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VHDLの配列活用法10選！初心者がすぐに使える実践コード集

初心者向けのVHDL配列活用法と実践サンプルコード VHDL
2023.08.16
この記事は約31分で読めます。

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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。

※Japanシーモアは、常に解説内容のわかりやすさや記事の品質に注力しております。不具合、分かりにくい説明や不適切な表現、動かないコードなど気になることがございましたら、記事の品質向上の為にお問い合わせフォームにてご共有いただけますと幸いです。
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はじめに

VHDLは、デジタル回路の設計と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。

その中で、配列はデータの集合を扱うのに非常に便利なデータ型となっており、様々な実践的な場面で活用されています。

この記事では、VHDLにおける配列の基本から、初心者が容易に取り組める10の具体的なサンプルコードを提供し、配列の活用法を詳細に解説します。

特に初心者の方がVHDLの配列を効果的に使用するためのステップと、各ステップでのポイントを明確に伝えることを目指しています。

VHDLの配列の使い方を学ぶことで、データの集合を効率的に扱うことが可能となり、より高度なデジタル回路の設計やシミュレーションが可能となります。

この記事を通じて、VHDLの配列の使い方に関する知識を深め、あなたのVHDLスキルの向上に役立ててください。

●VHDL配列の基本概念

○配列とは?

配列は、同じデータ型の要素が複数並んでいるデータ構造のことを指します。

それぞれの要素にはインデックス（または添字）が与えられており、このインデックスを指定することで特定の要素にアクセスすることができます。

VHDLにおいても、この配列の概念は非常に重要で、様々な場面で利用されます。

○VHDLでの配列の宣言方法

VHDLにおける配列の宣言は次のように行います。

type 配列名 is array (範囲) of データ型;

このコードでは、配列名という名前の配列を宣言しています。

この例では、指定した範囲内の各要素がデータ型のデータを持つことができる配列として定義されます。

例えば、0から9までの10個の整数を持つことができる配列を宣言する場合、次のように記述します。

type int_array is array (0 to 9) of integer;

このコードは、int_arrayという名前の配列を宣言しており、この配列は0から9までの10個の整数を持つことができます。

実行後、このコードはエラーなく宣言され、int_arrayという名前の配列型が作成されます。

これを利用して、具体的な配列の変数を宣言し、各要素にアクセスすることが可能となります。

●VHDL配列の使い方10選

VHDLでの配列操作は、多くのデジタル設計において必須のスキルとなります。

ここでは、初心者の方でもすぐに取り組めるよう、VHDLにおける配列の実践的な使い方を10のコード例とともに紹介します。

それぞれのコード例の後には、その動作内容や注意点、実行結果なども詳しく説明します。

○サンプルコード1：一次元配列の宣言と初期化

このコードではVHDLを用いて、一次元の配列を宣言し、初期化する方法を紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity array_example1 is
end array_example1;

architecture sample of array_example1 is
    type array_type is array (0 to 4) of std_logic_vector(7 downto 0);
    signal my_array : array_type := ("00000001", "00000010", "00000011", "00000100", "00000101");
begin
end sample;

この例では、std_logic_vectorの一次元配列を作成し、5つの要素を持つ配列my_arrayを宣言しています。

各要素は8ビットのstd_logic_vector型で、初期値として5つの値を割り当てています。

○サンプルコード2：二次元配列の宣言と初期化

VHDLでは、二次元配列も使用可能です。

こちらのコードでは、二次元配列を宣言し、初期化する方法を説明します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity array_example2 is
end array_example2;

architecture sample of array_example2 is
    type row_type is array (0 to 2) of std_logic_vector(7 downto 0);
    type matrix_type is array (0 to 2) of row_type;
    signal my_matrix : matrix_type := (("00000001", "00000010", "00000011"),
                                      ("00000100", "00000101", "00000110"),
                                      ("00000111", "00001000", "00001001"));
begin
end sample;

