VHDLプロセス文の秘訣10選!初心者でも今すぐマスター

VHDLのプロセス文の詳細解説とサンプルコードを提示する図VHDL
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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

デジタル回路の設計に使用される言語の1つであるVHDL。この中でも特に「プロセス文」はその核心をなす要素です。

VHDLのプロセス文は、初心者にとっては少し難解に感じるかもしれませんが、その仕組みや使い方をしっかり理解することで、より効率的かつ効果的な回路設計が可能になります。

この記事では、VHDLのプロセス文についての基本から応用、注意点までを10のサンプルコードとともに詳しく解説します。

このガイドを参照することで、初心者であってもプロセス文を今すぐマスターし、専門家の技を身につけることができるでしょう。

それでは、VHDLのプロセス文の世界へと一緒に足を踏み入れてみましょう。

●VHDLのプロセス文とは

プロセス文は、VHDLの中でも特に重要な役割を果たす構文です。

具体的には、デジタル回路の動作を模倣するためのものとして使用されます。

プロセス文の中では、複数の命令が順序良く実行されるため、複雑なロジックやタイミングの制御が可能となります。

○プロセス文の基本

プロセス文の基本的な形は次のようになります。

process
begin
    -- ここに命令を記述する
end process;

このコードでは、processからend process;までが1つのプロセス文を形成しています。

この例では、プロセス文の中で何も命令が書かれていませんが、実際にはこの中に様々な命令を記述して動作を制御します。

●VHDLプロセス文の詳細な使い方

○サンプルコード1:プロセス文の基本形

クロック信号が立ち上がった時に出力信号を反転する簡単な例を紹介します。

signal clk : std_logic;
signal out : std_logic;

process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        out <= not out;
    end if;
end process;

このコードでは、process(clk)という部分でクロック信号clkに変化があったときにプロセス文を実行するようにしています。

そして、if rising_edge(clk) thenの部分でクロックの立ち上がりエッジを検出し、その時点で出力信号outを反転しています。

このようなコードを実行すると、クロック信号が立ち上がるたびに出力信号が0から1、または1から0へと変化する動作が得られるでしょう。

○サンプルコード2:変数の扱い

VHDLでの設計では、変数はデータの一時的な保管や演算を行う際に極めて役立ちます。特にプロセス文内では、変数の使用が頻繁に行われます。

ここでは、VHDLのプロセス文内での変数の基本的な扱い方について詳しく解説します。

このコードではVHDLのプロセス文内で変数をどのように宣言し、使い方をするのかを表しています。

この例では、整数型の変数を宣言し、その変数に値を代入して加算しています。

process
    variable a : integer := 0; -- 整数型の変数aの宣言と初期化
    variable b : integer := 5; -- 整数型の変数bの宣言と初期化
begin
    a := a + b; -- 変数aに変数bの値を加算
end process;

上のサンプルコードを見てみると、variableキーワードを用いて、プロセス文内で変数abを宣言しています。

変数の初期値として、aは0、bは5が設定されています。

その後、変数abの値を加算する操作を行っています。

実際にこのコードを実行すると、変数aの値は最初に0が設定されていましたが、bの値5が加算された結果、aの値は5になります。

VHDLのプロセス文内での変数は、他のプロセス文や外部から直接アクセスすることはできません。

そのため、変数はそのプロセス文内でのみ有効となります。

また、変数の値はプロセス文が実行されるたびにリセットされることはなく、前回の実行時の値を保持しています。

○サンプルコード3:複数の信号の扱い

VHDLでのデザインにおいて、複数の信号を扱う場面は非常に多くなります。

特に、複数の入力信号や出力信号を持つモジュールを設計する際に、効率的に信号の読み取りや書き込みを行う方法を理解することは必須です。

このコードでは、複数の入力信号を受け取り、それらの信号を基に特定のロジック処理を行って出力信号を生成する方法を表しています。

この例では、3つの入力信号をANDゲートとORゲートを用いて処理しています。

-- サンプルコード
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity multiple_signals is
    Port ( A : in  STD_LOGIC;
           B : in  STD_LOGIC;
           C : in  STD_LOGIC;
           Y1 : out  STD_LOGIC;
           Y2 : out  STD_LOGIC);
end multiple_signals;

architecture Behavioral of multiple_signals is
begin
    -- ANDゲートによる信号処理
    process(A, B, C)
    begin
        Y1 <= A and B and C;  -- 三つの入力信号のAND
    end process;

