以外の場合、Yは’0’になります。

○サンプルコード2：論理ゲートの記述

次に、ORゲートをVHDLで記述する方法を見てみましょう。

このコードでは、ORゲートの動作を模倣して、入力信号AまたはBのいずれかが’1’の場合、出力信号Yを’1’にするコードを表しています。

entity OR_GATE is
    port (
        A : in std_logic;
        B : in std_logic;
        Y : out std_logic
    );
end entity OR_GATE;

architecture Behavior of OR_GATE is
begin
    process (A, B)
    begin
        Y <= A or B;  -- OR演算
    end process;
end architecture Behavior;

このコードを適用すると、入力信号AまたはBのどちらか、あるいは両方が’1’の時、出力信号Yも’1’になることがわかります。

○サンプルコード3：順序回路の作成

順序回路は、現在の入力と過去の状態に基づいて動作する回路のことを指します。

Dフリップフロップを実装するVHDLのコードを紹介します。

このコードでは、クロック信号clkの立ち上がりエッジで、入力信号Dの値を出力信号Qに転送しています。

entity D_FF is
    port (
        clk : in std_logic;
        D   : in std_logic;
        Q   : out std_logic
    );
end entity D_FF;

architecture Behavior of D_FF is
    signal Q_internal : std_logic := '0';
begin
    process (clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then  -- clkの立ち上がりエッジで動作
            Q_internal <= D;
        end if;
    end process;
    Q <= Q_internal;
end architecture Behavior;

このコードを利用することで、Dの値がクロック信号の立ち上がりエッジでQに反映されることが確認できます。

○サンプルコード4：テストベンチの利用

VHDLで記述したコードの動作を確認するためには、テストベンチを使用します。

テストベンチは、VHDLでのシミュレーションのための環境を提供するコードのことを指します。

上述したDフリップフロップの動作を確認するためのテストベンチのサンプルコードを紹介します。

entity D_FF_TB is
end entity D_FF_TB;

architecture sim of D_FF_TB is
    signal clk_test : std_logic := '0';
    signal D_test   : std_logic;
    signal Q_test   : std_logic;
    component D_FF
        port (
            clk : in std_logic;
            D   : in std_logic;
            Q   : out std_logic
        );
    end component;
begin
    UUT: D_FF
        port map (
            clk => clk_test,
            D   => D_test,
            Q   => Q_test
        );
    clk_process : process
    begin
        wait for 10 ns;
        clk_test <= not clk_test;  -- クロック信号の生成
    end process;
    test_process : process
    begin
        D_test <= '0';
        wait for 20 ns;
        D_test <= '1';
        wait for 20 ns;
    end process;
end architecture sim;

このテストベンチを使用して、Dフリップフロップの動作をシミュレーションすると、20ns後にDが’1’になった瞬間に、Qも’1’になることが確認できます。

●応用例とサンプルコード

VHDLを使用する際には、基本的な文法や構文を知るだけでは十分ではありません。

実際の応用例やサンプルコードを通じて、さまざまな論理回路やデバイスとの接続方法、データ処理の方法など、VHDLの実用的な側面を深く理解することが重要です。

○サンプルコード5：複雑な論理回路の実装

複雑な論理回路の実装には、複数の基本ゲートを組み合わせる必要があります。

下記のコードでは、XORゲートを使って排他的論理和を計算するコードを表しています。

この例では、入力信号AとBが異なる場合に、出力信号Yが’1’になることを表しています。

entity XOR_GATE is
    port (
        A : in std_logic;
        B : in std_logic;
        Y : out std_logic
    );
end entity XOR_GATE;

architecture Behavior of XOR_GATE is
begin
    process (A, B)
    begin
        Y <= A nand (A and B) or B nand (A and B);  -- XOR演算の実装
    end process;
end architecture Behavior;

このコードをシミュレーションすると、AとBが異なる場合にのみ、Yが’1’になることがわかります。同じ場合は、Yは’0’となります。

○サンプルコード6：外部デバイスとの接続

多くの場合、VHDLで記述された回路は、実際のデバイスや外部のシステムと接続する必要があります。

下記のコードは、外部の7セグメントディスプレイとの接続を表しています。

この例では、4ビットの入力を取り、7セグメントディスプレイに対応する出力を生成します。

entity SEG7_DISPLAY is
    port (
        INPUT : in std_logic_vector(3 downto 0);
        OUTPUT : out std_logic_vector(6 downto 0)
    );
end entity SEG7_DISPLAY;

architecture Behavior of SEG7_DISPLAY is
begin
    process (INPUT)
    begin
        case INPUT is
            when "0000" => OUTPUT <= "1000000"; -- 0を表示
            when "0001" => OUTPUT <= "1111001"; -- 1を表示
            -- 以降、2から9までの表示を実装
            when others => OUTPUT <= "1111111"; -- 未定義の入力
        end case;
    end process;
end architecture Behavior;

