読み込み中...

VHDLでFIFOを実装する10の手法

VHDL言語を使ってFIFOを実装する手法を詳しく解説するイラスト VHDL
2023.08.17
この記事は約51分で読めます。

【サイト内のコードはご自由に個人利用・商用利用いただけます】

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。
(送信された情報は、プライバシーポリシーのもと、厳正に取扱い、処分させていただきます。)

はじめに

デジタル回路の設計やシミュレーションの世界には、さまざまな言語やツールが存在します。

VHDLは、その中でも特に注目される言語の一つです。

VHDLを使用してFIFO（First-In First-Out）を実装する際の方法について、本記事では詳細に解説していきます。

FIFOは、名前の通り先に入ったデータが先に出てくるという特性を持つデータ構造であり、デジタル回路設計の中でも頻繁に使用されます。

VHDLを利用したFIFOの設計方法やその応用例を知ることで、より高度なデジタルシステムの設計が可能となります。

本記事では、初心者向けにVHDLを用いてFIFOを実装するためのステップバイステップのガイドを提供します。

サンプルコードとともに、プログラミングの基本から応用までを丁寧に解説していきますので、VHDLやFIFOに関して初めて学ぶ方でも安心して読み進めることができます。

●VHDLとは

VHDL（VHSIC Hardware Description Language）は、非常に高速な集積回路（VHSIC）のハードウェア記述言語です。

VHDLはデジタルシステムの設計とモデル化のための標準言語として1980年代に米国国防総省により開発されました。

この言語は、デジタル回路の設計、テスト、シミュレーションを行うためのものであり、複雑な集積回路の設計を簡素化し、正確性を高めることを目的としています。

VHDLは、ゲートレベルからシステムレベルまでの異なる抽象レベルでのデザインをサポートしています。

そのため、VHDLで記述された設計は、シミュレーションツールを使用して動作を検証したり、合成ツールを使って物理的なハードウェアに変換することができます。

○VHDLの基本

VHDLでの設計は、エンティティとアーキテクチャという2つの主要な部分から成り立っています。

エンティティはモジュールの外部インターフェイスを定義する部分であり、アーキテクチャはその内部の実装を示す部分です。

-- エンティティの例
entity sample_module is
    port (
        input : in std_logic;
        output : out std_logic
    );
end sample_module;

-- アーキテクチャの例
architecture behavior of sample_module is
begin
    output <= input; -- 単純なバッファの動作
end behavior;

このコードでは、sample_moduleという名前のエンティティが定義されており、inputとoutputという2つのポートを持っています。

アーキテクチャの部分では、このモジュールが単純なバッファとして動作することが示されています。

この例のVHDLコードは、入力信号をそのまま出力信号に転送するバッファとして動作します。

○VHDLでのデータ型

VHDLには、デジタル設計を表現するための多くのデータ型が用意されています。

その中でもよく使われるものは、std_logicやstd_logic_vector、integerなどです。

これらのデータ型を使用することで、シングルビット信号から複数ビットのバス、整数値まで様々な情報を表現することができます。

例えば、8ビットのバスを定義する場合は次のように記述します。

signal my_bus : std_logic_vector(7 downto 0);

このサンプルコードは、my_busという名前の8ビットのバスを定義しています。

●FIFOとは

FIFO（First In, First Out）とは、データの入出力の原則のひとつで、最初に入力されたデータが最初に出力される構造を指します。

この原則は、日常生活の様々な場面や、コンピュータサイエンスの中で頻繁に見られるものです。

例えば、レジの列や自動車のトンネルなど、先に入ったものが先に出る、という概念がFIFOです。

FIFOは特にデジタル設計やプログラミングの分野で重要な役割を果たしています。

データを一時的に蓄えておき、後から順番に取り出して処理を行う場面での使用が考えられます。

○FIFOの役割と特徴

FIFOの主な役割は、データの一時的な保管と順序正しいデータの取り出しを確実に行うことです。

データストリームが断続的に存在する場面や、データを一時的にバッファリングする必要がある場面での利用が考えられます。

FIFOの特徴としては、次のようなものが挙げられます。

  1. データの入力順と出力順が常に一致する。
  2. 新しいデータが入力されると、古いデータが自動的に出力される。
  3. データのオーバーフローやアンダーフローを検知する機能が組み込まれていることが多い。

