VHDL減算入門!10の実践サンプルコードを紹介

VHDL減算の基本から応用までのサンプルコード VHDL

 

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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。

基本的な知識があればカスタムコードを使って機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

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はじめに

VHDLの減算を学ぶことは、デジタル回路の設計において非常に重要なスキルの一つです。

特に、VHDLを学び始めたばかりの初心者の方にとって、減算の仕組みや実践的な使い方を理解することは必要不可欠です。

この記事では、VHDLにおける減算の基本から、さまざまな実践的なサンプルコードを交えて、初心者でもわかりやすく解説していきます。

VHDL減算の基本から応用までのサンプルコードによって、読者の方々のスキルアップに役立てることを目指します。

デジタルロジック設計の世界では、減算は算術演算の中でも基本的な操作の一つです。

VHDLでの減算の正確な方法を理解することで、より複雑なロジック設計に挑戦する準備が整います。

また、VHDLのコードを書く際には、データ型やビット長、オーバーフローといった要素を考慮する必要があります。

これらの要素を適切に扱うことで、正確な動作をする回路を設計することができます。

本記事を通じて、VHDLの減算に関する知識を深め、実際のプロジェクトでの応用力を高めていく手助けとなることを期待しています。

それでは、VHDLの減算の魅力を一緒に学んでいきましょう。

●VHDLとは

VHDL(VHSIC Hardware Description Language)は、超高速集積回路(VHSIC)のハードウェア記述言語として、1980年代にアメリカ国防総省によって開発されました。

デジタル回路やFPGA(Field Programmable Gate Array)の設計・シミュレーションのための言語として広く使用されています。

VHDLの最も顕著な特徴は、ハードウェアの動作を高レベルで記述できることです。

これにより、エンジニアは回路の実装詳細を気にすることなく、システムの動作やロジックを焦点にして設計を進めることができます。

しかし、VHDLを効果的に使用するためには、その基本的な概念や構文を正確に理解する必要があります。

特に、数値演算、特に減算、に関しては初心者には難しい部分もあるため、その基本と実践的な使い方を詳しく解説していきます。

●VHDLでの減算の基本

VHDLにおける減算は、他の多くのプログラミング言語と同様に、簡単に実行することができます。

ただし、ハードウェアの特性を考慮する必要があるため、いくつかのポイントを押さえる必要があります。

○減算演算子について

VHDLにおける減算は、「-」記号を使用して行います。

この減算演算子は、整数や浮動小数点数、そして固定小数点数などの様々なデータ型に対して使用することができます。

-- このコードでは整数の減算を示しています。
-- この例では、10から5を引いて5という結果を得ています。
signal a, b, result : integer;
begin
    a <= 10;
    b <= 5;
    result <= a - b;  -- 減算の結果は5
end;

上記のサンプルコードでは、整数値10から5を引く簡単な減算を表しています。

このコードを実行すると、変数「result」には減算の結果として5が格納されます。

●VHDLでの減算の実践的な使い方

VHDLでの減算の実践的な使い方を理解するためには、基本的な構文から応用までのサンプルコードを通じて、その使い方をマスターすることが大切です。

それでは、VHDLにおける減算の基本から応用的なサンプルコードまで、初心者でもわかりやすく解説しています。

○サンプルコード1:基本的な減算

まず最初に、VHDLでの基本的な減算を行うコードを表します。

この例では、2つの8ビットの信号を定義し、その減算結果を出力するシンプルなものです。

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

entity basic_sub is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           C : out  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end basic_sub;

architecture Behavioral of basic_sub is
begin
    C <= A - B; -- AとBの差をCに代入
end Behavioral;

このコードでは、AとBの2つの8ビット信号を入力として受け取り、その差をCという信号に出力しています。

例えば、Aが”10011010″、Bが”01100101″の場合、Cの結果は”00110101″となります。

○サンプルコード2:ビット長を考慮した減算

VHDLでの減算を行う際には、ビット長の違いに注意する必要があります。

下記のサンプルコードでは、異なるビット長の信号間での減算を表しています。

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

entity bit_length_sub is
    Port ( X : in  STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           Y : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           Z : out  STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end bit_length_sub;

architecture Behavioral of bit_length_sub is
    signal Y_extended : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
begin
    Y_extended <= "00000000" & Y; -- Yを16ビットに拡張
    Z <= X - Y_extended;
end Behavioral;