このコードにより、0から9までの数字が7セグメントディスプレイに表示されます。

入力と出力のマッピングを適切に設定することで、任意のディスプレイパターンを生成することが可能です。

○サンプルコード7：VHDLでのデータ処理

VHDLでは、データ処理のための複雑なアルゴリズムも実装できます。

下記のコードは、4ビットの2つの入力を加算して、5ビットの出力を生成する加算器のコードを表しています。

entity ADDER is
    port (
        A : in std_logic_vector(3 downto 0);
        B : in std_logic_vector(3 downto 0);
        SUM : out std_logic_vector(4 downto 0)
    );
end entity ADDER;

architecture Behavior of ADDER is
begin
    process (A, B)
    begin
        SUM <= A + B;  -- 2つの4ビット数の加算
    end process;
end architecture Behavior;

このコードを実行すると、AとBの入力値に応じた5ビットの加算結果がSUMとして出力されます。

○サンプルコード8：複数のモジュールを結合

VHDLでは、異なるモジュールやエンティティを結合して、より大きなシステムや回路を構築することができます。

下記のコードは、先ほど紹介した加算器と7セグメントディスプレイの接続を表しています。

entity MAIN_SYSTEM is
    port (
        A : in std_logic_vector(3 downto 0);
        B : in std_logic_vector(3 downto 0);
        DISPLAY : out std_logic_vector(6 downto 0)
    );
end entity MAIN_SYSTEM;

architecture Behavior of MAIN_SYSTEM is
    signal SUM : std_logic_vector(4 downto 0);
    component ADDER
        port (
            A : in std_logic_vector(3 downto 0);
            B : in std_logic_vector(3 downto 0);
            SUM : out std_logic_vector(4 downto 0)
        );
    end component;
    component SEG7_DISPLAY
        port (
            INPUT : in std_logic_vector(3 downto 0);
            OUTPUT : out std_logic_vector(6 downto 0)
        );
    end component;

begin
    ADDER_INST: ADDER
        port map (A, B, SUM);
    DISPLAY_INST: SEG7_DISPLAY
        port map (SUM(3 downto 0), DISPLAY);
end architecture Behavior;

このコードでは、入力AとBを加算し、その結果を7セグメントディスプレイに表示します。

モジュール間の接続や信号の伝播を適切に設定することで、複数のモジュールを効果的に結合することができます。

○サンプルコード9：最適化とシミュレーション

VHDLで設計された回路は、実際のハードウェアに実装する前に、シミュレーションや最適化の工程を経ることが多いです。

VHDLで記述された回路のシミュレーションを行うためのテストベンチの一例を紹介します。

entity TESTBENCH is
end entity TESTBENCH;

architecture sim of TESTBENCH is
    signal clk_test : std_logic := '0';
    signal D_test : std_logic;
    signal Q_test : std_logic;
    component D_FF
        port (
            clk : in std_logic;
            D   : in std_logic;
            Q   : out std_logic
        );
    end component;
begin
    UUT: D_FF
        port map (
            clk => clk_test,
            D   => D_test,
            Q   => Q_test
        );
    clk_process : process
    begin
        wait for 10 ns;
        clk_test <= not clk_test;  -- クロック信号の生成
    end process;
    test_process : process
    begin
        D_test <= '0';
        wait for 20 ns;
        D_test <= '1';
        wait for 20 ns;
    end process;
end architecture sim;

このテストベンチを使用して、回路の動作をシミュレーションすることができます。

この例では、Dフリップフロップの動作をテストしています。

○サンプルコード10：実機への転送と実行

VHDLで設計された論理合成の結果を実際のハードウェアに転送し、実際に動作させるための手順は、FPGAやASICの開発において重要な工程の一つです。

VHDLからハードウェア記述言語への変換や、デバイスへの転送を行うためのツールは、多くの開発環境で提供されています。

VHDLで設計された回路を実際のデバイスに転送し、動作を確認するためのサンプルコードとその説明をします。

このコードでは、FPGAの設定用に用意されたVHDLファイルを読み込み、実際のハードウェアデバイスへの転送を行う手順を表しています。

この例では、FPGAにVHDLで記述された加算器の回路をダウンロードして動作させます。

-- 加算器のエンティティ定義
entity Adder is
    port(
        A : in std_logic_vector(3 downto 0);
        B : in std_logic_vector(3 downto 0);
        SUM : out std_logic_vector(4 downto 0)
    );
end entity Adder;

architecture Behavior of Adder is
begin
    process(A, B)
    begin
        SUM <= A + B;
    end process;
end architecture Behavior;