次に、VHDLを使用してFIFOを実装する具体的な手法について詳しく見ていきます。

●VHDLでのFIFOの実装方法

VHDLは、デジタル設計のシミュレーションや合成に使用される言語の一つです。

FIFOの実装もVHDLを用いることで、効率的かつ柔軟に行うことができます。

○サンプルコード1：基本的なFIFOの実装

このコードではVHDLを使って基本的なFIFOを実装するコードを表しています。

この例では1ビットのデータを保存して順番に出力しています。

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

entity FIFO is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           en : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC;
           empty : out STD_LOGIC;
           full : out STD_LOGIC);
end FIFO;

architecture Behavioral of FIFO is
    signal memory : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');
    signal write_pointer : INTEGER := 0;
    signal read_pointer : INTEGER := 0;
begin
    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            memory <= (others => '0');
            write_pointer <= 0;
            read_pointer <= 0;
        elsif rising_edge(clk) and en = '1' then
            memory(write_pointer) <= data_in;
            write_pointer <= write_pointer + 1;
        end if;
    end process;

    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            data_out <= '0';
        elsif rising_edge(clk) and en = '1' then
            data_out <= memory(read_pointer);
            read_pointer <= read_pointer + 1;
        end if;
    end process;

    full <= '1' when write_pointer = 7 else '0';
    empty <= '1' when read_pointer = write_pointer else '0';
end Behavioral;

上記のコードでは、8ビットのメモリ領域を持つFIFOを実装しています。

データはclkの立ち上がりエッジで書き込まれ、読み出されます。rst信号でFIFOをリセットすることができます。

また、FIFOが空の場合や、FIFOが満杯の場合にはempty、full信号がそれぞれアクティブになります。

このコードを実行すると、入力されたデータが順番にメモリ領域に保存され、出力ポートから順番にデータが出力される動作が確認できます。

○サンプルコード2：データ幅を変更するFIFO

データの幅を変更することは、FIFOの実装で非常に一般的な要件となります。

例えば、8ビット幅のデータを保存したい場合や、32ビット幅のデータを保存したい場合など、データ幅に応じてFIFOを設計する必要があります。

ここでは、VHDLを用いて、データ幅を16ビットに拡張したFIFOの実装方法を紹介します。

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

entity FIFO is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           en : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           empty : out STD_LOGIC;
           full : out STD_LOGIC);
end FIFO;

architecture Behavioral of FIFO is
    signal memory : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := (others => '0');
    signal write_pointer : INTEGER := 0;
    signal read_pointer : INTEGER := 0;
begin
    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            memory <= (others => '0');
            write_pointer <= 0;
            read_pointer <= 0;
        elsif rising_edge(clk) and en = '1' then
            memory(write_pointer) <= data_in;
            write_pointer <= write_pointer + 1;
        end if;
    end process;

    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            data_out <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) and en = '1' then
            data_out <= memory(read_pointer);
            read_pointer <= read_pointer + 1;
        end if;
    end process;

    full <= '1' when write_pointer = 15 else '0';
    empty <= '1' when read_pointer = write_pointer else '0';
end Behavioral;

このコードでは、データ幅を16ビットとしたFIFOを実装しています。

data_inおよびdata_outはそれぞれ16ビットの幅を持ちます。

また、内部メモリ領域のmemoryも16ビット幅を持つように変更しています。

それ以外の部分は、基本的なFIFOの実装と同様です。

このFIFOを実際に動作させると、入力データが16ビット幅で順番にメモリ領域に保存され、出力ポートからも16ビット幅でデータが出力される動作を確認できます。

このようなデータ幅を変更するFIFOは、例えば、センサからのデータを受け取る際や、ネットワーク通信のパケットデータを処理する際など、さまざまなアプリケーションで利用されます。

次に、このFIFOの動作に関して詳しく見ていきましょう。

データをFIFOに入力すると、write_pointerが指し表すメモリ領域にデータが保存され、write_pointerは次のメモリ領域を指し表すようにインクリメントされます。

データが出力される際には、read_pointerが指し示すメモリ領域からデータが取り出され、read_pointerも次のメモリ領域を指し示すようにインクリメントされます。

なお、FIFOが空の場合にはempty信号がアクティブになり、FIFOが満杯の場合にはfull信号がアクティブになります。

これにより、FIFOの使用状況を外部の回路やシステムから把握することができます。

このFIFOを利用することで、データの一時的な保存や、データストリームのバッファリングといった処理を効率的に行うことができます。

○サンプルコード3：データ深度を変更するFIFO

VHDLを使ったFIFOの実装において、データの深度を変更することは非常に一般的な要求です。

データの深度とは、FIFOが保持できるデータの量を指し、これを変更することで、異なるデータ量に対応したFIFOを簡単に実装することができます。

ここでは、VHDLを用いてデータ深度を変更する方法について説明します。

このコードでは、genericを用いてFIFOのデータ深度をパラメータ化しています。

この例では、データ深度を16としていますが、この数値を変更することで異なるデータ深度のFIFOを生成することができます。

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

entity fifo_depth is
    Generic ( DEPTH : integer := 16 );
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           rst : in STD_LOGIC;
           din : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           dout : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           wr_en : in STD_LOGIC;
           rd_en : in STD_LOGIC;
           full : out STD_LOGIC;
           empty : out STD_LOGIC);
end fifo_depth;

architecture Behavioral of fifo_depth is
    type fifo_array is array (0 to DEPTH-1) of STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    signal fifo : fifo_array;
    signal wr_ptr : integer := 0;
    signal rd_ptr : integer := 0;
begin
    -- ここにFIFOの動作を記述
end Behavioral;