このコードでは、16ビットのXと8ビットのYの信号を入力として受け取ります。

しかし、ビット長が異なる信号同士での減算は直接行えないため、Yを16ビットに拡張してから、Xとの減算を行います。

この結果、Z信号にはXとYの差が出力されます。

例として、Xが”1001101010011010″、Yが”01100101″の場合、Zの結果は”1001101000100001″となります。

○サンプルコード3:オーバーフロー対策を含む減算

減算を行う際には、オーバーフローが生じる可能性があります。

オーバーフローが生じると、期待した結果と異なる値が得られることがあるため、注意が必要です。

下記のサンプルコードでは、オーバーフローが生じた場合にはエラー信号を出力するような減算を行っています。

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

entity overflow_sub is
    Port ( P : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           Q : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           R : out  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           error : out STD_LOGIC); -- オーバーフロー時に'1'を出力
end overflow_sub;

architecture Behavioral of overflow_sub is
begin
    process(P, Q)
    begin
        if P < Q then -- QがPより大きい場合、オーバーフローと判定
            error <= '1';
            R <= "00000000"; -- エラー時は0を出力
        else
            error <= '0';
            R <= P - Q;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、PとQの信号を入力として受け取り、減算結果をRとして出力します。

もしQがPより大きい場合は、オーバーフローが生じるため、エラー信号を’1’とし、Rには”00000000″を出力します。

一方で、PがQ以上の場合は正常に減算を行い、その結果をRに出力します。

例えば、Pが”01100101″、Qが”10011010″の場合、エラー信号は’1’となり、Rの結果は”00000000″となります。

○サンプルコード4:異なるデータ型間の減算

VHDLを使用する上で、異なるデータ型間での減算を行いたくなる場面が考えられます。

例として、整数型(integer)と標準のSTD_LOGIC_VECTORの間での減算を行ってみましょう。

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

entity datatype_sub is
    Port ( S : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           T : in  integer range 0 to 255;
           U : out  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end datatype_sub;

architecture Behavioral of datatype_sub is
    signal T_vector : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
    T_vector <= conv_std_logic_vector(T, 8);  -- 整数型を8ビットのベクトルに変換
    U <= S - T_vector; 
end Behavioral;

このコードでは、STD_LOGIC_VECTOR型のSと、整数型のTを使って減算を行っています。

VHDLにおいて、異なるデータ型同士の演算は直接行うことができません。

そこで、整数型のTをSTD_LOGIC_VECTOR型に変換する操作が必要になります。

この変換はconv_std_logic_vector関数を使って実施しています。

この変換を行った後、SとTの差をUという信号に出力しています。

この例を用いることで、例えばSが”01100101″、Tが整数の100の場合、T_vectorは”01100100″となります。

そしてUの結果は、SとT_vectorの差である”00000001″となります。

注意点として、整数型の入力値Tの範囲を0から255としています。

これは、8ビットのSTD_LOGIC_VECTORが表現できる最小値と最大値に対応しています。

範囲外の値が入力されるとエラーが発生するため、設計段階でこの範囲を超えないよう注意が必要です。

また、STD_LOGIC_VECTORは符号なしの整数として扱われますが、符号付き整数型(signed)との減算を行いたい場面も考えられます。

そのためのサンプル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_SIGNED.ALL;

entity signed_sub is
    Port ( V : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           W : in  signed(7 downto 0);
           X : out  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end signed_sub;

architecture Behavioral of signed_sub is
begin
    X <= conv_std_logic_vector(V - W, 8);
end Behavioral;

このコードでは、符号付き整数型のWとSTD_LOGIC_VECTOR型のVの減算を行っています。

VとWの差をXに出力しています。

符号付き整数型は正と負の両方の値を持つことができるため、計算結果も負になる可能性があります。

この場合、Xの値も二進補数形式で表示されます。

例として、Vが”01100101″、Wが符号付き整数の-3の場合、Wは二進補数形式で”11111101″となります。

そしてXの結果は、VとWの差である”10001010″となります。

●VHDLでの減算の応用例

VHDLでの減算は、基本的な計算から高度なアプリケーションまで幅広く活用されます。

ここでは、具体的な応用例をいくつかのサンプルコードと共にご紹介します。

○サンプルコード5:減算を用いたカウンター制御

VHDLを使ったカウンター制御には減算がしばしば用いられます。

例えば、ある特定の値からカウントダウンしていく場面などでの実装が考えられます。

次のコードは、8ビットのカウンターが100から0までカウントダウンするシンプルな例です。

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

entity countdown is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           count_val : out INTEGER RANGE 0 TO 100);
end countdown;

architecture Behavioral of countdown is
signal count : INTEGER RANGE 0 TO 100 := 100;
begin
process(clk, rst)
begin
    if rst = '1' then
        count <= 100;
    elsif rising_edge(clk) then
        if count > 0 then
            count <= count - 1;
        end if;
    end if;
end process;

count_val <= count;
end Behavioral;

