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VHDLでのワンショットパルスの完璧な作り方5選

VHDLを使用したワンショットパルスの詳細な作成方法 VHDL
2023.08.12
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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

VHDLを利用してワンショットパルスを作成する際の方法について、初心者から上級者までの方が理解しやすいように詳しく解説します。

ワンショットパルスは、特定の条件下で一度だけ発生するパルスを指し、様々なデジタル回路設計で用いられる技術です。

この記事では、VHDLでのワンショットパルスの完璧な作り方5選をメインに、使い方やカスタマイズ方法、注意点などを詳細に紹介します。

サンプルコードを交えながら、その動作や実装方法についても触れていきます。

是非、この記事を通じて、VHDLでのワンショットパルス作成の知識を深めてください。

●VHDLとは？

VHDLは、VHSIC Hardware Description Languageの略で、デジタル回路の設計やシミュレーションに用いられる言語です。

主にFPGAやASICの設計で使用され、ハードウェアをソフトウェアのように記述してシミュレーションや合成を行うことができます。

○VHDLの基本的な概念

VHDLには、エンティティ、アーキテクチャ、プロセスなどの基本的な要素があります。

エンティティは外部とのインターフェースを定義する部分、アーキテクチャはその動作を記述する部分となります。

また、プロセスはアーキテクチャ内に記述される動作のひとつひとつを表すブロックとなります。

これらの要素を組み合わせることで、複雑なデジタル回路の動作をVHDLで記述し、シミュレーションを行ったり実際のハードウェアに合成することができます。

●ワンショットパルスとは？

ワンショットパルスは、特定の条件下で一度だけ発生する短いパルスのことを指します。

このパルスは、特定のイベントを検出した際や、外部からの信号の変化をキャッチする際など、多くのデジタル回路設計で利用される重要な要素となります。

○ワンショットパルスの重要性と用途

ワンショットパルスは、ノイズやジッターの影響を受けにくく、信号の変化を確実に検出することができるため、多くの応用が考えられます。

例えば、外部からの入力信号のエッジ検出や、特定のタイミングでのアクション実行など、精密なタイミング制御が求められる場面で活躍します。

●VHDLでのワンショットパルスの作り方

VHDLは、デジタルシステムのハードウェア記述言語として広く使われています。

特に、FPGAやASICの設計において、信号処理の際にワンショットパルスが求められる場面が多々あります。

ワンショットパルスの生成は、一定の条件下で一度だけ出力される信号として、多様なデジタルシステムの設計で利用されます。

ここでは、VHDLを用いてワンショットパルスを実装する5つの方法を解説します。

それぞれのサンプルコードと共に、その動作原理と実装のポイントを詳しく見ていきましょう。

○サンプルコード1：基本的なワンショットパルス

このコードでは、簡易的なワンショットパルスを生成する方法を表しています。

この例では、入力信号が立ち上がりエッジを検出した際に、ワンショットパルスを出力します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity OneShotPulse is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input : in STD_LOGIC;
           pulse : out STD_LOGIC);
end OneShotPulse;

architecture Behavioral of OneShotPulse is
    signal prev_input : STD_LOGIC := '0';
begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if input = '1' and prev_input = '0' then
            pulse <= '1';  -- ここでワンショットパルスが出力される
        else
            pulse <= '0';
        end if;
        prev_input <= input;
    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を基準に、入力信号の変化を検出します。

前回のクロックサイクルでの入力信号の状態をprev_inputという信号に保存しておき、現在の入力信号との差異を検出することで、ワンショットパルスを生成しています。

この方法により、入力信号が’1’に変わった瞬間だけ、pulse信号が’1’となります。

そして、次のクロックサイクルでは自動的に’0’に戻ります。

○サンプルコード2：遅延を持たせたワンショットパルス

このコードでは、立ち上がりエッジを検出した後、一定のクロックサイクルだけ遅延させてからワンショットパルスを出力する方法を表します。

この例では、3クロックサイクル後にワンショットパルスを出力しています。

続くサンプルコードでは、この遅延機能を実現するために、カウンタを利用しています。

-- ここでは、簡略化のためにサンプルコードの一部を紹介します。
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity DelayedOneShot is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input : in STD_LOGIC;
           pulse : out STD_LOGIC);
end DelayedOneShot;

architecture Behavioral of DelayedOneShot is
    signal prev_input : STD_LOGIC := '0';
    signal counter : integer range 0 to 3 := 0;
begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if input = '1' and prev_input = '0' and counter = 0 then
            counter <= 3;  -- カウンタを設定
        elsif counter > 0 then
            counter <= counter - 1;
        end if;
        prev_input <= input;
        if counter = 1 then
            pulse <= '1';
        else
            pulse <= '0';
        end if;
    end if;
end process;
end Behavioral;

