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VHDLでのDFF作成手法5選！初心者がすぐに実践できる！

VHDL初心者向けDFF作成手法のイラスト VHDL
2023.08.17
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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は、電子工学者や情報技術者が回路やシステムを設計する際に使用する言語の一つです。

特にデジタル回路の設計において、VHDLは欠かせないツールとなっています。

この記事では、VHDL初心者が簡単に取り組めるDFF（D Flip-Flop）の作成手法を5つ、具体的なサンプルコードとともに解説します。

D Flip-Flop、通常DFFと呼ばれるものは、デジタルロジックの基本要素として広く利用されています。

そのため、VHDLを学んでいる初心者であれば、DFFの設計は最初に取り組むべき重要なテーマとなるでしょう。

実際のサンプルコードとその説明を交えながら、DFFのVHDLによる実装方法を紹介していきます。

●VHDLとDFFの基礎知識

VHDLとDFFを理解することは、デジタルロジックデザインの世界において非常に重要です。

VHDLはハードウェア記述言語として広く用いられ、DFFはメモリ要素として電子回路の中核をなすものです。

ここでは、VHDLとDFFの基礎的な知識について解説していきます。

○VHDLとは

VHDL（VHSIC Hardware Description Language）は、ハードウェアの動作や構造を記述するためのプログラミング言語の一つです。

ICやFPGAの設計時に使用されることが多く、ソフトウェアのようにコードを書いてハードウェアを設計することができます。

具体的な特徴としては、コンカレントな動作を持つことが挙げられます。

これは、多くの操作が同時に実行されるハードウェアの特性を反映したものです。

また、VHDLには標準のライブラリが提供されており、基本的な論理ゲートから複雑な関数まで多岐にわたる操作が可能です。

○DFF (D Flip-Flop)の原理

DFFは、デジタル回路において重要な役割を果たすメモリ要素の一つです。

DFFは、入力データを特定のタイミングで取り込み、そのデータを出力する役割を持ちます。

この特定のタイミングは、クロック信号に同期して動作します。

DFFの動作を簡単に説明すると、クロック信号が立ち上がる瞬間のD入力が、Q出力に反映されるというものです。

DFFは、現在の状態を保持する能力があるため、データの一時的な保存や、データのタイミング調整など様々な場面で使用されます。

このコードでは、VHDLを使って基本的なDFFを実装する方法を表しています。

この例では、D入力とクロック入力を受け取り、Q出力を生成しています。

entity DFF is
    Port ( D : in STD_LOGIC;
           CLK : in STD_LOGIC;
           Q : out STD_LOGIC);
end DFF;

architecture Behavioral of DFF is
begin
    process(CLK)
    begin
        if rising_edge(CLK) then
            Q <= D;  -- クロックの立ち上がりでD入力をQ出力に反映
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードは、クロックの立ち上がりでD入力の値をQ出力に転送する基本的なDFFの動作を実現しています。

実際にFPGAなどのデバイスにこのコードを書き込むことで、DFFの動作を物理的に確認することができます。

●DFFのVHDLコード作成手法

VHDL初心者の皆さん、DFFの作成がVHDLでどのように行われるのか興味を持っていますか？

今回はVHDLでDFFを作成する際の5つの手法を紹介します。

サンプルコードとその詳細な説明を交えながら、あなたもすぐにVHDLでのDFF作成をマスターできるようになるでしょう。

○サンプルコード1：基本的なDFF

このコードでは、VHDLを使用して最もシンプルなDFFを作成するコードを表しています。

この例では、クロックエッジに同期してデータを取得する基本的なDFFを作成しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity simple_DFF is
    Port ( D : in STD_LOGIC;
           CLK : in STD_LOGIC;
           Q : out STD_LOGIC);
end simple_DFF;

architecture Behavioral of simple_DFF is
begin
    process(CLK)
    begin
        if rising_edge(CLK) then -- クロックの立ち上がりエッジで動作
            Q <= D;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードを使用すると、クロック信号の立ち上がりエッジでDの入力がQの出力に反映されます。

○サンプルコード2：クロックを使ったDFF

このコードでは、外部から供給されるクロック信号を使用してDFFを動作させる方法を表しています。

この例では、クロックエッジとともにDの値がQに反映されます。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity clocked_DFF is
    Port ( D : in STD_LOGIC;
           CLK : in STD_LOGIC;
           Q : out STD_LOGIC);
end clocked_DFF;

architecture Behavioral of clocked_DFF is
begin
    process(CLK)
    begin
        if rising_edge(CLK) then
            Q <= D;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードも同様に、クロックの立ち上がりエッジでDの値がQに反映される動作を行います。

