VHDL初心者必見!プロシージャ使い方の10選

VHDLプロシージャの詳細解説とサンプルコードの図解 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は、VHSIC Hardware Description Languageの略で、デジタル回路の設計とシミュレーションを行うための言語です。

このVHDLには、効率的な設計を支援するさまざまな機能がありますが、その中でも「プロシージャ」は非常に強力なツールとして利用されています。

この記事では、初心者の方でもスムーズに理解できるように、プロシージャの基本から応用例、注意点、カスタマイズ方法まで、10の具体的な使い方とサンプルコードを交えて詳しく解説していきます。

VHDLプロシージャの魅力に触れ、あなたの設計スキルを一段と向上させるための知識を深めてみませんか?

●VHDLプロシージャとは

VHDLプロシージャは、繰り返し使用する処理や機能をまとめて定義することで、コードの再利用や読みやすさを向上させるためのものです。

特定の動作や機能を一つのブロックとして定義し、必要な場所で繰り返し呼び出すことができます。

この機能によって、コードの冗長性を減少させるだけでなく、デバッグや改善の効率も向上します。

○プロシージャの基本

プロシージャを定義するには、次の基本的な構文を使用します。

procedure プロシージャ名 is
begin
    -- 処理内容
end procedure プロシージャ名;

このコードでは、プロシージャ名という名前のプロシージャを宣言しています。

この例では、具体的な処理内容は省略されていますが、beginとendの間に、実際に行いたい処理を記述します。

呼び出しは次のように行います。

プロシージャ名;

これにより、プロシージャ内の処理が実行されます。

○サンプルコード1:基本的なプロシージャの宣言と呼び出し

LEDを点滅させる簡単なプロシージャのサンプルコードを紹介します。

procedure LED_blink is
begin
    LED <= '1';  -- LEDを点灯
    wait for 1 sec;
    LED <= '0';  -- LEDを消灯
    wait for 1 sec;
end procedure LED_blink;

このコードでは、LED_blinkというプロシージャを使ってLEDを点灯し、1秒後に消灯しています。

このプロシージャを呼び出すことで、LEDの点滅が実現されます。

プロシージャの呼び出しは、次のように行います。

begin
    LED_blink;  -- プロシージャの呼び出し
end;

上記のサンプルコードを使用することで、LEDが1秒間隔で点滅します。

コードの再利用性を高めるために、繰り返し使用する処理をプロシージャとして定義しています。

これにより、複数の場所で同じ処理を実行したい場合に、プロシージャを呼び出すだけで簡単に実装することができます。

○サンプルコード2:引数を持つプロシージャ

VHDLでは、プロシージャを用いることで、一連の処理をまとめて簡潔に記述することができます。

特に引数を持つプロシージャは、変数や信号の値を渡して、特定の処理を行わせる際に非常に役立ちます。

ここでは、引数を持つプロシージャの作成とその使用方法について詳しく解説します。

このコードでは、2つの整数の加算を行うプロシージャを作成しています。

この例では、二つの整数を受け取り、それらの合計を返すシンプルなプロシージャを表しています。

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

entity SampleEntity is
end SampleEntity;

architecture Behavioral of SampleEntity is
  -- 2つの整数を受け取り、加算結果を返すプロシージャ
  procedure Add_Integers(A: in integer; B: in integer; result: out integer) is
  begin
    result := A + B;  -- 引数AとBの合計を計算
  end procedure Add_Integers;

begin
  -- ここでプロシージャを呼び出す際の例
  signal sum: integer;
  signal a, b: integer := 3, 5;

  process
  begin
    Add_Integers(a, b, sum);  -- 加算プロシージャを呼び出し
    wait;
  end process;

end Behavioral;

上記のサンプルコードでは、プロシージャAdd_Integersが定義されています。

このプロシージャは3つの引数を持っており、ABは入力整数、resultは出力整数としています。

このプロシージャは、入力として受け取った2つの整数ABの加算結果をresultとして返します。

コードを実行すると、信号abの値がそれぞれ3と5に設定され、プロシージャAdd_Integersが呼び出され、その結果、信号sumには加算結果の8が設定されます。

