VHDLでのreal型の扱い方10選！

はじめに
●VHDLとreal型の基本
- ○VHDLとは
- ○real型とは
●VHDLでのreal型の使い方
●real型の応用例
●注意点と対処法
- ○real型の制約
- ○精度の問題とその対処法
●real型のカスタマイズ方法
- ○サンプルコード7：ユーザー定義のreal型関数
- ○サンプルコード8：real型を拡張して使う方法
●さらなるreal型の活用
- ○サンプルコード9：real型を活用したモジュールの設計
- ○サンプルコード10：real型の高度な数学関数の実装
まとめ

はじめに

VHDL言語は、ハードウェア記述言語の一つとして広く用いられています。

この言語には、様々なデータ型が存在し、それぞれのデータ型が特定の用途や操作に適しています。

中でも、real型は浮動小数点数を扱う際に利用されるデータ型です。

本記事では、VHDL言語でのreal型の詳細な使い方から、応用例、注意点、カスタマイズ方法まで、実用的なサンプルコードを通して学びます。

●VHDLとreal型の基本

○VHDLとは

VHDLは、ハードウェアの振る舞いや構造を記述するための言語で、特に集積回路の設計やシミュレーションに用いられます。

これにより、ハードウェアの動作をプログラミングすることができます。

○real型とは

real型は、VHDLで浮動小数点数を扱うためのデータ型です。

この型を使用することで、小数点以下の数値も含めて数値を表現することができます。

real型は、IEEE浮動小数点数の標準に基づいています。

●VHDLでのreal型の使い方

○サンプルコード1：real型変数の宣言と初期化

このコードでは、real型の変数を宣言し、初期化する方法を表しています。

この例では、real型の変数temp_valueを宣言し、初期値として3.14を設定しています。

entity sample1 is
end entity sample1;

architecture beh of sample1 is
    variable temp_value: real := 3.14;
begin
end beh;

実行後の結果、変数temp_valueは3.14という値を持つことになります。

○サンプルコード2：四則演算

このコードでは、real型を使って四則演算を行う方法を表しています。

この例では、2つのreal型の変数を宣言し、これらを使用して加算、減算、乗算、除算の各操作を行っています。

entity sample2 is
end entity sample2;

architecture beh of sample2 is
    variable a: real := 5.2;
    variable b: real := 3.1;
    variable sum: real;
    variable difference: real;
    variable product: real;
    variable quotient: real;
begin
    sum := a + b;
    difference := a - b;
    product := a * b;
    quotient := a / b;
end beh;

この例の結果、四則演算の各結果が変数sum、difference、product、quotientにそれぞれ格納されます。

○サンプルコード3：real型の変数間の代入

VHDLプログラミングの中で、real型の変数を扱う際、多くの場面で変数間のデータの移動やコピーが必要になることがあります。

変数の代入は、初心者から上級者まで、頻繁に行われる操作であるため、正確に理解しておくことが重要です。

このコードではreal型変数間でのデータの代入を行う方法を表しています。

この例では、変数Aに保持されているデータを変数Bに代入しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity real_assign is
end real_assign;

architecture behavior of real_assign is
    signal A, B : real := 0.0; -- real型の変数を宣言
begin
    process
    begin
        A <= 3.14;         -- Aに3.14を代入
        B <= A;            -- Aの値をBに代入
        wait for 10 ns;   -- 10ns待機
    end process;
end behavior;

上のサンプルコードでは、変数Aに3.14という値を代入した後、変数Aの値を変数Bに代入しています。

この操作により、変数Bも3.14という値を保持することになります。

10ns後にサンプルコードを実行した結果、変数Aと変数Bの両方が3.14という値を持つことが確認できます。

このように、real型の変数間でのデータのコピーは簡単に実行できます。

ただし、大量のデータをコピーする際や、複数の変数間で頻繁にデータの移動を行う場合は、性能やリソースの消費に注意する必要があります。

また、real型変数の代入においては、同じ型間での代入が基本的に推奨されます。

異なるデータ型間での代入を行う場合、型変換の手段を取る必要があり、これには注意が必要です。

●real型の応用例

VHDL言語の中で、real型は浮動小数点数を表現する際に使用される型です。

初級の使用法を理解した後、real型をより高度に活用する方法を見ていきましょう。

○サンプルコード4：real型を使用した計算関数

このコードでは、real型を使って二つの数の平均を計算する関数を表しています。

この例では、二つのreal型の変数を引数として受け取り、その平均値を返す簡単な関数を作成しています。

function average(a : real; b : real) return real is
begin
    return (a + b) / 2.0;
end function average;

この関数を使って、例えばaverage(5.0, 7.0)というように呼び出すと、計算結果は6.0となります。

○サンプルコード5：real型の配列の利用

次に、real型の配列を利用する方法を紹介します。

この例では、5つのreal型の要素を持つ配列を定義し、それに値を代入しています。

type real_array is array (0 to 4) of real;
signal myArray : real_array := (1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5);

このコードの実行により、myArrayの3番目の要素にアクセスすると、3.3という値を得ることができます。

○サンプルコード6：real型の数値変換

real型の変数を他の型、例えば整数型に変換する方法を見ていきましょう。

この例では、real型の値を整数型に変換する方法を表しています。

signal myReal : real := 5.7;
signal myInt : integer;

begin
    myInt <= integer(myReal);