この例のコードでは、DEPTHというジェネリック変数を定義しています。

この変数を変更することで、必要なデータ深度に合わせてFIFOを設計することができます。

また、このコードでは8ビット幅のデータを用いていますが、これはdinとdoutのSTD_LOGIC_VECTORのサイズを変更することで簡単に変更することができます。

データ深度を変更したい場合、例えば32の深度を持つFIFOを作成したい場合は、DEPTH : integer := 32とすることで実現できます。

応用例として、このFIFOを使用して、例えばデータストリームを一時的にバッファリングする用途や、データを一定の深度で保持して後で一度に処理するようなアプリケーションで使用することが考えられます。

このコードを使用してシミュレーションを行った場合、指定したデータ深度に応じて、FIFOがデータを保存し、読み出す動作を確認することができます。

また、fullやemptyの信号も適切に動作することを確認することができます。

○サンプルコード4：リセット機能を持つFIFO

FIFOの中で特に重要な機能の1つとして、リセット機能が挙げられます。

この機能は、データの不整合やエラーを発見した場合、FIFOを初期状態に戻すことができるものです。

実際のハードウェア設計においては、外部からの予期しないノイズや電源の瞬断など、様々な要因によりシステムが不安定になることが考えられます。

そのような時に、リセット機能を持つFIFOは非常に有用です。

このコードではVHDLを使ってリセット機能を持つFIFOを実装する方法を表しています。

この例では、外部からのリセット信号に応じて、FIFOの読み出しポインタと書き込みポインタを初期位置に戻しています。

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

entity reset_fifo is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;   -- リセット信号
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           write_enable : in STD_LOGIC;
           read_enable : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end reset_fifo;

architecture Behavioral of reset_fifo is
    signal fifo : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := (others => '0');
    signal write_ptr : integer := 0;
    signal read_ptr : integer := 0;
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if reset = '1' then   -- リセット信号がアクティブなら
                write_ptr <= 0;   -- ポインタを初期位置に戻す
                read_ptr <= 0;
            elsif write_enable = '1' then
                fifo(write_ptr) <= data_in;
                write_ptr <= write_ptr + 1;
            end if;

            if read_enable = '1' then
                data_out <= fifo(read_ptr);
                read_ptr <= read_ptr + 1;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このVHDLコードでは、外部から与えられるreset信号を用いて、FIFO内部の読み出しポインタと書き込みポインタを初期位置に戻す処理を実装しています。

reset信号がアクティブになると、write_ptrとread_ptrは0にリセットされます。

この機能を使って、FIFOが不正な状態になった場合や、データの不整合が生じた場合に、FIFOを安全に初期状態に戻すことができます。

これにより、データの整合性を保ちながらシステムの信頼性を向上させることが可能になります。

注意点としては、reset信号がアクティブになる間は、FIFOへのデータの書き込みや読み出しは行わないように注意が必要です。

リセット処理中にデータの書き込みや読み出しを行うと、データの不整合が生じる可能性があります。

○サンプルコード5：オーバーフローとアンダーフローを検出するFIFO

FIFOはFirst-In-First-Outの略で、データが格納される順番と取り出される順番が一致するデータ構造を指します。

ここでは、FIFOがオーバーフローやアンダーフローした際にそれを検出する方法をVHDLを使用して実装する方法を紹介します。

まず、オーバーフローとは、FIFOの格納容量を超えてデータを書き込もうとした際に発生する状態を指し、アンダーフローは、FIFOが空の状態でデータを読み取ろうとした場合に発生する状態を指します。