VHDLプロシージャの魅力的な点の一つは、これだけでなく、独自のロジックや複雑な計算をまとめることができる点にあります。

また、引数を持つことで、同じプロシージャを様々な値で再利用することが可能となります。

これにより、コードの再利用性が高まり、全体のコード量も削減することができます。

○サンプルコード3:戻り値を返すプロシージャ

VHDLのプロシージャを学ぶ上で、非常に重要な概念の一つが「戻り値」です。

一般的なプログラミング言語における関数と同じように、VHDLのプロシージャも特定の処理を実行した後に、何らかの値を「返す」ことができます。

このコードでは、整数型の値を受け取り、その値が偶数であれば「TRUE」、奇数であれば「FALSE」を戻り値として返すプロシージャを表しています。

この例では、整数の偶奇を判定して結果を返しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity is_even_check is
    Port ( num : in integer;
           result : out boolean);
end is_even_check;

architecture Behavior of is_even_check is
begin
    process(num)
    begin
        if num mod 2 = 0 then
            result <= TRUE; -- 偶数の場合
        else
            result <= FALSE; -- 奇数の場合
        end if;
    end process;
end Behavior;

上記のサンプルコードでは、入力ポートとして整数値numを受け取り、その数が偶数かどうかを出力ポートresultに返します。

このプロシージャは、入力された数字が偶数であるか奇数であるかをチェックしています。

そして、その結果をresultという出力ポートに戻り値として返しています。

たとえば、numに「4」という値が入力されると、このプロシージャはTRUEを返します。

一方で、numに「3」という値が入力された場合、FALSEという結果が得られるでしょう。

また、このプロシージャでは、VHDLの数学的なモジュロ演算子modを使用しています。

この演算子は、ある数を別の数で割ったときの余りを求めるためのものです。

この例では、numを2で割った余りが0であるかどうかを確認し、偶数か奇数かを判定しています。

さらに、このプロシージャの応用として、特定の範囲内の偶数をすべてリストアップする機能や、入力された整数の中から偶数だけを選び出して返す機能などが考えられます。

0から指定された整数までの偶数をリストアップするサンプルコードを見てみましょう。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity list_even_nums is
    Port ( limit : in integer;
           even_nums : out integer_vector(0 to 100));
end list_even_nums;

architecture Behavior of list_even_nums is
    function is_even(n: integer) return boolean is
    begin
        if n mod 2 = 0 then
            return TRUE;
        else
            return FALSE;
        end if;
    end function;

begin
    process(limit)
    variable index: integer := 0;
    begin
        for i in 0 to limit loop
            if is_even(i) then
                even_nums(index) <= i;
                index := index + 1;
            end if;
        end loop;
    end process;
end Behavior;

このコードでは、0から指定されたlimitまでの数字の中で偶数をすべてeven_numsという配列に格納しています。

従って、limitに10を入力すると、even_numsには0, 2, 4, 6, 8という値が順に格納されることになります。

○サンプルコード4:条件分岐を伴うプロシージャ

VHDLでのプログラム実装では、条件分岐は非常に重要な役割を果たします。

これにより、異なる状況に対して異なる動作や応答をプログラムすることができます。

ここでは、条件分岐を含むプロシージャの作成と使用について詳しく解説します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity SampleEntity is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input_val : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           output_val : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
end SampleEntity;

architecture Behavioral of SampleEntity is
    procedure conditionProcedure(signal in_val : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); 
                                 signal out_val : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0)) is
    begin
        -- 入力値に応じて出力を変更
        if in_val = "0000" then
            out_val <= "1111";
        elsif in_val = "1111" then
            out_val <= "0000";
        else
            out_val <= in_val;
        end if;
    end procedure;

begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            conditionProcedure(input_val, output_val);
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、条件分岐を使用して4ビットの入力値に応じて出力を変更するプロシージャを紹介しています。

この例では、入力が”0000″の場合は出力を”1111″に、入力が”1111″の場合は出力を”0000″に変更し、それ以外の場合は入力をそのまま出力としています。