この例で紹介するmy_matrixは3×3の二次元配列で、それぞれの要素が8ビットのstd_logic_vector型です。

○サンプルコード3：配列の要素へのアクセス方法

配列の要素にアクセスする方法も、VHDLでの配列操作の基本中の基本です。

下記のコードは、一次元および二次元配列の要素にアクセスする例を表しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity array_example3 is
    Port ( clk : in std_logic;
           output1 : out std_logic_vector(7 downto 0);
           output2 : out std_logic_vector(7 downto 0));
end array_example3;

architecture sample of array_example3 is
    type array_type is array (0 to 4) of std_logic_vector(7 downto 0);
    signal my_array : array_type := ("00000001", "00000010", "00000011", "00000100", "00000101");

    type row_type is array (0 to 2) of std_logic_vector(7 downto 0);
    type matrix_type is array (0 to 2) of row_type;
    signal my_matrix : matrix_type := (("00000001", "00000010", "00000011"),
                                      ("00000100", "00000101", "00000110"),
                                      ("00000111", "00001000", "00001001"));

begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            output1 <= my_array(2); -- 一次元配列の3番目の要素を取得
            output2 <= my_matrix(1)(2); -- 二次元配列の(2,3)の要素を取得
        end if;
    end process;
end sample;

この例では、クロックの立ち上がりエッジで、一次元配列の3番目の要素と、二次元配列の(2,3)位置の要素をそれぞれ出力します。

○サンプルコード4：配列を使用したループ処理

配列とループ処理を組み合わせることで、効率的なデータ処理が可能となります。

下記のコードでは、配列の全ての要素をループ処理で走査する方法を示しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity array_example4 is
    Port ( clk : in std_logic;
           sum_output : out std_logic_vector(7 downto 0));
end array_example4;

architecture sample of array_example4 is
    type array_type is array (0 to 4) of std_logic_vector(7 downto 0);
    signal my_array : array_type := ("00000001", "00000010", "00000011", "00000100", "00000101");
    signal sum : std_logic_vector(7 downto 0) := (others => '0');

begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            for i in 0 to 4 loop
                sum <= sum + my_array(i);
            end loop;
            sum_output <= sum;
        end if;
    end process;
end sample;

この例では、配列my_arrayの全要素を足し合わせ、その結果をsum_outputとして出力しています。

配列の各要素をループで走査することで、合計値を効率的に計算しています。

今回のコードでは、クロックの立ち上がりエッジごとに配列の要素の合計を計算し、sum_outputに出力します。

その結果、sum_outputは配列my_arrayの要素の合計、すなわち”00001101″となります。

○サンプルコード5：配列のスライス操作

VHDLでは、配列の一部を取り出す「スライス」という操作もサポートされています。

スライスを利用することで、配列の一部を効率的に操作することが可能となります。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity array_example5 is
    Port ( output : out std_logic_vector(2 downto 0));
end array_example5;

architecture sample of array_example5 is
    signal my_vector : std_logic_vector(7 downto 0) := "11010101";

begin
    output <= my_vector(4 downto 2); -- "010"を取り出す
end sample;

この例では、8ビットのstd_logic_vectorから中央の3ビットを取り出しています。

その結果、outputは”010″となります。

○サンプルコード6：配列の長さを取得する方法

VHDLにおける配列は非常に柔軟で、多くの操作がサポートされています。

特に、配列の長さを知ることは、ループ処理や配列データの管理に必要不可欠です。

このコードでは、配列の長さを取得する方法を表しています。

この例では、一次元配列の長さを取得して、その長さを出力す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 array_length_example is
    Port ( length_output : out std_logic_vector(3 downto 0));
end array_length_example;

architecture sample of array_length_example is
    type array_type is array (0 to 4) of std_logic_vector(7 downto 0);
    signal my_array : array_type := ("00000001", "00000010", "00000011", "00000100", "00000101");
    constant array_length : integer := my_array'length;
begin
    length_output <= std_logic_vector(to_unsigned(array_length, length_output'length));
end sample;

このコードはmy_arrayという名前の一次元配列の長さを取得して、それを4ビットのstd_logic_vectorとしてlength_outputに出力しています。

VHDLでは、配列名の後に'lengthという属性を使用することで、配列の長さを取得することができます。

この場合、my_arrayの長さは5ですので、length_outputには”0101″が出力されることとなります。

この技術は、配列のデータを効率的に扱いたい場合や、配列の要素を走査するループ処理を行う際など、様々な場面で利用することができます。

特に、動的にサイズが変わる配列を扱う際には、この'length属性の利用は非常に便利です。

ただし、VHDLで配列の長さを動的に変更することはできませんので、配列の長さを変更したい場合は、新しい配列を宣言してデータをコピーするなどの手段を考える必要があります。