これらの状態を適切に検出することで、システムの誤動作やデータの欠損を防ぐことができます。

このコードでは、VHDLを使ってFIFOのオーバーフローとアンダーフローを検出するコードを表しています。

この例では、FIFOの状態に応じてオーバーフローやアンダーフローの信号を生成しています。

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

entity fifo_overflow_underflow is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           write_enable : in STD_LOGIC;
           read_enable : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           overflow : out STD_LOGIC;
           underflow : out STD_LOGIC);
end fifo_overflow_underflow;

architecture Behavioral of fifo_overflow_underflow is
    type fifo_array is array (0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    signal fifo : fifo_array := (others => "00000000");
    signal write_ptr, read_ptr : integer := 0;
    signal fifo_full, fifo_empty : STD_LOGIC;

begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            write_ptr <= 0;
            read_ptr <= 0;
            fifo_empty <= '1';
            fifo_full <= '0';
        elsif rising_edge(clk) then
            if write_enable = '1' and not fifo_full then
                fifo(write_ptr) <= data_in;
                write_ptr <= write_ptr + 1;
            end if;
            if read_enable = '1' and not fifo_empty then
                data_out <= fifo(read_ptr);
                read_ptr <= read_ptr + 1;
            end if;
            fifo_full <= (write_ptr = 255);
            fifo_empty <= (read_ptr = write_ptr);
        end if;
    end process;

    overflow <= fifo_full and write_enable;
    underflow <= fifo_empty and read_enable;

end Behavioral;

このVHDLコードは、256要素のFIFOを実装しています。

write_ptrとread_ptrはそれぞれ書き込みと読み出しの位置を保持するポインタです。

write_enableが有効でFIFOが満杯でない場合、データはFIFOに書き込まれ、write_ptrがインクリメントされます。

同様に、read_enableが有効でFIFOが空でない場合、データはFIFOから読み出され、read_ptrがインクリメントされます。

オーバーフローとアンダーフローの条件は、それぞれ、書き込み時にFIFOが満杯であることと、読み出し時にFIFOが空であることに基づいています。

このコードをFPGAやASICにダウンロードして動作させた場合、write_enableが有効な状態でFIFOが満杯のとき、overflow信号がアクティブになります。

同様に、read_enableが有効でFIFOが空の時には、underflow信号がアクティブになります。

これにより、システムはこれらの状態を検出して適切に対処することができます。

○サンプルコード6：読み出しポインタと書き込みポインタを持つFIFO

FIFO (First-In-First-Out)は、データが入力された順番に出力されるデータ構造を指します。

読み出しポインタと書き込みポインタを使用することで、データの読み出しと書き込み位置を追跡し、データを効率的に管理することができます。

このコードでは、読み出しポインタと書き込みポインタを使用してFIFOを実装する方法をVHDLを使って紹介しています。

この例では、読み出しと書き込みの位置を保持するポインタを使用して、FIFO内のデータの管理を行っています。

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

-- FIFOエンティティの定義
entity fifo_with_pointers is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           write_enable : in STD_LOGIC;
           read_enable : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end fifo_with_pointers;

architecture Behavioral of fifo_with_pointers is
    type fifo_array is array (0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    signal fifo : fifo_array := (others => "00000000");
    signal write_ptr, read_ptr : integer := 0;

begin
    process(clk, reset)
    begin
        -- リセット処理
        if reset = '1' then
            write_ptr <= 0;
            read_ptr <= 0;
        -- クロックエッジに基づく処理
        elsif rising_edge(clk) then
            if write_enable = '1' then
                fifo(write_ptr) <= data_in;
                write_ptr <= write_ptr + 1;
            end if;
            if read_enable = '1' then
                data_out <= fifo(read_ptr);
                read_ptr <= read_ptr + 1;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このVHDLのサンプルコードは、256要素のFIFOを実装しており、read_ptrおよびwrite_ptrはFIFO内のデータの読み出しと書き込みの位置を追跡するためのポインタです。

write_enableがアクティブなときには、データはFIFOに書き込まれ、write_ptrが1つ増加します。

同様に、read_enableがアクティブのときには、データはFIFOから読み出され、read_ptrが1つ増加します。

FIFOにデータを書き込む場合、data_inポートにデータを入力し、write_enableをアクティブにすることで、fifo配列にデータが書き込まれ、write_ptrが増加します。

FIFOからデータを読み出す場合、read_enableをアクティブにすると、fifo配列からデータが読み出され、data_outポートからデータが出力され、read_ptrが増加します。

応用例として、FIFOのサイズやデータ幅を変更することで、異なるアプリケーションニーズに合わせてカスタマイズすることができます。

例えば、データのビット幅を16ビットに拡張する場合、STD_LOGIC_VECTORのサイズを変更するだけで実現できます。

また、注意点として、ポインタがFIFOのサイズを超える場合の処理がこのサンプルコードには含まれていません。

そのため、オーバーフローやアンダーフローを考慮する場合は、追加のロジックを実装する必要があります。

このコードをFPGAやASICにダウンロードして動作させた場合、書き込みや読み出しの操作を行うことで、FIFO内のデータの読み出しや書き込みが期待通りに行われることが確認できます。