○サンプルコード3：リセット機能付きDFF

このコードでは、リセット機能を持つDFFを作成する方法を表しています。

この例では、リセット信号がアクティブになった場合、Qの出力を強制的に’0’に設定します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity reset_DFF is
    Port ( D : in STD_LOGIC;
           CLK : in STD_LOGIC;
           RST : in STD_LOGIC;
           Q : out STD_LOGIC);
end reset_DFF;

architecture Behavioral of reset_DFF is
begin
    process(CLK, RST)
    begin
        if RST = '1' then
            Q <= '0';
        elsif rising_edge(CLK) then
            Q <= D;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

リセット信号RSTがアクティブなとき、Qは強制的に’0’となります。

それ以外の場合、クロックの立ち上がりエッジでDの値がQに反映されます。

○サンプルコード4：プリセット機能付きDFF

VHDLを用いてDFFをデザインする際、プリセット機能は特に有用な機能の一つとして挙げられます。

プリセット機能を持つDFFは、特定の信号がアクティブになると出力を強制的に1に設定します。

この機能は、特定の条件下で即座にDFFの出力を所望の状態にしたい場合に役立ちます。

このセクションでは、プリセット機能を持つDFFのVHDLコードの作成方法を解説します。

また、詳細なサンプルコードと共に、その動作を理解するための実行結果も表します。

このコードではプリセット信号を使ってDFFの出力を制御するコードを表しています。

この例では、プリセット信号がアクティブになるとDFFの出力が1になる仕組みを実現しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity preset_dff is
    Port ( D : in STD_LOGIC;
           CLK : in STD_LOGIC;
           PRESET : in STD_LOGIC;
           Q : out STD_LOGIC);
end preset_dff;

architecture Behavioral of preset_dff is
begin
process(CLK)
begin
    if rising_edge(CLK) then
        -- プリセット信号がアクティブなら出力を1に
        if PRESET = '1' then
            Q <= '1';
        else
            Q <= D;
        end if;
    end if;
end process;
end Behavioral;

上記のコードにおいて、CLKが立ち上がりエッジであるとき、もしPRESET信号がアクティブ(‘1’)であれば、Qの出力は強制的に1になります。

それ以外の場合、Qの出力はD入力に従います。

このDFFを使用すると、例えば初期化時やエラー回復の際に、出力を強制的に所望の状態に設定することができます。

このような機能は、実際のデジタルシステムの設計において非常に役立つものとなっています。

次に、このDFFの動作をテストするためのテストベンチのサンプルコードを表します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity tb_preset_dff is
end tb_preset_dff;

architecture sim of tb_preset_dff is
    signal D, CLK, PRESET, Q : STD_LOGIC;
begin
    UUT: entity work.preset_dff
        port map (D, CLK, PRESET, Q);

    test_process: process
    begin
        CLK <= '0'; D <= '0'; PRESET <= '0'; wait for 10 ns;
        CLK <= '1'; wait for 10 ns; CLK <= '0'; wait for 10 ns;
        D <= '1'; CLK <= '1'; wait for 10 ns; CLK <= '0'; wait for 10 ns;
        PRESET <= '1'; CLK <= '1'; wait for 10 ns; CLK <= '0'; wait for 10 ns;
        PRESET <= '0'; D <= '0'; CLK <= '1'; wait for 10 ns; CLK <= '0'; wait for 10 ns;
        wait;
    end process;
end sim;

テストベンチでは、DFFの動作をシミュレートしています。

PRESET信号がアクティブになると、出力Qが即座に1になることが確認できます。

この動作は、実際の回路設計において非常に役立つものとなっています。

○サンプルコード5：非同期リセットとプリセット付きDFF

非同期リセットとプリセットは、DFFの動作を強制的に制御する重要な機能です。

これにより、特定の条件下でDFFをリセットまたは設定することができます。

ここでは、非同期リセットとプリセットを備えたDFFのVHDLコードを紹介します。

まず、このコードでは非同期リセット信号（async_reset）と非同期プリセット信号（async_preset）を使用してDFFを制御する方法を表しています。

非同期リセット信号がアクティブな場合、DFFの出力はリセットされます。

同様に、非同期プリセット信号がアクティブな場合、DFFの出力は設定されます。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity dff_reset_preset is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           async_reset : in STD_LOGIC;
           async_preset : in STD_LOGIC;
           d : in STD_LOGIC;
           q : out STD_LOGIC);
end dff_reset_preset;

architecture Behavioral of dff_reset_preset is
begin
process(clk, async_reset, async_preset)
begin
    -- 非同期リセットがアクティブな場合
    if async_reset = '1' then 
        q <= '0';
    -- 非同期プリセットがアクティブな場合
    elsif async_preset = '1' then
        q <= '1';
    -- クロックの立ち上がりエッジでデータを取得
    elsif rising_edge(clk) then
        q <= d;
    end if;
end process;
end Behavioral;