○サンプルコード7：二次元配列の行と列の操作

VHDLを使用した開発を行っていると、データ構造として二次元配列を使用することがあります。

二次元配列は、行と列の2つの次元を持ち、その要素を操作する際に特有の手法が必要となります。

ここでは、二次元配列の行と列の操作に関する実践的なサンプルコードを紹介します。

□二次元配列の宣言

まず、基本的な二次元配列の宣言方法を確認しましょう。

下記のコードでは、3行3列の二次元配列matrixを宣言しています。

-- 3x3の二次元配列の宣言
type matrix_type is array (0 to 2, 0 to 2) of integer;
signal matrix : matrix_type;

このコードでは、matrix_typeという新しい型を定義し、その後にmatrixという名前で二次元配列を宣言しています。

要素の型としてintegerを使用しているため、この配列は整数を要素として保持します。

□行や列の取得

行や列を取得する場合、スライスを使用する方法があります。

下記のサンプルコードでは、matrixの1行目を取得し、row_dataに代入しています。

signal row_data : array (0 to 2) of integer;
begin
  row_data <= matrix(1, 0 to 2);

この例では、1行目の全ての列を指定することで、1行目のデータを取得しています。

□特定の行や列の要素の変更

特定の行や列の要素を変更する場合は、目的の要素を直接指定して操作します。

下記のサンプルコードでは、matrixの2行2列目の要素を5に変更しています。

begin
  matrix(1, 1) <= 5;

上記の方法で、二次元配列の特定の要素を効果的に操作することができます。

上記のサンプルコードに基づいて、VHDLにおける二次元配列の行と列の基本的な操作方法を学びました。

この知識を基に、さまざまな応用例やカスタマイズ例を実現することができるでしょう。

例えば、行列の計算や、信号処理のためのフィルタ設計など、二次元配列を用いることで効率的に実装することが可能です。

○サンプルコード8：配列に対する関数の適用

VHDLの配列は単なるデータの集まりだけでなく、さまざまな関数を用いて操作や計算を行うことができます。

特に初心者にとっては、これらの関数を知っていると、多くの場面でのコード記述が格段に楽になります。

ここでは、配列に対する関数の適用方法を、具体的なサンプルコードとともに紹介します。

まずは、一次元配列の全要素に対してある関数を適用する基本的な例から見ていきましょう。

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

entity sample_array is
end sample_array;

architecture Behavior of sample_array is
  type int_array is array (0 to 4) of integer;
  function double_elements(input_array: int_array) return int_array is
    variable result_array: int_array;
  begin
    for i in input_array'range loop
      -- このコードでは各要素を2倍にする関数を紹介しています。
      result_array(i) := input_array(i) * 2;
    end loop;
    return result_array;
  end function;

begin
  process
    variable my_array: int_array := (1, 2, 3, 4, 5);
    variable doubled_array: int_array;
  begin
    doubled_array := double_elements(my_array);
    -- この例では1, 2, 3, 4, 5という要素を持つ配列を2倍にして、2, 4, 6, 8, 10という新しい配列を生成しています。
  end process;
end Behavior;

このサンプルコードでは、一次元の整数配列に対して、全ての要素を2倍する関数を定義しています。

この関数を使えば、任意の一次元配列の要素を簡単に2倍にすることができます。

配列に対して関数を適用することで、配列の要素の加工や変換、さらには集計などの操作が非常に簡単に行えるようになります。

特に、VHDLにおいて配列の操作は頻繁に行われるため、このような関数の利用は非常に実践的です。

また、このコードの実行結果として、元の配列my_arrayの要素がそれぞれ2倍され、新しい配列doubled_arrayに2, 4, 6, 8, 10という値が格納されます。