    -- ORゲートによる信号処理
    process(A, B, C)
    begin
        Y2 <= A or B or C;   -- 三つの入力信号のOR
    end process;

end Behavioral;

上記のコードでは、3つの入力信号A、B、Cが与えられた場合、Y1はこれらの信号のAND結果を、Y2はORの結果を出力します。

このようにして、多数の信号をまとめて扱うことが可能です。

A、B、Cがそれぞれ’1’のとき、Y1も’1’になりますが、Y2は入力信号のいずれかが’1’であれば’1’を出力します。

つまり、上記のコードにおいてA、B、Cがすべて’1’の場合、Y1とY2の両方が’1’となります。

●プロセス文の応用例

VHDLのプロセス文は、その柔軟性と表現力から、多岐にわたる応用が可能です。

ここでは、その中から特に初心者が詰まりがちな応用例について、サンプルコードとともに詳しく解説していきます。

○サンプルコード4:計算処理を伴う例

このコードでは、VHDLでの算術計算の方法を表しています。

この例では、二つの入力信号AとBを受け取り、その合計と積を計算して、それぞれを出力信号SUMとPRODUCTに代入しています。

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

entity Calc is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           SUM : out  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           PRODUCT : out  STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end Calc;

architecture Behavior of Calc is
begin
    process(A, B)
    begin
        SUM <= A + B; -- 合計の計算
        PRODUCT <= A * B; -- 積の計算
    end process;
end Behavior;

上記のサンプルコードでは、8ビットの二つの信号AとBを用いて算術計算を行っています。

加算された結果はSUMに、乗算の結果はPRODUCTに出力されます。

VHDLでは、算術計算を行うためにSTD_LOGIC_ARITHSTD_LOGIC_UNSIGNEDのライブラリを利用しています。

これを実行すると、例えばAが”00000010″(2)、Bが”00000101″(5)の場合、SUMは”00000111″(7)、PRODUCTは”000000000001010″(10)となります。

○サンプルコード5:条件分岐を伴う例

このコードでは、VHDLにおける条件分岐の実装方法を表しています。

この例では、入力信号AとBの大小関係を比較し、結果に応じて出力信号RESULTに異なる値を代入しています。

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

entity Compare is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           RESULT : out  STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0));
end Compare;

architecture Behavior of Compare is
begin
    process(A, B)
    begin
        if A > B then
            RESULT <= "10"; -- AがBより大きい場合
        elsif A = B then
            RESULT <= "01"; -- AとBが等しい場合
        else
            RESULT <= "00"; -- AがBより小さい場合
        end if;
    end process;
end Behavior;

上記のコードで、AとBの値に応じてRESULTの値が変わります。

例えば、Aが”00000100″(4)、Bが”00000011″(3)の場合、RESULTは”10″となり、AがBより大きいことが表されます。

○サンプルコード6:ループ処理を伴う例

このコードでは、VHDLでのループ処理の方法を表しています。

この例では、入力信号COUNTの値だけ、LEDという出力信号を点滅させる処理を行っています。

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

entity Blink is
    Port ( COUNT : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           LED : out  STD_LOGIC);
end Blink;

architecture Behavior of Blink is
begin
    process(COUNT)
    variable i : integer;
    begin
        for i in 0 to COUNT'length loop
            if i < to_integer(COUNT) then
                LED <= '1';
                wait for 10 ns;
                LED <= '0';
                wait for 10 ns;
            end if;
        end loop;
    end process;
end Behavior;