このコードでは、カウンター制御を行うために減算を活用しています。

clkが立ち上がるたびに、countの値が1ずつ減少します。

rstが’1’になると、countは100にリセットされます。

○サンプルコード6:減算を活用したアルゴリズム

減算は、アルゴリズムの中で変数の値を調整するのにも使われます。

たとえば、特定の条件下での変数の補正に減算を利用することができます。

-- 省略 --
signal value : INTEGER RANGE 0 TO 255 := 150;
signal correction : INTEGER RANGE -50 TO 50 := -10;

begin
process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if value + correction >= 0 then
            value <= value + correction;
        else
            value <= 0;
        end if;
    end if;
end process;
-- 省略 --

この例では、valueの値にcorrectionの値を加えて補正を行っています。

もしvalue + correctionが0より小さい場合は、valueを0に設定します。

○サンプルコード7:減算結果の条件分岐

減算の結果をもとに条件分岐を行うこともできます。

2つの入力信号の差をとり、その結果に応じて異なる処理を行う例を紹介します。

-- 省略 --
signal input1, input2 : INTEGER RANGE 0 TO 100;
signal diff : INTEGER RANGE -100 TO 100;
signal result : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

begin
process(input1, input2)
begin
    diff <= input1 - input2;

    if diff > 10 then
        result <= "10000000";
    elsif diff <= 10 and diff >= -10 then
        result <= "01000000";
    else
        result <= "00100000";
    end if;
end process;
-- 省略 --

このコードでは、input1とinput2の差(diff)に基づいて、resultの値を設定しています。

diffの値に応じて3つの異なるパターンのビット列がresultに割り当てられます。

○サンプルコード8:減算を用いた信号処理

VHDLの減算を使って、信号処理をどのように行うかを解説します。

特に、VHDLでの信号処理は、デジタルシステムにおいて非常に一般的であり、減算はその中でも基本的な演算の一つです。

このコードでは、2つの信号を入力として受け取り、それらの信号の差を計算して出力するものを表しています。

この例では、入力信号AとBを取得して、AからBを減算し、結果を出力信号として得ています。

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

entity SignalSubtractor is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           Result : out  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end SignalSubtractor;

architecture Behavioral of SignalSubtractor is
begin
    -- AからBを減算して、結果を出力する
    Result <= A - B;
end Behavioral;

この例では8ビットの信号AとBを入力として受け取り、その差を8ビットのResultとして出力しています。

減算は、内部で算術減算を使用して行われます。

このような信号処理は、例えば音声や画像などのデジタル信号の差分を計算する場面などで活用されることが考えられます。

減算結果は、信号間の差異や変化を示すため、センサーのデータ変化の検出やエラーの検出などに役立てられます。

信号Aが"10010110"、信号Bが"01101101"の場合、結果の出力信号は"10010110"から"01101101"を減算した"00101011"となります。

次に、VHDLの減算を利用して、より複雑な信号処理を行う方法について紹介します。

例として、信号のピークを検出するアルゴリズムを考えてみましょう。

ピーク検出は、信号が一定のしきい値よりも大きくなった場合、または小さくなった場合に、ピークとして検出するものです。

○サンプルコード9:減算を用いたフィルタ設計

信号処理におけるフィルタは、特定の周波数帯域の信号を抽出または除去するために使用される重要な要素です。

VHDLを使用して、減算を中心としたフィルタの設計を行うことも可能です。

このコードでは、簡単な差分フィルタを用いて、入力信号からノイズを除去するフィルタを実装します。

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

entity DiffFilter is
    Port ( clk : in  STD_LOGIC;
           signal_in : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           signal_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end DiffFilter;

architecture Behavioral of DiffFilter is
    signal prev_signal : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000000"; -- 前回の信号値を保存
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            signal_out <= signal_in - prev_signal; -- 現在の信号から前回の信号を減算
            prev_signal <= signal_in; -- 現在の信号を保存
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、クロックの立ち上がりエッジごとに現在の入力信号値と前回の入力信号値の差を出力としています。