このコードの要点は、立ち上がりエッジを検出した際に、カウンタを一定の値にセットし、その後毎クロックでカウンタの値を1ずつ減少させることです。

そして、カウンタが1のときにワンショットパルスを出力します。

このようにして、立ち上がりエッジから3クロックサイクル後にワンショットパルスを出力することができます。

○サンプルコード3：条件付きのワンショットパルス

このコードでは、特定の条件を満たすときだけワンショットパルスを出力する方法を表しています。

この例では、入力信号とともに与えられる条件信号が’1’である場合に限り、ワンショットパルスを出力します。

続くサンプルコードでは、この条件付きのワンショットパルスの実現方法を表しています。

-- ここでは、簡略化のためにサンプルコードの一部を紹介します。
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity ConditionalOneShot is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input : in STD_LOGIC;
           condition : in STD_LOGIC;  -- 条件信号
           pulse : out STD_LOGIC);
end ConditionalOneShot;

architecture Behavioral of ConditionalOneShot is
    signal prev_input : STD_LOGIC := '0';
begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if input = '1' and prev_input = '0' and condition = '1' then
            pulse <= '1';  -- 条件を満たす場合にワンショットパルスを出力
        else
            pulse <= '0';
        end if;
        prev_input <= input;
    end if;
end process;
end Behavioral;

このコードは、先ほどの基本的なワンショットパルスのコードと似ていますが、条件信号conditionの値も考慮してワンショットパルスを生成しています。

具体的には、conditionが’1’のときのみpulse信号が’1’になります。

このような条件付きのワンショットパルスは、特定の動作モードや設定下でのみパルスを生成するような応用が考えられます。

○サンプルコード4：外部信号を利用したワンショットパルス

このコードでは、外部からの信号を使ってワンショットパルスを生成する方法を表しています。

この例では、外部のenable信号が’1’のときのみ、ワンショットパルスを出力します。

続くサンプルコードでは、この外部信号を使ったワンショットパルスの実現方法を表しています。

-- ここでは、簡略化のためにサンプルコードの一部を紹介します。
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity ExternalOneShot is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input : in STD_LOGIC;
           enable : in STD_LOGIC;  -- 外部からのenable信号
           pulse : out STD_LOGIC);
end ExternalOneShot;

architecture Behavioral of ExternalOneShot is
    signal prev_input : STD_LOGIC := '0';
begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if input = '1' and prev_input = '0' and enable = '1' then
            pulse <= '1';  -- enable信号が'1'のときにワンショットパルスを出力
        else
            pulse <= '0';
        end if;
        prev_input <= input;
    end if;
end process;
end Behavioral;

このコードも先ほどの条件付きのワンショットパルスのコードと似ていますが、enable信号という外部からの信号を追加しています。

enable信号が’1’のときのみ、pulse信号が’1’となるようにしています。

外部のenable信号を利用することで、システム全体の動作を制御するような場面で、ワンショットパルスの生成を行うことができます。

○サンプルコード5：カスタマイズ可能なワンショットパルス

このコードでは、遅延の長さや条件など、様々なパラメータをカスタマイズできるワンショットパルスの生成方法を表しています。

この例では、遅延の長さを外部から設定可能にしています。

続くサンプルコードでは、このカスタマイズ可能なワンショットパルスの実現方法を表しています。

-- ここでは、簡略化のためにサンプルコードの一部を紹介します。
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity CustomizableOneShot is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input : in STD_LOGIC;
           delay_length : in integer range 1 to 10;  -- 遅延の長さを指定する入力
           pulse : out STD_LOGIC);
end CustomizableOneShot;

architecture Behavioral of CustomizableOneShot is
    signal prev_input : STD_LOGIC := '0';
    signal counter : integer range 0 to 10 := 0;
begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if input = '1' and prev_input = '0' and counter = 0 then
            counter <= delay_length;  -- カウンタを設定
        elsif counter > 0 then
            counter <= counter - 1;
        end if;
        prev_input <= input;
    end if;
end process;

process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if counter = 1 then
            pulse <= '1';
        else
            pulse <= '0';
        end if;
    end if;
end process;
end Behavioral;