このプロシージャを利用することで、データフローの中で簡単に条件に応じた変換や操作を実行することができます。

上述のコード例では、クロックの立ち上がりエッジでプロシージャが呼び出され、入力値に基づいた結果が出力されます。

このプロシージャの動作を見てみると、例えば、入力として”1111″が与えられた場合、出力は”0000″となります。

一方、”0010″などの他の入力値が与えられた場合、その値はそのまま出力として反映されます。

このように、VHDLのプロシージャは柔軟性と再利用性を持っています。

特に条件分岐を持つプロシージャは、多岐にわたるケースやシナリオを簡潔に処理する際に非常に役立ちます。

VHDLプロシージャの魅力として、モジュール化や再利用が容易であることが挙げられます。

また、状態や条件に応じた複雑な動作を実装する際にも、プロシージャは効果的なツールとなるでしょう。

●プロシージャの応用例

VHDLにおけるプロシージャは、一連の操作を再利用可能な形でまとめるための強力な機能です。

これにより、同じ操作を繰り返し記述する必要がなくなり、コードの見通しがよくなるだけでなく、保守性や拡張性も向上します。

ここでは、VHDLのプロシージャをさらに深く探求して、その応用例を5つ紹介します。

○サンプルコード5:複数の入力信号を処理するプロシージャ

このコードでは、複数の入力信号を同時に処理する方法を表しています。

この例では、3つの入力信号を受け取り、それらの合計値を出力するプロシージャを作成しています。

procedure SumSignals(A: in integer; B: in integer; C: in integer; Result: out integer) is
begin
  -- 3つの入力信号の合計値を計算
  Result := A + B + C;
end procedure SumSignals;

-- 使用例
signal X, Y, Z, Total : integer;
begin
  SumSignals(X, Y, Z, Total);
end;

このプロシージャを使用すると、3つの信号X, Y, Zの合計値がTotalに代入されます。

このような方法で、異なる信号を一度に処理することが容易になります。

○サンプルコード6:配列データを操作するプロシージャ

配列は複数のデータを一元的に管理するのに役立ちます。

このコードでは、配列データを受け取り、その要素の最大値を返すプロシージャを表しています。

この例では、整数の配列を引数として受け取り、その最大値を求めて返しています。

type IntegerArray is array(0 to 9) of integer;
procedure FindMax(data: in IntegerArray; maxVal: out integer) is
  variable tempMax : integer := data(0);
begin
  -- 最大値を求める
  for i in data'range loop
    if data(i) > tempMax then
      tempMax := data(i);
    end if;
  end loop;
  maxVal := tempMax;
end procedure FindMax;

-- 使用例
signal dataArray : IntegerArray := (3, 8, 5, 6, 2, 9, 1, 7, 4, 0);
signal maxValue : integer;
begin
  FindMax(dataArray, maxValue);
end;

このプロシージャを使用すると、配列dataArrayの中で最大の値がmaxValueに代入されます。

○サンプルコード7:外部ファイルとの連携プロシージャ

外部ファイルとの連携は、設定値の読み込みや結果の出力などで役立ちます。

このコードでは、テキストファイルを読み込み、その内容を配列に格納するプロシージャを表しています。

procedure LoadFile(FileName: in string; data: out IntegerArray) is
  variable fileHandle : text;
  variable tempLine : line;
  variable idx : integer := 0;
begin
  -- ファイルの読み込み
  file_open(fileHandle, FileName, READ_MODE);
  while not endfile(fileHandle) loop
    readline(fileHandle, tempLine);
    read(tempLine, data(idx));
    idx := idx + 1;
  end loop;
  file_close(fileHandle);
end procedure LoadFile;

-- 使用例
signal dataArray : IntegerArray;
begin
  LoadFile("sample.txt", dataArray);
end;

このプロシージャを利用すると、指定したテキストファイルの内容をdataArrayに格納することができます。

○サンプルコード8:モジュール化されたプロシージャの呼び出し

モジュール化されたプロシージャは、異なるデザインユニット間で共有することができます。

このコードでは、異なるモジュールで定義されたプロシージャを呼び出す方法を表しています。

この例では、外部モジュールで定義されたプロシージャExternalProcedureを利用しています。

entity MyModule is
end entity MyModule;

architecture Behave of MyModule is
begin
  ExternalProcedure;
end architecture Behave;

このようにして、外部モジュールのプロシージャを簡単に呼び出すことができます。

○サンプルコード9:エラーハンドリングを伴うプロシージャ

エラーハンドリングは、予期しない動作やエラーが発生した際に、適切に対応するための手段です。

このコードでは、エラーハンドリングを伴うプロシージャを表しています。

procedure ErrorHandler(data: in integer; result: out integer) is
begin
  -- エラーハンドリング
  if data < 0 then
    report "Negative value detected!";
    result := 0;
  else
    result := data;
  end if;
end procedure ErrorHandler;