このコードの中心的な部分は、非同期リセットと非同期プリセットの動作を記述するプロセス部です。

リセットやプリセット信号がアクティブになると、出力qは即座にリセットまたは設定されます。

これは、クロックの状態や前のデータの状態に関係なく動作します。

このDFFをテストする場合、次のような動作を観察することが期待されます。

例えば、非同期リセットがアクティブ化されると、qの出力は即座に0になります。

同様に、非同期プリセットがアクティブ化されると、qの出力は即座に1になります。

これらの信号が非アクティブな場合、クロックの立ち上がりエッジでのみ、dの入力値がqに移されます。

注意点として、非同期リセットと非同期プリセットは同時にアクティブにしないように注意が必要です。

もし両方の信号が同時にアクティブになった場合、このコードでは非同期リセットが優先されます。

●DFFの応用例とサンプルコード

DFFはそのシンプルさから多くのデジタル回路設計に利用されています。

ここでは、DFFの基本的な応用例として、カウンタ、レジスタ、シフトレジスタをVHDLで実装する方法を具体的なサンプルコードとともに解説します。

○サンプルコード6：DFFを使用したカウンタ

カウンタはデジタル回路設計の中で非常に一般的に使用されるもので、DFFを使用することで容易に実装することができます。

DFFを使用して4ビットのアップカウンタを実装した例を紹介します。

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

entity counter is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           out_data : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
end counter;

architecture Behavioral of counter is
    signal count : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) := "0000";
begin
    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            count <= "0000";
        elsif rising_edge(clk) then
            count <= count + 1;
        end if;
    end process;

    out_data <= count;
end Behavioral;

このコードでは、4ビットのカウンタを実装しています。

クロックの立ち上がりエッジ毎にカウント値が1増加し、リセット信号がアクティブのときはカウンタの値が0にリセットされます。

実際にFPGAボードなどに実装して動作を確認すると、出力のLEDやディスプレイに0から15までのカウント値が表示されることが確認できるでしょう。

○サンプルコード7：DFFベースのレジスタ

DFFを用いて、データを一時的に保持するレジスタを実装することもできます。

8ビットのレジスタをVHDLで実装した例を紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity reg8bit is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           load : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end reg8bit;

architecture Behavioral of reg8bit is
    signal reg_data : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if load = '1' then
                reg_data <= data_in;
            end if;
        end if;
    end process;

    data_out <= reg_data;
end Behavioral;

このコードでは、データ入力ポートからのデータをload信号がアクティブなときにレジスタにロードします。

次のクロックサイクルでdata_outポートからそのデータを出力します。

実際には、このレジスタをメモリやバッファとして使用することができます。

○サンプルコード8：DFFを活用したシフトレジスタ

シフトレジスタはDFFを直列に接続することで実装できます。

4ビットの右シフトレジスタをVHDLで実装した例を紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity shift_reg is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC;
           shift : in STD_LOGIC;
           out_data : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
end shift_reg;

architecture Behavioral of shift_reg is
    signal reg_data : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) := "0000";
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) and shift = '1' then
            reg_data <= reg_data(2 downto 0) & data_in;
        end if;
    end process;

    out_data <= reg_data;
end Behavioral;

このコードは、shift信号がアクティブなときに、右方向にデータをシフトします。

data_inから新しいデータが入力され、out_dataからシフトされたデータが出力されます。

●VHDLでのDFF作成の注意点

VHDLでのDFF作成には多くの技術的要因が絡み合います。

ここでは、その中でも特に注意を要するポイントについて詳しく説明します。

VHDLでDFFを正確に設計するために、以下の点を注意して設計を進めてください。

○クロック信号の扱い

VHDLでDFFを設計する際、クロック信号の取り扱いは非常に重要です。

不適切なクロック信号の取り扱いは、回路の不安定性や予期しない動作を引き起こす可能性があります。

このコードでは、クロック信号clkを適切に取り扱う方法を表しています。

この例では、rising_edge関数を使用してクロックの立ち上がりエッジでDFFが動作するようにしています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity simple_dff is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           d : in STD_LOGIC;
           q : out STD_LOGIC);
end simple_dff;

architecture Behavioral of simple_dff is
begin
    process(clk)
    begin
        -- クロックの立ち上がりエッジで動作する
        if rising_edge(clk) then
            q <= d;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードを実行すると、クロック信号clkの立ち上がりエッジで、入力dの値が出力qに出力される動作をします。