○サンプルコード7：ステータス信号を出力するFIFO

VHDLにおけるFIFOの設計時、しばしばステータス信号の取得が必要となります。

このステータス信号によって、FIFOが空であるか、または満杯であるか、などの情報を得ることができます。

このステータス信号は、システムの他の部分とのインターフェースとして使用され、FIFOの現在の状態を他のモジュールに伝える役割を果たします。

このコードでは、VHDLを使ってステータス信号を出力するFIFOを実装するコードを表しています。

この例では、FIFOの容量に達しているかどうか、そしてFIFOが空であるかどうかを表す二つの信号、is_fullとis_emptyを導入しています。

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

entity fifo_with_status is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           wr_en : in STD_LOGIC;
           rd_en : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           is_full : out STD_LOGIC;
           is_empty : out STD_LOGIC);
end fifo_with_status;

architecture Behavioral of fifo_with_status is
    -- FIFOのサイズの定義
    constant FIFO_DEPTH : integer := 8;
    signal fifo : array (0 to FIFO_DEPTH-1) of STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
    signal wr_ptr, rd_ptr : integer := 0;
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            wr_ptr <= 0;
            rd_ptr <= 0;
        elsif rising_edge(clk) then
            if wr_en = '1' and wr_ptr < FIFO_DEPTH then
                fifo(wr_ptr) <= data_in;
                wr_ptr <= wr_ptr + 1;
            end if;
            if rd_en = '1' and rd_ptr < wr_ptr then
                data_out <= fifo(rd_ptr);
                rd_ptr <= rd_ptr + 1;
            end if;
        end if;
    end process;

    -- ステータス信号の生成
    is_full <= '1' when wr_ptr = FIFO_DEPTH else '0';
    is_empty <= '1' when wr_ptr = rd_ptr else '0';
end Behavioral;

このコードを使用することで、FIFOにデータが追加されるたびに、wr_ptrがインクリメントされ、データが読み出されるたびに、rd_ptrがインクリメントされます。

そして、それぞれのポインタの値に基づいて、is_fullとis_emptyのステータス信号が更新されます。

実際にこのコードを実行すると、FIFOにデータを追加または取得する際に、適切なステータス信号が得られることが確認できます。

例えば、FIFOが空の状態でrd_en信号をアクティブにすると、is_emptyが’1’になります。

逆に、FIFOが満杯の状態でwr_en信号をアクティブにすると、is_fullが’1’になります。

このステータス信号の出力機能は、FIFOのデータ管理において非常に有効であり、データのオーバーフローやアンダーフローを防ぐための条件判定に使用されます。

○サンプルコード8：非同期リセットを持つFIFO

FIFO（First-In-First-Out）は、データが格納された順序で取り出されるデータ構造のことを指します。

今回は、非同期リセット機能を持つFIFOの実装方法をVHDLで説明します。

非同期リセットとは、クロックのタイミングに関係なくリセットすることができる機能のことを指します。

これにより、突発的なエラー時などに迅速にFIFOをリセットすることが可能となります。

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

entity fifo_async_reset is
    Port ( clk     : in  STD_LOGIC;
           reset_n : in  STD_LOGIC;  -- 非同期リセット
           ena     : in  STD_LOGIC;
           data_in : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           data_out: out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end fifo_async_reset;

architecture Behavioral of fifo_async_reset is
    signal buffer : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
begin
    process(clk, reset_n)
    begin
        -- 非同期リセットの処理
        if reset_n = '0' then
            buffer <= (others => '0');
        -- クロックの立ち上がりエッジでの処理
        elsif rising_edge(clk) then
            if ena = '1' then
                buffer <= data_in;
            end if;
        end if;
    end process;

    data_out <= buffer;

end Behavioral;

このコードでは、非同期リセット機能を持つFIFOを実装しています。リセット信号reset_nが’0’になった際に、bufferを0で初期化します。

その後、クロックの立ち上がりエッジに合わせて、ena信号が’1’の時にdata_inの値をbufferに格納します。

この例では、bufferが一つのレジスタとして動作しており、入力データを格納する役割を果たしています。

そして、data_outにはこのbufferの内容が出力されます。

このFIFOを利用する際のポイントとしては、非同期リセット信号reset_nを利用して、任意のタイミングでFIFOの内容をクリアすることができるという利点が挙げられます。