-- 使用例
signal inputData, outputData : integer := -5;
begin
  ErrorHandler(inputData, outputData);
end;

このプロシージャを使用すると、inputDataが負の値の場合、警告メッセージが表示され、outputDataには0が代入されます。

○サンプルコード10:再帰的なプロシージャの作成

再帰的なプロシージャは、そのプロシージャ自体を内部で呼び出す手法を指します。

再帰を使用すると、計算処理やデータの解析を簡潔に実装できる場面があります。

代表的な例として、階乗の計算やフィボナッチ数列の生成が挙げられます。

再帰の利用には注意が必要で、終了条件を明確にして、無限に呼び出されないようにする必要があります。

下記のコードは、再帰を使用して階乗を計算するVHDLのプロシージャの例です。

procedure Factorial(n: in integer; result: out integer) is
begin
  if n <= 1 then
    result := 1;
  else
    declare
      temp: integer;
    begin
      Factorial(n - 1, temp);
      result := n * temp;
    end;
  end if;
end procedure Factorial;

-- 使用例
signal num, fact_result : integer := 5;
begin
  Factorial(num, fact_result);
end;

このコードでは、Factorialというプロシージャを使って階乗を計算する方法を表しています。

この例では、整数の5の階乗を計算してfact_resultにその結果を格納しています。

プロシージャ内で、与えられた数が1以下の場合は1を返し、それ以外の場合は自分自身を再帰的に呼び出して計算を行っています。

このコードを実行すると、fact_resultには120(5の階乗の結果)が格納されます。

5の階乗は5x4x3x2x1と計算され、その結果が120になります。

再帰的なプロシージャを使用する際の注意点として、無限ループに陥らないように終了条件を設定することが挙げられます。

上記の例では、n <= 1の場合に再帰を終了しています。

応用例として、フィボナッチ数列を生成する再帰プロシージャを考えてみましょう。

procedure Fibonacci(n: in integer; result: out integer) is
  variable temp1, temp2 : integer;
begin
  if n <= 1 then
    result := n;
  else
    begin
      Fibonacci(n-1, temp1);
      Fibonacci(n-2, temp2);
      result := temp1 + temp2;
    end;
  end if;
end procedure Fibonacci;

-- 使用例
signal idx, fib_result : integer := 7;
begin
  Fibonacci(idx, fib_result);
end;

このコードでは、Fibonacciというプロシージャを使ってフィボナッチ数列のn番目の値を計算する方法を紹介しています。

この例では、フィボナッチ数列の7番目の値を計算してfib_resultにその結果を格納しています。

このコードを実行すると、fib_resultには13が格納されます。

フィボナッチ数列の7番目の数値は13となります。

●注意点と対処法

VHDLにおけるプロシージャ使用時の注意点は初心者にとって特に大切なポイントとなります。

適切なプロシージャの実装を目指すため、ここでは一般的な注意点とそれらの対処法について深掘りして解説していきます。

○プロシージャ内の変数変更に注意

プロシージャ内で変数を変更する場合、その変更がプロシージャ外の環境にも影響を及ぼす可能性があります。

このような場合、意図しない動作やバグの原因となり得ます。

このコードでは、プロシージャ内で変数Aの値を変更している例を表しています。

この例では、変数Aの値を10に変更しています。

procedure changeValue is
begin
    A := 10; -- ここで変数Aの値を10に変更
end procedure changeValue;

このプロシージャを呼び出すと、Aの値は10に変更されるため、呼び出し元のコードでAを使用している場合、その動作が変わってしまう可能性があります。

対処法としては、プロシージャ内で変数の値を変更する場合は、変数をプロシージャの引数として受け取り、その引数の値を変更する方法が考えられます。

この方法を用いることで、プロシージャ外の環境に対する影響を最小限に抑えることができます。

○プロシージャの再帰的呼び出しの際のスタックオーバーフロー

再帰的なプロシージャは、そのプロシージャ自体を再度呼び出すことで、あるタスクを反復的に実行することができます。

しかし、この再帰的な呼び出しは適切に制御されない場合、無限ループとなり、システムのリソースを枯渇させる可能性があります。

このコードでは、再帰的に自分自身を呼び出すプロシージャを表しています。

この例では、counter0になるまで自分自身を呼び出しています。

procedure recursiveProcedure(counter: integer) is
begin
    if counter > 0 then
        recursiveProcedure(counter - 1); -- 再帰的に自分自身を呼び出す
    end if;
end procedure recursiveProcedure;