このように、rising_edge関数を使用することで、クロックの特定のエッジでの動作を簡単に制御することができます。

○非同期リセットとプリセットの注意

非同期リセットとプリセットは、DFFの外部から即座に出力をリセットまたはセットする機能です。

これらの信号は、システムの初期化やエラー回復など、緊急時の動作を制御するために使用されることが多いです。

しかし、VHDLでこれらの信号を取り扱う際には注意が必要です。

特に、非同期リセットと非同期セットの同時発生や、そのタイミングによる問題など、回路の動作に影響を及ぼす要因が考えられます。

このコードでは、非同期リセットとプリセットを持つDFFのサンプルを表しています。

この例では、リセット信号resetが’1’のときに出力qを’0’に、プリセット信号presetが’1’のときに出力qを’1’にします。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity async_dff is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           d : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           preset : in STD_LOGIC;
           q : out STD_LOGIC);
end async_dff;

architecture Behavioral of async_dff is
begin
    process(clk, reset, preset)
    begin
        if reset = '1' then
            q <= '0';
        elsif preset = '1' then
            q <= '1';
        elsif rising_edge(clk) then
            q <= d;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

リセット信号やプリセット信号を使用する際には、それらの信号の優先順位や動作タイミングを正確に理解して、適切に設計することが求められます。

○テストベンチの利用

DFFの動作を確認するためには、テストベンチの利用が不可欠です。

テストベンチは、設計した回路の動作をシミュレーションするためのツールで、VHDLでの設計では頻繁に使用されます。

テストベンチを使用することで、実際のハードウェア上での動作前に、回路の動作を確認し、問題点や改善点を特定することができます。

上記の非同期リセットとプリセットを持つDFFの動作をシミュレートするための簡易的なテストベンチのサンプルコードを紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity testbench is
end testbench;

architecture sim of testbench is
    signal clk, d, reset, preset, q : STD_LOGIC;
begin
    uut: entity work.async_dff
        port map (clk, d, reset, preset, q);

    clk <= not clk after 10 ns;
    d <= '0', '1' after 20 ns, '0' after 40 ns;
    reset <= '1', '0' after 15 ns;
    preset <= '0', '1' after 35 ns, '0' after 45 ns;

end sim;

このテストベンチを使用してシミュレーションを実行すると、非同期リセットとプリセットが適切に動作していることが確認できます。

●DFFのカスタマイズ方法

DFFは非常にベーシックなデジタル回路であり、その基本的な動作原理を理解していれば、多くの応用やカスタマイズが可能となります。

VHDLでのDFF設計の魅力の一つは、その柔軟性とカスタマイズの容易さにあります。

ここでは、初心者の方がすぐに試してみることができるDFFのカスタマイズ方法を取り上げます。

○パラメータの利用

DFFの動作を変えるための簡単な方法の一つは、パラメータを用いてその動作を制御することです。

例として、DFFの動作周期を変更できるパラメータを導入してみましょう。

このコードでは、DFFの動作周期を変更するためのパラメータperiodを導入しています。

この例では、クロックの立ち上がりエッジが発生するたびにDFFが動作する代わりに、periodの数だけのクロックサイクルが経過した後にDFFが動作します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity param_dff is
    generic(period : integer := 2);
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           d : in STD_LOGIC;
           q : out STD_LOGIC);
end param_dff;

architecture Behavioral of param_dff is
    signal count : integer := 0;
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            count <= count + 1;
            if count = period then
                q <= d;
                count <= 0;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

上記のコードでは、クロックの立ち上がりエッジが発生するたびにcountをインクリメントしています。

countがperiodと等しくなった場合にのみ、DFFの動作が発生し、qにdの値が代入されます。

このカスタマイズを利用すると、特定の条件下でDFFの動作を制御することができます。

○異なるデータタイプのDFF

通常のDFFは、1ビットのデータを扱いますが、VHDLを用いると、複数ビットや異なるデータタイプを扱うDFFも簡単に設計できます。

8ビットのバイナリデータを扱うDFF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_UNSIGNED.ALL;

entity byte_dff is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           d : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           q : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end byte_dff;

architecture Behavioral of byte_dff is
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            q <= d;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、入力dと出力qを8ビットのSTD_LOGIC_VECTORとして定義しています。

クロックの立ち上がりエッジで、8ビットのdの値がqに出力されます。

このDFFを使用することで、8ビットのバイナリデータを一度に取り扱うことができます。

例えば、アナログからデジタルへの変換器の出力など、8ビットのデータが出力される場面で役立ちます。

●まとめ

VHDLを用いたDFFの作成手法は、電子回路の設計やシステムの実装において極めて重要なスキルとなっています。

今回の記事を通じて、初心者でも簡単に実践できる5つのDFF作成手法について紹介しました。

各手法には独自の特徴や利点があり、用途や要件に応じて最適なものを選択することができます。

また、DFFの応用例やカスタマイズ方法についても解説しました。

特に、DFFを使用したカウンタやレジスタ、シフトレジスタのサンプルコードは、VHDLを学ぶ上で実践的な知識を深めるのに役立つでしょう。

VHDLの学習は実践がとても重要です。

実際に手を動かしてサンプルコードを試すことで、深い理解を得ることができます。

この記事があなたのVHDLの学習の一助となれば幸いです。