このように関数を適用することで、簡単に配列の要素を操作することが可能になります。

次に、この方法を応用し、配列に対して異なる関数を適用してみましょう。

例えば、配列の各要素の平均値を計算する関数や、最大値、最小値を返す関数なども考えられます。

これらの関数を自身で定義することで、VHDLの配列操作の幅がさらに広がります。

また、配列操作においては、範囲外アクセスや型の不一致などの問題にも注意が必要です。

これらの問題を防ぐためにも、関数を活用することで安全な配列の操作を実現することができます。

○サンプルコード9：配列の動的なサイズ変更

VHDLでは、配列のサイズは通常宣言時に固定されます。

しかし、特定の応用上のニーズに応じて、配列のサイズを動的に変更する必要が生じることもあります。

そのような場合には、配列を新しいサイズで再宣言して、必要な要素をコピーする手法を採用することが一般的です。

このコードでは、配列のサイズを動的に変更する方法を表しています。

この例では、既存の配列の内容を新しいサイズの配列にコピーして、サイズを変更しています。

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

entity dynamic_array_resize is
end dynamic_array_resize;

architecture Behavioral of dynamic_array_resize is
    type arr_type is array (0 to 4) of integer;
    signal old_array : arr_type := (1, 2, 3, 4, 5);
    signal new_array : arr_type := (others => 0);
begin
    process
    begin
        -- 既存の配列から新しい配列にデータをコピー
        for i in old_array'range loop
            if i <= new_array'high then
                new_array(i) <= old_array(i);
            end if;
        end loop;
        wait;
    end process;
end Behavioral;

このコードのポイントは、新しい配列new_arrayのサイズを変更する前に、既存の配列old_arrayから要素をコピーしているところにあります。

この例では、5つの要素を持つ配列から同じサイズの配列にコピーしていますが、new_arrayのサイズを変更することで、異なるサイズへの変更も容易に行うことができます。

また、配列のサイズ変更においては、元の配列のサイズが新しい配列のサイズよりも大きい場合、新しい配列のサイズを超える要素は無視されることに注意が必要です。

このコードでは、そのような場合に備えて、if i <= new_array'high thenという条件を使用して、新しい配列のサイズを超えるインデックスの要素がコピーされないようにしています。

このコードを実行すると、old_arrayの要素がnew_arrayにコピーされ、両方の配列が同じ内容となります。

サイズ変更が必要な場面で、このような手法を採用することで、配列のサイズを柔軟に変更しながら、必要な要素を維持することができます。

○サンプルコード10：配列と他のデータ型との相互変換

VHDLでのプログラミング作業では、配列と他のデータ型との相互変換が必要な場面が頻繁に出てきます。

例えば、一連のビット列を整数値に変換したり、逆に整数値をビット列の配列に変換したりする必要があることが多いです。

ここでは、このような変換を簡単に行うためのサンプルコードを提供します。

まず、整数値をビット列の配列に変換する方法について見てみましょう。

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

entity int_to_array is
    Port ( int_val : in integer range 0 to 255; -- 入力として8ビットの整数
           bit_array : out std_logic_vector(7 downto 0) ); -- 出力として8ビットの配列
end int_to_array;

architecture Behavior of int_to_array is
begin
    process(int_val)
    begin
        bit_array <= conv_std_logic_vector(int_val, bit_array'length); -- 整数をビット列に変換
    end process;
end Behavior;

このコードでは、int_valを使って8ビットの整数を入力として受け取り、bit_arrayを使ってそれを8ビットの配列として出力しています。

conv_std_logic_vector関数を用いて、整数をビット列に簡単に変換できます。

逆に、ビット列の配列を整数値に変換する方法も考えてみましょう。

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

entity array_to_int is
    Port ( bit_array : in std_logic_vector(7 downto 0); -- 入力として8ビットの配列
           int_val : out integer range 0 to 255 ); -- 出力として8ビットの整数
end array_to_int;

architecture Behavior of array_to_int is
begin
    process(bit_array)
    begin
        int_val <= conv_integer(bit_array); -- ビット列を整数に変換
    end process;
end Behavior;