このコードを実行すると、COUNTが”00000100″(4)の場合、LEDは4回点滅します。

このように、VHDLでは繰り返し処理を効果的に行うことができます。

●プロセス文の注意点と対処法

VHDLのプロセス文は、論理回路の動作を記述する際に非常に便利ですが、正しく扱わないと予期せぬ動作をする可能性があります。

ここでは、プロセス文を使用する上での主な注意点と、それに関連する対処法を詳しく紹介します。

○サンプルコード7:一般的なエラーとその対処法

このコードでは、プロセス文内での一般的なエラーを表し、それに対する対処法を表しています。

この例では、変数の初期化を忘れてエラーが発生しています。

process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        -- 変数の初期化を忘れる
        cnt <= cnt + 1; 
    end if;
end process;

上記のコードは、cnt変数が初期化されていないため、シミュレーション時にエラーとなります。

対処法として、変数の初期化を行うことが挙げられます。

signal cnt : integer := 0; -- 初期化を追加

process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        cnt <= cnt + 1; 
    end if;
end process;

この修正により、変数cntは正しく初期化され、エラーが解消されます。

○サンプルコード8:同時アクセスの問題と解決策

このコードでは、同時に複数のプロセスから一つの信号にアクセスする問題を表しています。

この例では、2つのプロセス文が同じ信号dataに書き込もうとしています。

process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        data <= data1;
    end if;
end process;

process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        data <= data2;
    end if;
end process;

上記のようなコードは、どちらのプロセスがdataに最終的に書き込むのかが不明確となり、意図しない動作を引き起こす可能性があります。

この問題の解決策として、信号へのアクセスを一箇所に限定することが挙げられます。

process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if select_signal = '1' then
            data <= data1;
        else
            data <= data2;
        end if;
    end if;
end process;

この修正により、select_signalの値に応じて、data1またはdata2のどちらか一方がdataに書き込まれるようになり、同時アクセスの問題が解消されます。

●プロセス文のカスタマイズ方法

VHDLのプロセス文は、デフォルトの機能だけではなく、さまざまなカスタマイズが可能です。

ここでは、プロセス文をカスタマイズする方法と、その実例をサンプルコードとともに紹介します。

○サンプルコード9:カスタマイズしたプロセス文の作成

このコードでは、特定の条件下でのみ動作するプロセス文をカスタマイズしています。

この例では、信号Aが1のときのみ、信号Bの値を更新するという条件を設定しています。

process (clk)
begin
    -- 信号Aが1の時のみ動作する
    if A = '1' then
        B <= B + 1; -- 信号Bの値を更新
    end if;
end process;

上記のコードを実行すると、信号Aが1の時のみ信号Bの値がインクリメントされる動作を確認できます。

このようにして、特定の条件下でのみ動作するプロセス文を簡単にカスタマイズすることができます。

○サンプルコード10:複雑なロジックの実装

VHDLのプロセス文を使用することで、より複雑なロジックも実装できます。

このコードでは、複数の信号の組み合わせに基づいて動作する複雑なロジックを表しています。

この例では、信号Xと信号Yの組み合わせに応じて、信号Zの値を変更しています。

process (clk)
begin
    -- 信号Xと信号Yの組み合わせに応じて信号Zの値を変更
    if X = '1' and Y = '0' then
        Z <= '1';
    elsif X = '0' and Y = '1' then
        Z <= '0';
    else
        Z <= 'Z'; -- 高インピーダンス状態
    end if;
end process;

このコードを適用すると、信号Xと信号Yの特定の組み合わせごとに信号Zの値が変わる動作を確認できます。

このような複雑なロジックも、プロセス文を用いて効率よく実装することが可能です。

まとめ

VHDLのプロセス文は、ディジタル回路の設計における鍵となる部分です。

この記事を通して、その基本的な形や変数の扱い、複数の信号の操作、さらには計算や条件分岐、ループ処理といった高度な処理について紹介しました。

この完璧なガイドを手に取っていただき、VHDLのプロセス文の魅力とその力強さを感じていただけたなら幸いです。

今後の設計活動で、この知識が皆様の強力なサポートとなることを心より願っています。