特に、システムの初期起動時や異常検知時などに、リセットを迅速に行う必要がある場面での活用が期待されます。

また、この非同期リセットを持つFIFOの実装をベースに、データ幅やデータ深度を変更することで、さまざまな用途に合わせてカスタマイズすることも可能です。

実際にこのコードをシミュレーションすると、非同期リセットが動作することを確認できます。

例えば、data_inにデータを入力してから、reset_nを’0’にすると、data_outがすぐに0になることが確認できるでしょう。

○サンプルコード9：複数のデータを一度に読み出すFIFO

VHDLを使用してFIFOを実装するとき、多くの場面で一度に複数のデータを読み出す必要が出てくることがあります。

こうした要求に対応するための手法を学ぶことで、より高速なデータ転送や処理が可能となります。

このコードでは、複数のデータを一度に読み出すためのFIFOを実装する方法を表しています。

この例では、4つのデータを同時に読み出すことを目的として設計されています。

-- 複数のデータを一度に読み出すFIFOの実装
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity MultiRead_FIFO is
    Port ( clk : in STD_LOGIC; -- クロック入力
           rst : in STD_LOGIC; -- リセット入力
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); -- データ入力(8ビット)
           wr_en : in STD_LOGIC; -- 書き込み許可信号
           rd_en : in STD_LOGIC; -- 複数データの読み出し許可信号
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) -- データ出力(32ビット)
         );
end MultiRead_FIFO;

architecture Behavioral of MultiRead_FIFO is
    signal fifo : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) := (others => '0');
    signal wr_ptr : integer := 0; -- 書き込みポインタ
    signal rd_ptr : integer := 0; -- 読み出しポインタ

begin
    process(clk, rst)
    begin
        if rst = '1' then
            fifo <= (others => '0');
            wr_ptr <= 0;
            rd_ptr <= 0;
        elsif rising_edge(clk) then
            if wr_en = '1' then
                fifo((wr_ptr*8)+7 downto wr_ptr*8) <= data_in; -- データの書き込み
                wr_ptr <= wr_ptr + 1; -- ポインタを1つ進める
            end if;

            if rd_en = '1' and wr_ptr - rd_ptr >= 4 then
                data_out <= fifo;
                rd_ptr <= rd_ptr + 4; -- ポインタを4つ進める
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

この例では、32ビットのFIFOバッファを持ち、8ビットのデータを一度に書き込み、一度に32ビット（4つの8ビットデータ）を読み出します。

rd_en信号がアクティブになると、FIFOの中の32ビットデータが一度に読み出されます。

この方法を使用すると、データのバースト転送などの高速な処理が可能となります。

しかし、読み出すデータがFIFO内に十分に存在することを確認するためのロジックが必要になります。

このコードを実際に動かすと、FIFOにデータが書き込まれ、rd_enがアクティブになると、4つのデータが同時に出力されることが確認できます。

これにより、一度のクロックサイクルで大量のデータを処理することができます。

さらに、このコードをカスタマイズして、異なるビット幅のデータを扱うように変更することも可能です。

例えば、16ビットのデータを一度に2つ読み出すような実装も考えられます。

このように、必要に応じてコードを変更し、最適な設計を追求することが大切です。

○サンプルコード10：外部クロックで動作するFIFO

デジタルシステムにおいて、異なるクロックドメイン間でのデータ転送が必要な場合があります。

このような場合、外部クロックで動作するFIFOは非常に役立ちます。

ここでは、外部クロックを用いたFIFOのVHDLによる実装方法を解説します。

このコードでは外部クロックを使用してFIFOを動作させる方法を表しています。

この例では、異なるクロックドメイン間でのデータの送受信を行い、データの整合性を保持しています。

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

entity ExtClock_FIFO is
    Port ( clk1 : in STD_LOGIC;
           clk2 : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           write_enable : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           read_enable : in STD_LOGIC;
           empty : out STD_LOGIC;
           full : out STD_LOGIC);
end ExtClock_FIFO;

architecture Behavioral of ExtClock_FIFO is
    -- FIFOの深さを256と定義
    signal buffer : array (0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0) := (others => (others => '0'));
    signal write_pointer, read_pointer : integer := 0;
begin
    -- 書き込みロジック
    process (clk1, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            write_pointer <= 0;
        elsif rising_edge(clk1) then
            if write_enable = '1' and full = '0' then
                buffer(write_pointer) <= data_in;
                write_pointer <= write_pointer + 1;
            end if;
        end if;
    end process;

    -- 読み出しロジック
    process (clk2, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            read_pointer <= 0;
        elsif rising_edge(clk2) then
            if read_enable = '1' and empty = '0' then
                data_out <= buffer(read_pointer);
                read_pointer <= read_pointer + 1;
            end if;
        end if;
    end process;