このコードは、4ビットの2つの入力AとBを取り、それらを加算した結果をSUMとして出力します。

このVHDLコードを開発ツールを使用して論理合成し、FPGAにダウンロードすることで、ハードウェア上での動作を確認することができます。

加算器の動作を確認するには、実際にFPGAに接続されたスイッチやLEDを操作して、入力と出力を観察します。

たとえば、Aに”0010″(2)、Bに”0011″(3)を入力すると、SUMの出力は”0101″(5)となります。

開発ツールには、VHDLからハードウェア記述言語への変換、合成、配置配置、ルーティングなどの機能があり、これらを適切に使用することで、VHDLで設計された論理回路を実際のデバイスに実装することができます。

●注意点と対処法

VHDLでの論理合成やハードウェアへの実装にはいくつかの注意点があります。

一つ目の注意点として、VHDLの記述がハードウェアとして実装可能であることを確認することが挙げられます。

実装が難しい複雑な回路や、リソースの制約を超える設計になっていないかをチェックする必要があります。

次に、論理合成の結果を確認することも重要です。

特に、合成後の回路が設計意図通りの動作をするかをシミュレーションツールを用いてテストすることをおすすめします。

このコードでは、VHDLでの論理合成の注意点や、ハードウェアに実装する際のポイントについて表しています。

この例では、FPGAのリソースを適切に利用し、効率的な合成結果を得るためのヒントや技術を取り上げています。

-- 注意点: リソースの効率的な利用
entity EfficientAdder is
    port(
        A : in std_logic_vector(3 downto 0);
        B : in std_logic_vector(3 downto 0);
        SUM : out std_logic_vector(4 downto 0)
    );
end entity EfficientAdder;

architecture Behavior of EfficientAdder is
    signal temp : std_logic_vector(4 downto 0);
begin
    process(A, B)
    begin
        temp <= A + B;
        SUM <= temp;
    end process;
end architecture Behavior;

この例のように、合成結果を最適化するための工夫や、ハードウェアの制約に合わせて設計を行うことが重要です。

●カスタマイズの方法

VHDLは高い柔軟性を持つ言語であり、様々な用途やニーズに合わせてカスタマイズが可能です。

特に、論理合成を行う際の回路の挙動や出力結果をカスタマイズするための方法は、初心者から上級者まで多くのエンジニアにとって興味深いトピックとなっています。

今回は、その中でも基本的でありながら実用的なカスタマイズ方法をいくつか取り上げ、サンプルコードと共に詳しく解説します。

○カスタマイズ例1：出力波形の調整

このコードでは、VHDLを用いて特定の出力波形を生成する方法表しています。

この例では、PWM（Pulse Width Modulation）のような変調波形を生成してLEDの明るさを制御しています。

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

entity pwm_generator is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           pwm_out : out STD_LOGIC);
end pwm_generator;

architecture Behavioral of pwm_generator is
    signal cnt : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000000";
    constant pwm_value : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "01100100";  -- PWM値の設定
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            cnt <= cnt + 1;
            if cnt < pwm_value then
                pwm_out <= '1';
            else
                pwm_out <= '0';
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、8ビットカウンタを使ってPWM信号を生成しています。

cntがpwm_valueより小さい場合、pwm_outは’1’になり、そうでない場合は’0’になります。

この結果、LEDの明るさがpwm_valueに従って変わります。

○カスタマイズ例2：遅延の導入

回路に意図的に遅延を導入することで、出力のタイミングを調整することができます。

下記のコードは、入力信号に対して特定のクロック周期数だけ遅延を加えるサンプルコードです。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity delay_module is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input_signal : in STD_LOGIC;
           delayed_output : out STD_LOGIC);
end delay_module;

architecture Behavioral of delay_module is
    signal delay_buffer : STD_LOGIC_VECTOR(4 downto 0) := "00000";  -- 5クロック遅延
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            delay_buffer <= input_signal & delay_buffer(4 downto 1);
            delayed_output <= delay_buffer(4);
        end if;
    end process;
end Behavioral;

この例では、5クロック周期の遅延を導入しています。

入力信号はdelay_bufferに格納され、指定したクロック周期数後にdelayed_outputとして出力されます。