これにより、入力信号の急激な変動(ノイズ)を検出することができます。

例えば、入力信号が連続して「1001」、「1011」、「1010」と変化した場合、出力は「0000」、「0010」、「1111」となります。

このように、入力信号の差分を取ることで、信号の変動を明確に検出することができます。

しかし、この方法だけでは全てのノイズを除去することはできません。

実際のノイズ除去には、異なる周波数帯域でのフィルタリングや、他の信号処理技術との組み合わせが必要です。

また、実際のアプリケーションに合わせて、フィルタの設計やパラメータの調整も必要になります。

次に、このフィルタを適用した場合の出力例を考えてみましょう。

例えば、入力信号が「1000」、「1100」、「1110」と変化した場合、このフィルタを適用すると、出力は「0000」、「0100」、「0010」となります。

これにより、入力信号の変動を直接的に捉えることができ、それを基にノイズの除去や信号の調整を行うことができます。

VHDLでのフィルタ設計は、実際のハードウェアに組み込むことで、リアルタイムでの高速な信号処理を実現することができます。

減算を中心としたこのようなシンプルなフィルタは、初心者にも実装しやすく、VHDLの学習や実践において非常に有用です。

このフィルタ設計の応用として、複数の差分フィルタを組み合わせて、より高度な信号処理やノイズ除去を行うことも考えられます。

また、他の算術演算子やロジックを組み合わせることで、さらに高度なフィルタ設計も可能です。

VHDLの可能性は無限大であり、減算を始めとした基本的な演算を駆使して、多様なアプリケーションの設計に挑戦することが期待されます。

○サンプルコード10:減算の高度な応用例

VHDLの減算は、シンプルな計算だけでなく、高度な応用例でも活用されています。

今回は、VHDLの減算を利用した高度なアルゴリズムの一例を紹介します。

このコードでは、差分を取ることで信号の変動を検出し、その変動が一定のしきい値以上であれば特定の動作を行う、というアルゴリズムを表しています。

具体的には、2つの入力値の差分を計算し、その差分が設定したしきい値を超えた場合に、出力信号をトリガーします。

このようなロジックは、ノイズを含む信号から特定のイベントを検出する際に非常に役立ちます。

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

entity DiffTrigger is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           Threshold : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           Trigger : out STD_LOGIC);
end DiffTrigger;

architecture Behavior of DiffTrigger is
begin
    process(A, B, Threshold)
    begin
        -- 入力値AとBの差分を計算
        if A - B > Threshold or B - A > Threshold then
            Trigger <= '1';  -- しきい値を超えた場合にトリガー
        else
            Trigger <= '0';
        end if;
    end process;
end Behavior;

この例では、入力信号AとBの差分がThresholdを超えた場合に、Trigger出力をアクティブにします。

差分の計算は、減算を活用して簡単に実現されています。

実際にこのコードを動かしてみると、例えばA=100, B=80, Threshold=10の場合、AとBの差分は20となります。

この差分はしきい値の10を超えるため、Triggerがアクティブになることがわかります。

このロジックは、物理的なセンサーからのデータ読み取りや、通信信号の変動検出など、さまざまな応用シーンで使用できます。

特に、ノイズが混じった環境下での正確な動作が求められる場合には、このような差分計算を用いたアプローチが有効です。

次に、このサンプルコードのカスタマイズ例として、しきい値を動的に変更できるようにする方法を考えてみましょう。

現状のコードではThresholdは固定値として入力されますが、このしきい値を外部から変更できるようにすることで、動的な環境下でも適切な検出精度を維持することが可能です。

そのためのサンプルコードを紹介します。

-- 以下の部分をDiffTriggerエンティティに追加
Port ( SetThreshold : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
...
process(A, B, SetThreshold)
begin
    Threshold <= SetThreshold;  -- しきい値を動的に設定
    ...
end process;

このようにして、SetThreshold入力を追加することで、しきい値を外部から動的に変更できるようになります。

これにより、システムの動的な状況に応じてしきい値を最適化することができるようになります。

●減算時の注意点と対処法

VHDLにおける減算の際には、いくつかの注意点と対処法を知っておくことが必要です。

特に、オーバーフローやアンダーフロー、さらには異なるビット長やデータ型間の操作が絡む場合、エラーや意図しない動作が生じる可能性があります。

○オーバーフローとアンダーフローの問題

減算の際、特定のビット長を超える結果や、0以下の結果が出ることがあります。

これはオーバーフローやアンダーフローとして知られ、予期しない動作を引き起こす原因となります。

このコードではオーバーフローとアンダーフローを検出する方法を表しています。

この例では2ビットの数値の減算を行い、オーバーフローやアンダーフローが発生した場合にはエラーメッセージを出力します。

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

entity subtraction is
port (
    A, B : in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
    Result : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
    ErrorMsg : out STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0)
);
end entity;

architecture Behavioral of subtraction is
begin
    process(A, B)
    begin
        if (A - B) < "00" then
            ErrorMsg <= "エラー";
        else
            Result <= A - B;
        end if;
    end process;
end architecture;