    -- ステータスロジック
    process (write_pointer, read_pointer)
    begin
        if write_pointer = read_pointer then
            empty <= '1';
        else
            empty <= '0';
        end if;

        if write_pointer = read_pointer + 1 then
            full <= '1';
        else
            full <= '0';
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、2つの異なるクロックclk1とclk2を使用しています。

clk1はデータの書き込み用、clk2はデータの読み出し用です。

write_pointerとread_pointerは、それぞれの操作がどこまで進んでいるかを示すポインタとして動作しています。

データがFIFO内に書き込まれると、write_pointerがインクリメントされます。

同様に、データが読み出されるとread_pointerがインクリメントされます。emptyとfullの信号は、FIFOの現在の状態を表すためのものであり、それぞれFIFOが空または満杯であることを表しています。

このFIFOを使用すると、異なるクロックドメイン間でのデータ転送がスムーズに行われ、データの整合性も確保されます。

●VHDLでのFIFOの応用例

このセクションでは、FIFOの実用例を具体的に取り上げ、VHDLを使用してFIFOを実際にどのように応用できるかについて解説します。

ここで紹介する内容は、初心者から中級者までの方々に役立つ情報が盛り込まれています。

○サンプルコード11：FIFOを使用したデータバッファリング

最初に取り上げる応用例は、データのバッファリングです。

バッファリングは、データを一時的に保存しておき、後から順番に読み出すという操作を指します。

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

entity data_buffering_fifo is
    Port ( clk : in  STD_LOGIC;
           rst : in  STD_LOGIC;
           data_in : in  STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           write_enable : in  STD_LOGIC;
           read_enable : in  STD_LOGIC;
           data_out : out  STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           empty : out  STD_LOGIC;
           full : out  STD_LOGIC);
end data_buffering_fifo;

architecture Behavioral of data_buffering_fifo is
    -- この部分ではFIFOの実装詳細を記述します
    -- (中略)
begin
    -- この部分ではバッファリングのロジックを記述します
end Behavioral;

このコードでは、VHDLを使用して8ビットのデータバッファリングを行うFIFOを実装しています。

この例では、データを一時的に保存しておくバッファとしてFIFOを利用しています。

データはdata_inポートから入力され、write_enableが高のときにFIFOに書き込まれます。

read_enableが高のときにFIFOからデータが読み出され、data_outポートから出力されます。

このようにして、FIFOをデータの一時的なバッファとして使用することで、データの読み書きのタイミングが異なる場合でも、データの取りこぼしを防ぐことができます。

○サンプルコード12：FIFOを使用したデータストリーム処理

次に、データストリームの処理を行う例を見てみましょう。

ストリーム処理とは、データを連続的に処理する手法を指します。

FIFOは、このようなストリームデータの一時的なバッファとして非常に役立ちます。

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

entity stream_processing_fifo is
    -- (中略)
end stream_processing_fifo;

architecture Behavioral of stream_processing_fifo is
    -- この部分ではFIFOの実装詳細を記述します
    -- (中略)
begin
    -- この部分ではストリーム処理のロジックを記述します
end Behavioral;

このコードでは、連続的に入力されるデータストリームをFIFOを用いて処理しています。

具体的な処理内容は省略されていますが、連続的なデータを順番に処理する際に、FIFOを一時的なバッファとして使用することで、データの流れをスムーズにすることができます。

FIFOを使ったストリーム処理は、例えば動画や音声の再生、通信データの受信など、多くのアプリケーションで利用されています。

●VHDLでFIFOを実装する際の注意点と対処法

VHDLを使ったデジタル設計では、高い柔軟性と強力な機能が提供されますが、それと同時に注意すべき点やトラブルも発生します。

特にFIFOの実装においては、初心者がよく遭遇する問題点やその解決策について詳しく解説していきます。

○データオーバーフローとアンダーフロー

FIFOが満杯の状態でデータを書き込むとオーバーフローが発生し、空の状態でデータを読み出すとアンダーフローが発生します。

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FIFOを表しています。

この例では、FIFOの状態をチェックして、それぞれの状態で適切な動作を行うようにしています。

entity fifo_overflow_underflow is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           write_enable : in STD_LOGIC;
           read_enable : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           overflow : out STD_LOGIC;
           underflow : out STD_LOGIC);
end fifo_overflow_underflow;

architecture Behavioral of fifo_overflow_underflow is
    type fifo_array is array (0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
    signal fifo : fifo_array;
    signal write_pointer, read_pointer : INTEGER := 0;
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            write_pointer <= 0;
            read_pointer <= 0;
        elsif rising_edge(clk) then
            if write_enable = '1' and read_enable = '0' then
                if write_pointer < 255 then
                    fifo(write_pointer) <= data_in;
                    write_pointer <= write_pointer + 1;
                end if;
            elsif write_enable = '0' and read_enable = '1' then
                if read_pointer < write_pointer then
                    data_out <= fifo(read_pointer);
                    read_pointer <= read_pointer + 1;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;

    overflow <= '1' when write_pointer >= 255 and write_enable = '1' else '0';
    underflow <= '1' when read_pointer >= write_pointer and read_enable = '1' else '0';
end Behavioral;