このプロシージャを呼び出すと、counterの値が0になるまで繰り返し呼び出されます。

しかし、counterの初期値が非常に大きい場合や、条件が満たされない場合には、無限ループのリスクが高まります。

対処法としては、再帰の深さに制限を設けることや、再帰的な呼び出しを行う前に条件を厳格にチェックすることが考えられます。

これにより、無限ループを防ぐことができます。

●カスタマイズ方法

VHDLのプロシージャを学び、基本的な使い方を習得した後、次に考えるべきはそのカスタマイズ方法です。

カスタマイズすることで、プロシージャをより効果的に、また、特定の要件に合わせて使用することができます。

ここでは、VHDLのプロシージャのカスタマイズ方法について、詳細なサンプルコードを交えながら解説していきます。

○サンプルコード11:パラメータを用いたプロシージャのカスタマイズ

このコードでは、パラメータを使ってプロシージャをカスタマイズする方法を表しています。

この例では、異なる動作モードに合わせてプロシージャを呼び出す方法を表しています。

procedure CustomProcedure(mode : integer) is
begin
  if mode = 1 then
    -- モード1の動作
  elsif mode = 2 then
    -- モード2の動作
  end if;
end procedure;

このようにパラメータを利用することで、同一のプロシージャ内で異なる動作をさせることができます。

実際に、CustomProcedureを呼び出す際には、動作モードを引数として渡して使用します。

このコードを利用すると、モードに応じてプロシージャの動作を切り替えることができます。

例えば、CustomProcedure(1);とするとモード1の動作を、CustomProcedure(2);とするとモード2の動作を実行することができます。

○サンプルコード12:デフォルト引数を持つプロシージャの作成

このコードでは、デフォルト引数を持つプロシージャの作成方法を表しています。

この例では、指定しなかった場合のデフォルトの動作を設定しています。

procedure DefaultArgProcedure(signal val : integer := 0) is
begin
  -- valが指定されていない場合、デフォルトの0を使用
  -- 何らかの処理
end procedure;

このようにデフォルト引数を指定することで、引数を省略した場合でもプロシージャを呼び出すことができます。

例えば、DefaultArgProcedure();とすると、デフォルトの0が引数として使用されます。

デフォルト引数を利用することで、プロシージャの柔軟性を高めることができます。

特に、頻繁に同じ値を引数として使用する場合や、引数の省略を許容したい場合に有効です。

まとめ

VHDLのプロシージャは、デジタル回路設計のための重要なツールとして広く使用されています。

本記事を通して、プロシージャの基本的な宣言から、複雑な応用例、カスタマイズの方法まで、幅広く解説しました。

VHDL初心者の方々は、この知識を背景として、より効果的にプロシージャを活用することができるでしょう。

サンプルコードを通じて、VHDLのプロシージャの魅力や機能を具体的に理解することができました。

それぞれのサンプルコードには独特の特徴や目的があり、それを実現するためのVHDLの文法や構文が詳細に解説されています。

引数を持つプロシージャや戻り値を返すプロシージャは、データを柔軟に扱い、効果的な処理を実現します。

また、条件分岐を伴うプロシージャやエラーハンドリングを伴うプロシージャは、さまざまな状況や問題に対応する強力なツールとして機能します。

応用例を見ると、複数の入力信号を処理するプロシージャや配列データを操作するプロシージャなど、さまざまな状況でのデータの処理や操作が、VHDLのプロシージャを用いて効果的に行われています。

さらに、モジュール化されたプロシージャの呼び出しや再帰的なプロシージャの作成など、高度な技術を取り入れた応用例も紹介されています。

記事の最後には、プロシージャをカスタマイズする方法も触れられており、これによりユーザーは自身のニーズに合わせてプロシージャをカスタマイズし、最適な回路設計を行うことができます。

VHDL初心者の方々が、本記事を通じてプロシージャの使い方や応用方法、注意点などの知識を深め、実際の設計活動に活かしていただければ幸いです。

VHDLのプロシージャは、その魅力と機能をフルに活用することで、効果的なデジタル回路設計をサポートしてくれるでしょう。