このコードでは、bit_arrayを用いて8ビットの配列を入力として受け取り、int_valを用いてそれを8ビットの整数として出力しています。

conv_integer関数を用いて、ビット列を整数に簡単に変換できます。

●VHDL配列の応用例

VHDLを利用すると、配列を使ってさまざまな応用例を実現することができます。

ここでは、VHDLの配列を用いて高度な計算処理の実現方法やデータストレージとしての活用方法を、初心者の方にも理解しやすいように詳細に解説します。

○高度な計算処理の実現

配列は数値データの集まりを効率的に扱うためのデータ構造です。

この特性を生かして、VHDLで高度な計算処理を行う際のサンプルコードを見てみましょう。

このコードでは、一次元の配列を使って線形代数のベクトルの内積を計算しています。

この例では、2つのベクトルAとBの内積を計算しています。

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

entity InnerProduct is
    Port ( A : in  STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           B : in  STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           result : out STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0));
end InnerProduct;

architecture Behave of InnerProduct is
    signal temp_result : STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);
begin
    temp_result <= A * B;
    result <= temp_result;
end Behave;

このコードにおいて、AとBは8ビットのベクトルを表しています。

temp_resultはこれらのベクトルの内積を計算するための一時的な変数で、最終的な計算結果はresultに格納されます。

この計算を実行すると、AとBの内積がresultに出力されます。

○データストレージとしての活用

VHDLの配列は、データストレージとしても活用することができます。

例えば、信号処理や画像処理のアプリケーションにおいて、データの一時的な保持やバッファリングが必要な場面で配列を用いることができます。

次のコードは、10個のデータを一時的に保持するシンプルなFIFO(First In First Out)バッファを示しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity SimpleFIFO is
    Port ( input : in  STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           output : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           push : in STD_LOGIC;
           pop : in STD_LOGIC);
end SimpleFIFO;

architecture Behave of SimpleFIFO is
    type buffer_array is array (9 downto 0) of STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
    signal buffer : buffer_array := (others => "00000000");
    signal head : integer := 0;
    signal tail : integer := 0;
begin
    -- ここでpushやpopのロジックを実装します
end Behave;

このコードでは、bufferという10個の8ビットデータを保持する配列が宣言されています。

データの追加はpush信号によって、データの取り出しはpop信号によって行われます。

このようなFIFOバッファは、データの一時的な保持やデータフローの制御において非常に役立ちます。

●注意点と対処法：配列を使用する際のよくあるトラップとその解決策

VHDLでの配列操作は非常に強力ですが、同時に初心者が陥りやすいトラップも存在します。

ここでは、VHDLの配列を使用する際に遭遇する可能性のある問題とその解決策を詳細に解説します。

○配列の範囲外へのアクセス

最もよく遭遇する問題の1つは、配列の範囲外へのアクセスです。

このようなアクセスはエラーを引き起こし、期待通りの動作をしなくなる原因となります。

例として、次のコードを見てみましょう。

-- 配列の宣言
type IntArray is array (0 to 4) of integer;
signal myArray : IntArray := (1, 2, 3, 4, 5);

-- 範囲外のアクセス
signal value : integer;
begin
    value <= myArray(5);  -- これは範囲外です！
end;

このコードでは、範囲が0から4までの配列myArrayの5番目の要素にアクセスしようとしています。

これは範囲外のアクセスとなり、エラーが発生します。

解決策としては、常に配列の範囲を確認し、その範囲内でアクセスするように心掛けることが重要です。

○配列のサイズ不一致

配列を他の配列に割り当てる際、サイズが一致していないとエラーが発生します。

例として、次のコードを考えます。

-- 配列の宣言
type IntArray1 is array (0 to 4) of integer;
type IntArray2 is array (0 to 3) of integer;
signal myArray1 : IntArray1 := (1, 2, 3, 4, 5);
signal myArray2 : IntArray2 := (10, 20, 30, 40);

begin
    myArray1 <= myArray2;  -- サイズが不一致！
end;

このコードでは、サイズが異なる2つの配列を等しくしようとしています。

これにより、エラーが発生します。

解決策は、配列のサイズが一致するか確認すること、または意図的にサイズを変更する場合は、スライスや他の方法を使用して、サイズを一致させることです。

○配列の型の不一致

VHDLは厳格な型システムを持っているため、異なる型の配列間での操作はエラーを引き起こします。

-- 配列の宣言
type IntArray is array (0 to 4) of integer;
type RealArray is array (0 to 4) of real;
signal myInts : IntArray := (1, 2, 3, 4, 5);
signal myReals : RealArray := (1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0);

begin
    myInts <= myReals;  -- 型が異なる！
end;