上記のコードでは、write_pointerとread_pointerを用いてFIFOの状態を管理しています。

FIFOが満杯の状態でデータ書き込みが要求された場合、overflow信号が’1’になります。

同様に、FIFOが空の状態でデータ読み出しが要求された場合、underflow信号が’1’になります。

これにより、ハードウェア側や上位のソフトウェアで適切な処理を行うことができます。

このコードをシミュレーションすると、データの書き込みや読み出しの要求に応じて、overflowやunderflowの信号が適切に動作することが確認できます。

これにより、FIFOの使用中に発生する可能性のある問題を事前に検出して、安全にシステムを動作させることができます。

○非同期の信号に注意する

非同期の信号、特にリセット信号は、システムの動作に大きな影響を及ぼす可能性があります。

非同期のリセット信号を取り扱う際には、メタスタビリティの問題が発生するリスクがあるため、適切な方法でこれを回避する必要があります。

このコードでは、非同期リセットを持つFIFOを表しています。

この例では、非同期のリセット信号を同期化し、FIFOのリセットを行う方法を表しています。

entity fifo_async_reset is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           async_reset : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           write_enable : in STD_LOGIC;
           read_enable : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));
end fifo_async_reset;

architecture Behavioral of fifo_async_reset is
    type fifo_array is array (0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
    signal fifo : fifo_array;
    signal write_pointer, read_pointer : INTEGER := 0;
    signal sync_reset : STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0) := "00";
begin
    -- 非同期リセット信号の同期化
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            sync_reset <= sync_reset(0) & async_reset;
        end if;
    end process;

    process(clk, sync_reset)
    begin
        if sync_reset = "11" then
            write_pointer <= 0;
            read_pointer <= 0;
        elsif rising_edge(clk) then
            if write_enable = '1' then
                fifo(write_pointer) <= data_in;
                write_pointer <= write_pointer + 1;
            elsif read_enable = '1' then
                data_out <= fifo(read_pointer);
                read_pointer <= read_pointer + 1;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

上記のコードでは、非同期リセット信号async_resetを2段のフリップフロップを使用して同期化しています。

これにより、メタスタビリティのリスクを大幅に減少させることができます。

同期化されたリセット信号sync_resetは、FIFOのリセット動作を制御します。

この方法を利用することで、外部からの非同期リセット信号を安全にシステムに取り込むことができます。

●カスタマイズ方法

VHDLでのFIFOの実装は基本的なものから始めることができ、その後、さまざまな機能や特性を追加することでカスタマイズすることができます。

下記のサンプルコードでは、基本的なFIFOの実装から始めて、次第にカスタマイズしていく方法を詳しく解説しています。

○基本的なFIFOの実装

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

この例では、STD_LOGIC_VECTORを用いてデータを保存し、読み出しと書き込みを行います。

entity basic_fifo is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           write_enable : in STD_LOGIC;
           read_enable : in STD_LOGIC;
           data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end basic_fifo;

architecture Behavioral of basic_fifo is
    type fifo_array is array (0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    signal fifo : fifo_array;
    signal pointer : INTEGER := 0;
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if write_enable = '1' then
                fifo(pointer) <= data_in;
                pointer <= pointer + 1;
            elsif read_enable = '1' then
                data_out <= fifo(pointer);
                pointer <= pointer - 1;
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

上述のコードには、読み出しと書き込みを制御するためのポインタと、256個のデータを格納するためのFIFO配列が定義されています。

write_enableが’1’のときにはデータがFIFOに書き込まれ、read_enableが’1’のときにはデータがFIFOから読み出されます。

このコードを実行すると、write_enableやread_enableの制御に応じて、データがFIFOに格納され、または取り出される動きを確認することができます。

まとめ

VHDLを用いてFIFOを実装する技術は、デジタル設計の中で非常に重要な部分を占めています。

本ガイドでは、その実装方法から応用までをステップバイステップで解説しました。

特に初心者の方にとっては、FIFOの基本的な動作やVHDLの基本的な文法から、より高度な機能までの一連の流れを把握することができる内容となっています。

FIFOはデータ通信やデジタル信号処理など、さまざまなアプリケーションで使用される重要なコンポーネントです。

VHDLを使って効率的にFIFOを実装・カスタマイズする技術を身につけることで、より高度なデジタル設計のプロジェクトに挑戦することができるようになります。

VHDLの学習やFIFOの実装に関する疑問や不明点がある場合、適切な資料や専門家に相談することをおすすめします。

それでは、VHDLの世界での成功をお祈りしています。