このコードの実行により、myIntには5という値が代入されます。

変換の際、小数点以下の値は切り捨てられるため、結果は5となります。

●注意点と対処法

VHDLでreal型を扱う際の注意点と、それらの問題に対する対処法を詳しく見ていきましょう。

○real型の制約

VHDLのreal型は浮動小数点数を表現するためのデータ型ですが、使う上でいくつかの制約が存在します。

real型は、数値の大きさや精度の範囲に制限があるため、計算時にオーバーフローやアンダーフローが発生する可能性があります。

このコードではreal型変数の範囲制約を表しています。

この例では、正の最大値と最小値を確認するコードを記述しています。

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

entity real_check is
end entity;

architecture behavior of real_check is
    signal max_real : real := REAL'HIGH;  -- real型の最大値
    signal min_real : real := REAL'LOW;   -- real型の最小値
begin
    process
    begin
        report "最大値: " & real'image(max_real);
        report "最小値: " & real'image(min_real);
        wait;
    end process;
end architecture;

上のコードを実行すると、real型の正の最大値と最小値が表示されるでしょう。

これを知ることで、どのような計算を行う際に注意が必要かを意識することができます。

○精度の問題とその対処法

real型を使用する際にもう一つ注意すべき点は、数値の精度に関する問題です。

浮動小数点数は、実数を近似的に表現する方式のため、計算結果に誤差が生じる可能性があります。

特に連続的な計算を行う場合や、大きな数値と小さな数値の演算の際にはこの誤差が蓄積しやすいです。

この問題を解決するための一つの方法は、fixed-point（固定小数点）の方法を使用することです。

固定小数点数は、小数点以下の桁数を固定して整数として計算を行う方式です。

これにより、演算の際の誤差を抑制することが可能です。

fixed-pointを利用した簡単な計算のサンプルコードを紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity fixed_point_example is
end entity;

architecture behavior of fixed_point_example is
    constant FIXED_POINT_SHIFT : integer := 8;  -- 小数点以下のビット数
    signal fixed_a : integer := 256;  -- 1.0を表現
    signal fixed_b : integer := 128;  -- 0.5を表現
    signal result : integer;
begin
    process
    begin
        result <= (fixed_a + fixed_b) >> FIXED_POINT_SHIFT;  -- 加算後、右シフトで元のスケールに戻す
        report "計算結果: " & integer'image(result);
        wait;
    end process;
end architecture;

上のコードを実行すると、1.0と0.5の和、すなわち1.5を整数として表現した結果が得られます。

この方法を採用することで、計算の精度を向上させることができますが、固定小数点数の取り扱いにも慣れが必要です。

●real型のカスタマイズ方法

VHDLのreal型は、浮動小数点数を表現するためのデータ型として一般的に用いられます。

しかし、プロジェクトの要件によっては、標準のreal型だけでは対応できない場面があります。

そこで、ここではreal型のカスタマイズ方法を詳細に解説します。

○サンプルコード7：ユーザー定義のreal型関数

このコードでは、real型の数値を二乗するユーザー定義関数を表しています。

この例ではreal型の数値を引数として受け取り、その数値を二乗して返す関数を作成しています。

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

function square(input_value: real) return real is
begin
    return input_value * input_value; --数値を二乗して返す
end function;

この関数を利用することで、VHDL内でreal型の数値を簡単に二乗することができます。

たとえば、square(3.5)を呼び出すと、12.25が返されます。

○サンプルコード8：real型を拡張して使う方法

real型のデータを拡張する一例として、real型の数値に対して指定された倍率でスケーリングを行う関数を紹介します。

この例ではreal型の数値と倍率を引数として受け取り、スケーリング後の数値を返す関数を作成しています。

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

function scale(input_value: real, factor: real) return real is
begin
    return input_value * factor; --数値を指定された倍率でスケーリング
end function;

この関数を利用すれば、例えばscale(10.0, 2.5)という形で関数を呼び出せば、その結果として25.0が得られるようになります。

先述したユーザー定義関数squareを用いた場合、入力値3.5に対して12.25が返されることになります。

一方、scale関数を利用した場合、入力値10.0と倍率2.5を指定すると、スケーリングされた結果25.0が返されます。

●さらなるreal型の活用

VHDLのreal型は、その基本的な機能だけでなく、様々な応用例が存在します。

ここでは、その応用の幅を広げるためのサンプルコードと解説を通して、real型のさらなる活用方法を探ります。

○サンプルコード9：real型を活用したモジュールの設計

VHDLのモジュール設計において、real型は信号処理や数学的な計算を行う際の強力なツールとして機能します。

下記のサンプルコードは、real型を活用してシンプルなローパスフィルターのモジュールを設計する例を表しています。

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

entity LowPassFilter is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           input : in real;
           output : out real);
end LowPassFilter;

architecture Behavioral of LowPassFilter is
    signal last_value : real := 0.0;
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            output <= (input + last_value) / 2.0; -- 平均値を取ることで、ノイズを低減
            last_value <= output;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、real型の信号を使って、ローパスフィルターをシンプルに実装しています。

この例では、入力値と前回の出力値の平均を取ることで、高周波のノイズを低減しています。

実際にこのモジュールを実装し、入力にノイズが混入した信号を供給すると、出力は滑らかになるでしょう。

○サンプルコード10：real型の高度な数学関数の実装

real型を使うことで、様々な数学関数の実装も可能です。

real型を使って指数関数を計算するサンプルコードを紹介します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.MATH_REAL.ALL;

entity ExpFunction is
    Port ( input : in real;
           output : out real);
end ExpFunction;

architecture Behavioral of ExpFunction is
begin
    process(input)
    begin
        output <= exp(input); -- 指数関数の計算
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、IEEEのMATH_REALライブラリを使って、指数関数の計算を行っています。

この例では、入力値に対するeの累乗を計算し、その結果を出力しています。

このモジュールを使用すると、入力に任意のreal型の数値を供給し、その指数関数の結果を得ることができます。