このコードを実行すると、例えばA=”10″, B=”11″の場合、結果としてErrorMsgに”エラー”がセットされることを確認できます。

一方、A=”10″, B=”01″の場合、正常にResult=”01″となることを確認できます。

○異なるビット長やデータ型間の操作の問題

VHDLでは異なるビット長やデータ型間の減算を直接行うことはできません。

そこで、ビット長を揃えるための変換や、一時的な変数を利用して間接的に減算を行う方法があります。

下記のサンプルコードでは、8ビットの数値Aと4ビットの数値Bの減算を行い、結果を8ビットの数値として出力する例を表します。

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

entity subtract_different_bits is
port (
    A : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    B : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
    Result : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0)
);
end entity;

architecture Behavioral of subtract_different_bits is
begin
    process(A, B)
    begin
        Result <= A - ("0000" & B);
    end process;
end architecture;

このコードを実行すると、例えばA=”10011010″、B=”1010″の場合、Resultに”10010100″が出力されることが確認できます。

このように、VHDLにおける減算時の注意点とその対処法を理解することで、より堅牢なデザインを実現することができます。

●VHDLでの減算のカスタマイズ方法

VHDLの減算を理解し、効果的に使用するためには、一歩進んでそのカスタマイズ方法にも目を向けることが重要です。

ここでは、VHDLの減算のカスタマイズ方法を中心に、より高度で効果的な使い方を探求していきます。

○サンプルコード11:カスタマイズ減算関数の作成

このコードでは、VHDLでカスタマイズされた減算関数を作成しています。

この例では、入力された数値から特定の値を減算する関数を実装しています。

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

entity custom_sub is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           Y : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end custom_sub;

architecture Behavioral of custom_sub is
function subtract_custom(a: STD_LOGIC_VECTOR; b: STD_LOGIC_VECTOR) return STD_LOGIC_VECTOR is
    variable temp : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
    -- ここでaからbを減算して、カスタマイズした処理を行う
    temp := a - b - "00000001"; -- 1をさらに引く
    return temp;
end function subtract_custom;

begin
    Y <= subtract_custom(A, B);
end Behavioral;

このコードでは、減算関数subtract_customを使って、通常の減算の結果からさらに1を引くカスタマイズを行っています。

このようなカスタマイズは、特定の処理において便利に利用できるでしょう。

コードの実行結果として、Yの出力ポートにはAからBを引いた結果からさらに1が引かれた値が返されます。

○サンプルコード12:減算の結果を範囲でクリッピング

減算の結果が特定の範囲を超えた場合、それをクリッピングして範囲内に収める必要があります。

このコードでは、減算の結果が0未満の場合は0、255を超える場合は255にクリッピングする例を表しています。

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

entity clip_sub is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           Y : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end clip_sub;

architecture Behavioral of clip_sub is
begin
process(A, B)
    variable temp : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
    temp := A - B;
    if temp < "00000000" then
        Y <= "00000000"; -- 結果が0未満の場合は0にクリッピング
    elsif temp > "11111111" then
        Y <= "11111111"; -- 結果が255を超える場合は255にクリッピング
    else
        Y <= temp;
    end if;
end process;
end Behavioral;

このコードの実行結果として、Yの出力ポートにはAからBを引いた結果が0~255の範囲にクリッピングされた値が返されます。

まとめ

VHDLの減算に関しての深い理解は、デジタル回路設計やシステム設計において非常に重要です。

この記事では、VHDLにおける減算の基本的な使い方から、より実践的で高度なカスタマイズ方法までを解説しました。

具体的には、カスタマイズされた減算関数の作成や、結果を特定の範囲でクリッピングする方法など、様々な応用例を通じて減算の多面的な使い方を紹介しました。

これらの知識を活用することで、VHDLを用いた設計作業がよりスムーズに、そして効果的に行えることでしょう。

VHDLの減算のカスタマイズは、要件や目的に応じて柔軟に実装することが可能です。

これらの基本的なコンセプトやテクニックを基盤として、さらに高度な設計や応用へとステップアップしていくことをお勧めします。