このコードでは、外部からのdelay_length信号を使って、遅延の長さを指定できるようにしています。

delay_length信号の値に応じて、適切な遅延の後にワンショットパルスを生成します。

このように、外部からのパラメータを受け取ることで、ワンショットパルスの動作を柔軟にカスタマイズすることができます。

これにより、様々な応用や実験に適応することができるため、非常に便利です。

●VHDLでのワンショットパルスの応用例

ワンショットパルスは、その名の通り一度だけのパルスを生成するものです。

しかし、この一度きりの信号を応用することで、さまざまな動作を実現することができます。

○サンプルコード6：連続的なワンショットパルス

このコードでは、一定の間隔で連続的にワンショットパルスを生成する方法を表しています。

この例では、タイマーを用いて定期的にワンショットパルスを発生させています。

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

entity continuous_oneshot is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           pulse : out STD_LOGIC);
end continuous_oneshot;

architecture Behavioral of continuous_oneshot is
signal timer : integer range 0 to 1000000 := 0;
signal tmp_pulse : STD_LOGIC := '0';
begin
process(clk, reset)
begin
    if reset = '1' then
        timer <= 0;
        tmp_pulse <= '0';
    elsif rising_edge(clk) then
        if timer = 500000 then
            tmp_pulse <= '1';
            timer <= 0;
        else
            tmp_pulse <= '0';
            timer <= timer + 1;
        end if;
    end if;
end process;

pulse <= tmp_pulse;
end Behavioral;

このコードは、timerが500000に達した時点でワンショットパルスを生成します。

その後、タイマーは再び0からカウントを開始し、次のワンショットパルス生成に向けて動作を続けます。

連続的なワンショットパルスは、例えば定期的なタイミングでの動作確認や、特定のタイミングでの処理を行う場面などで使用することができます。

○サンプルコード7：デバウンスを組み込んだワンショットパルス

物理的なスイッチやボタンを使用する場合、スイッチのオンオフの際に不要なノイズや振動が発生することがあります。

このようなノイズを除去する技術をデバウンスと呼びます。

このコードでは、ワンショットパルス生成時にデバウンス処理を行う方法を表しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity debounce_oneshot is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input : in STD_LOGIC;
           pulse : out STD_LOGIC);
end debounce_oneshot;

architecture Behavioral of debounce_oneshot is
signal prev_input : STD_LOGIC := '0';
signal debounced_input : STD_LOGIC := '0';
signal tmp_pulse : STD_LOGIC := '0';
begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if input /= prev_input then
            debounced_input <= input;
            tmp_pulse <= '1';
        else
            tmp_pulse <= '0';
        end if;
        prev_input <= input;
    end if;
end process;

pulse <= tmp_pulse;
end Behavioral;

このコードでは、前回の入力と現在の入力が異なる場合にのみワンショットパルスを生成します。

これにより、短時間での誤動作を防ぐことができます。

デバウンスを組み込んだワンショットパルスは、ユーザーインターフェースやセンサーの読み取りなど、高い精度や信頼性が求められる場面での使用が推奨されます。

●注意点と対処法

VHDLにおけるワンショットパルスの設計には多くの利点がありますが、一方で注意すべき点や潜在的な問題も存在します。

ここでは、その主要な注意点と、それに対する対処法を深堀して解説します。

○VHDLの制約とワンショットパルスの注意点

VHDLでワンショットパルスを設計する際には、特に次のような点に注意を払う必要があります。

❶クロックスキュー

クロック信号が回路内のすべての部分に同時に届かないことがあり、これによりワンショットパルスのタイミングに影響が出る場合があります。

❷信号のセットアップとホールドタイム

ワンショットパルスの信号は、クロックの立ち上がりエッジや立ち下がりエッジの前後で十分なセットアップ時間とホールド時間が必要です。

下記のサンプルコードでは、ワンショットパルス生成の一例を表しています。

この例では、クロックエッジでのセットアップとホールドタイムを考慮したワンショットパルスの設計をしています。

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

entity oneshot_pulse is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           input_signal : in STD_LOGIC;
           pulse_out : out STD_LOGIC);
end oneshot_pulse;

architecture Behavioral of oneshot_pulse is
    signal prev_input : STD_LOGIC := '0';
begin
    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            pulse_out <= '0';
            prev_input <= '0';
        elsif rising_edge(clk) then
            if input_signal = '1' and prev_input = '0' then
                pulse_out <= '1';
            else
                pulse_out <= '0';
            end if;
            prev_input <= input_signal;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、入力信号input_signalが前のクロックサイクルで’0’で、現在のサイクルで’1’になった場合に、pulse_outを’1’にしてワンショットパルスを出力します。