上記のコードは、整数型の配列と実数型の配列との間で操作を試みているため、エラーとなります。

この問題を解決するためには、データを変換する関数や手段を用いて、明示的に型を変換する必要があります。

●カスタマイズのコツ：VHDL配列をより効果的に活用するためのカスタマイズ方法

VHDLの配列を使用する際、そのままの形で使うだけでなく、一工夫加えることでさらに効果的な実装が可能となります。

ここでは、VHDL配列をカスタマイズして、効果的に利用するための具体的な方法とコード例を紹介します。

○配列の要素の初期値を設定する

通常、VHDLの配列を宣言する際には、初期値を設定しないことが多いです。

しかし、事前に特定の値で初期化することで、後々の処理が簡略化される場合があります。

このコードでは、整数の一次元配列を宣言し、すべての要素を「0」で初期化しています。

この例では、10要素分の配列を作成し、それぞれの要素を0で初期化しています。

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

entity custom_array is
end custom_array;

architecture Behavioral of custom_array is
    type int_array is array (0 to 9) of integer := (others => 0);
    signal sample_array: int_array;
begin
end Behavioral;

この方法を利用すると、配列のすべての要素に特定の値を一括で代入することが簡単になります。

○配列のサブセットを効率的に扱う

配列の一部をサブセットとして扱いたい場合、配列のスライスを使用することで効率的に操作を行うことができます。

サブセットを使用することで、特定の範囲の要素にのみ操作を行いたい場合に便利です。

このコードでは、一次元配列から特定の範囲のサブセットを取得し、そのサブセットを操作しています。

この例では、3番目から5番目までの要素をサブセットとして取得し、その要素を操作しています。

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

entity subset_array is
end subset_array;

architecture Behavioral of subset_array is
    type int_array is array (0 to 9) of integer;
    signal sample_array: int_array := (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9);
    signal subset: int_array(0 to 2);
begin
    process
    begin
        subset <= sample_array(3 to 5);
        wait;
    end process;
end Behavioral;

このコードの中で、3番目から5番目までの要素が取得され、subsetという新しい信号に代入されています。

○配列の要素に条件を適用してフィルタリングする

配列の要素を操作する際、特定の条件を満たす要素だけを取得したい場合があります。

このような場合には、配列の要素をループで処理し、条件を適用してフィルタリングすることができます。

このコードでは、一次元配列の要素をループで処理し、特定の条件を満たす要素だけを新しい配列に代入しています。

この例では、元の配列の要素が5未満のものだけを新しい配列に代入しています。

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

entity filter_array is
end filter_array;

architecture Behavioral of filter_array is
    type int_array is array (0 to 9) of integer;
    signal sample_array: int_array := (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9);
    signal filtered_array: int_array := (others => 0);
begin
    process
        variable temp_array: int_array := (others => 0);
        variable index: integer := 0;
    begin
        for i in 0 to 9 loop
            if sample_array(i) < 5 then
                temp_array(index) := sample_array(i);
                index := index + 1;
            end if;
        end loop;
        filtered_array <= temp_array;
        wait;
    end process;
end Behavioral;

このコードを実行すると、filtered_arrayは(0, 1, 2, 3, 4, 0, 0, 0, 0, 0)という値になります。

まとめ

VHDLにおける配列の活用は、効率的なプログラミングを実現するための鍵となります。

この記事を通じて、VHDLの配列の基本的な宣言方法から、一次元・二次元配列の宣言、初期化、要素へのアクセス方法などの具体的な操作方法を解説しました。

初心者にとっては、新しい概念や操作が多く挙げられるかと思いますが、実際にサンプルコードを手を動かしながら試すことで、理解を深めることができるでしょう。

また、この知識をベースにして、さらなる応用やカスタマイズも可能となります。

配列を使用することで、データの集合を一括で扱ったり、繰り返しの操作をスムーズに行ったりと、多くのメリットがあります。

しかし、その反面、配列のサイズ変更や要素のアクセスに関するトラップも存在します。

これらの注意点や対処法についても、後続の記事で詳しく解説していきます。

VHDLプログラミングにおける配列の知識とスキルを磨くことで、より高度なシステムの設計や実装が可能となります。

引き続き、VHDLに関する学習を進めて、実践的なスキルを身につけてください。