リセット信号rstがアクティブの場合、出力は’0’にリセットされます。

このコードを適切に動作させるには、入力信号が十分なセットアップとホールドタイムを持つことが前提となります。

○対処法とベストプラクティス

❶適切な同期設計の実施

入力信号やワンショットパルスを生成するための信号は、クロックに同期して動作するようにする必要があります。

これにより、セットアップ時間やホールド時間の問題を回避できます。

❷適切なタイミング制約の適用

ワンショットパルスの正確な動作を確保するために、適切なタイミング制約を設計ツールに適用することが推奨されます。

❸テストベンチの活用

設計したワンショットパルスが正確に動作するかを確認するために、テストベンチを活用してシミュレーションを行うことが重要です。

●カスタマイズ方法

VHDLでワンショットパルスをカスタマイズする方法は数多くあります。

ワンショットパルスの動作を独自の要求に合わせて調整したい場合、これらのカスタマイズ手法を理解していることが重要です。

ここでは、VHDLでワンショットパルスをカスタマイズするためのテクニックと効果的な実装方法を詳しく解説します。

○ワンショットパルスのカスタマイズテクニック

ワンショットパルスの持続時間や発生条件など、動作をカスタマイズするためのテクニックを以下に示します。

□持続時間の調整

このコードでは、ワンショットパルスの持続時間を調整する方法を表しています。

具体的には、カウンターの値を変更することで、パルスの持続時間を簡単に変えることができます。

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

entity OneShot is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           trig : in STD_LOGIC;
           pulse_out : out STD_LOGIC);
end OneShot;

architecture Behavioral of OneShot is
    signal counter : integer := 0; -- カウンター
begin
process(clk, rst)
begin
    if rst = '1' then
        pulse_out <= '0'; 
        counter <= 0;
    elsif rising_edge(clk) then
        if trig = '1' then
            pulse_out <= '1';
            counter <= 10; -- ここでパルスの持続時間を調整。この例では10クロックサイクルとなる。
        elsif counter > 0 then
            counter <= counter - 1;
            if counter = 0 then
                pulse_out <= '0';
            end if;
        end if;
    end if;
end process;
end Behavioral;

このコードの動作を簡単に説明すると、trig信号が’1’になった際にpulse_outを’1’にし、カウンターを設定値に設定します。

その後、カウンターが0になるまでデクリメントし続け、0になったときにpulse_outを’0’にします。

○効果的なワンショットパルスの実装方法

ワンショットパルスの実装には、様々な方法がありますが、効果的な実装方法を採用することで、より高品質なシステムを構築することができます。

効果的なワンショットパルスの実装方法の一例を紹介します。

□状態遷移マシンを用いた実装

状態遷移マシン（FSM）を用いることで、パルスの持続時間や条件などを明確にし、カスタマイズしやすくなります。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity OneShot_FSM is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           trig : in STD_LOGIC;
           pulse_out : out STD_LOGIC);
end OneShot_FSM;

architecture Behavioral of OneShot_FSM is
    type state_type is (IDLE, ACTIVE);
    signal current_state, next_state : state_type;
begin
process(clk, rst)
begin
    if rst = '1' then
        current_state <= IDLE;
    elsif rising_edge(clk) then
        current_state <= next_state;
    end if;
end process;

process(current_state, trig)
begin
    case current_state is
        when IDLE =>
            if trig = '1' then
                pulse_out <= '1';
                next_state <= ACTIVE;
            else
                pulse_out <= '0';
                next_state <= IDLE;
            end if;
        when ACTIVE =>
            pulse_out <= '0';
            next_state <= IDLE;
    end case;
end process;
end Behavioral;

このFSMベースのコードは、システムの動作を明確にし、理解しやすくします。

特に複雑な条件や持続時間の設定が必要な場合、FSMを使用することで効果的なワンショットパルスの実装が可能となります。

状態遷移マシンを使用したこの例では、2つの状態、IDLEとACTIVEを持ち、trig信号が’1’になったときにACTIVE状態に遷移し、pulse_outを’1’にします。

次のクロックサイクルでIDLE状態に戻り、pulse_outを’0’にします。

まとめ

VHDLを使用してワンショットパルスをカスタマイズする方法は多岐にわたります。

持続時間の調整から、状態遷移マシンを用いた実装まで、様々なテクニックが存在します。

特に状態遷移マシンを使用することで、システムの動作を明確にし、理解しやすくすることができます。

適切なカスタマイズ方法を採用することで、ワンショットパルスの動作を目的に応じて調整し、効果的な実装を実現することが可能です。

VHDLにおけるワンショットパルスのカスタマイズは、システムの要件に合わせて適切に選択し、利用することが推奨されます。