Verilogのforever文の基本と応用8選

●Verilogのforever文とは？
●forever文の使い方と注意点
- ○サンプルコード2：ロジック合成への影響を考慮した設計
- ○サンプルコード3：無限ループによるエラーの回避テクニック
●他のループ文との比較
●テストベンチ設計におけるforever文の威力
●よくあるエラーと対処法
●forever文の応用例
まとめ

●Verilogのforever文とは？

デジタル回路設計の世界で、Verilogは欠かせない存在です。

その中でも、forever文は特別な役割を果たします。

forever文は、無限に繰り返し実行されるループを作成するための構文です。

一見シンプルながら、適切に使用すると非常に強力なツールとなります。

デジタル回路設計を学び始めた方々にとって、forever文は少し不思議に感じるかもしれません。

なぜなら、物理的な回路が「永遠に」動作し続けることは現実的ではないからです。

しかし、Verilogの文脈では、forever文は非常に重要な意味を持ちます。

○forever文の定義と特徴を理解しよう

forever文は、条件なしに永続的に実行されるループを生成します。

通常のプログラミング言語のwhile(true)に似ていますが、ハードウェア記述言語であるVerilogでは異なる意味合いを持ちます。

forever文の主な特徴は次の通りです。

無条件ループ -> 条件チェックなしで永続的に実行されます。
シミュレーション時間の進行 -> 各繰り返しでシミュレーション時間が進みます。
並列実行 -> 複数のforever文を同時に実行できます。
合成時の注意 -> ロジック合成時には特別な扱いが必要です。

○基本的な文法と構文のマスター方法

forever文の基本的な構文は非常にシンプルです。

次の形式で記述します。

forever begin
    // 繰り返し実行したいステートメント
end

または、単一のステートメントの場合は次のように省略形で書くこともできます。

forever ステートメント;

forever文をマスターするコツは、実際に様々なケースで使用してみることです。

シンプルな例から始めて、徐々に複雑な使用例に挑戦していくとよいでしょう。

○サンプルコード1：シンプルな無限ループの実装

まずは、基本的なforever文の使用例を見てみましょう。

ここでは、1秒ごとにLEDの点滅を繰り返す簡単な回路を紹介します。

module led_blinker(
    input wire clk,
    output reg led
);

    // 1秒を表すカウンタ（50MHz クロックを想定）
    reg [25:0] counter;

    initial begin
        led = 0;
        counter = 0;
    end

    always @(posedge clk) begin
        forever begin
            if (counter == 50000000) begin
                led = ~led;  // LEDの状態を反転
                counter = 0;
            end else begin
                counter = counter + 1;
            end
        end
    end

endmodule

このコードでは、forever文を使用して、クロックの立ち上がりエッジごとにカウンタをインクリメントし、1秒（50,000,000クロックサイクル）ごとにLEDの状態を反転させています。

このモジュールをFPGAに実装すると、LEDが1秒ごとに点滅します。

シミュレーションでは、led信号が50,000,000クロックサイクルごとに0と1を交互に繰り返すのが観察できるでしょう。

forever文の利点は、この例のように簡潔にループ処理を記述できることです。

しかし、無限ループであるため、使用には注意が必要です。

●forever文の使い方と注意点

forever文は強力ですが、適切に使用しないと予期せぬ問題を引き起こす可能性があります。

ここでは、forever文を効果的に使用するための重要なポイントを解説します。

○サンプルコード2：ロジック合成への影響を考慮した設計

ロジック合成時、forever文は特別な扱いを受けます。

多くの場合、合成ツールは無限ループを意図したものとして解釈しません。

代わりに、ある特定の条件下で繰り返し実行される回路として扱います。

ここでは、ロジック合成を考慮したforever文の使用例を紹介します。

module clock_divider(
    input wire clk_in,
    output reg clk_out
);

    reg [3:0] counter;

    initial begin
        clk_out = 0;
        counter = 0;
    end

    always @(posedge clk_in) begin
        forever begin
            if (counter == 4'd9) begin
                clk_out = ~clk_out;
                counter = 0;
            end else begin
                counter = counter + 1;
            end
        end
    end

endmodule

この例では、入力クロック（clk_in）の10分の1の周波数を持つ出力クロック（clk_out）を生成しています。

forever文はalways文の中で使用されており、各クロックサイクルで実行されます。

このモジュールをシミュレーションすると、clk_outがclk_inの10サイクルごとに反転するのが観察できます。

実際のハードウェアでは、入力クロックの10分の1の周波数で動作するクロック信号が生成されます。

ロジック合成時、このforever文は実質的に次のように解釈されます。

always @(posedge clk_in) begin
    if (counter == 4'd9) begin
        clk_out <= ~clk_out;
        counter <= 0;
    end else begin
        counter <= counter + 1;
    end
end

つまり、forever文は合成時に「展開」され、通常のシーケンシャルロジックとして扱われます。

○サンプルコード3：無限ループによるエラーの回避テクニック

forever文の最大の落とし穴は、意図しない無限ループによってシミュレーションが停止してしまうことです。

ここでは、そのような問題を回避するテクニックを表すサンプルコードを紹介します。

module safe_forever_example(
    input wire clk,
    input wire reset,
    output reg [7:0] counter
);

    reg [31:0] iteration_count;

    initial begin
        counter = 0;
        iteration_count = 0;
    end

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            counter <= 0;
            iteration_count <= 0;
        end else begin
            forever begin
                if (iteration_count >= 1000000) begin
                    $display("Warning: Iteration limit reached");
                    $finish;
                end

                counter <= counter + 1;
                iteration_count <= iteration_count + 1;

                if (counter == 8'hFF) begin
                    break;
                end
            end
        end
    end

endmodule

この例では、次の安全対策を講じています。

iteration_countを使用して、ループの反復回数を追跡します。
反復回数が一定値（ここでは1,000,000）を超えた場合、警告を表示してシミュレーションを終了します。
counterが最大値（255）に達したら、breakステートメントでループを抜けます。

実行すると、正常な動作では、counterが0から255までカウントアップし、255に達したらループが終了します。

もし何らかの理由でループが予期せず継続した場合、1,000,000回の反復後にシミュレーションが停止し、警告メッセージが表示されます。

●他のループ文との比較

Verilogには複数のループ構文が存在します。

forever文、for文、while文、repeat文など、それぞれに特徴があります。

ループ構文の選択は、設計の効率性と可読性に大きく影響します。

適切な使い分けを理解することで、より洗練されたVerilogコードを書くことができるでしょう。

○for文との違いと使い分け

for文は、決まった回数だけ繰り返す処理に適しています。

一方、forever文は無限ループを作成します。

for文は終了条件が明確な場合に使用し、forever文は継続的な処理が必要な場合に選択します。

例えば、8ビットのシフトレジスタを実装する場合、for文が適しています。

module shift_register_8bit(
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire data_in,
    output wire [7:0] data_out
);

    reg [7:0] shift_reg;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset)
            shift_reg <= 8'b0;
        else begin
            for (int i = 7; i > 0; i = i - 1)
                shift_reg[i] <= shift_reg[i-1];
            shift_reg[0] <= data_in;
        end
    end

    assign data_out = shift_reg;

endmodule

実行すると、クロックの立ち上がりごとに、データが1ビットずつシフトします。

8クロックサイクル後には、入力データが完全にシフトレジスタを通過します。

一方、クロック生成のような継続的な処理にはforever文が適しています。

○while文とforever文の選択基準

while文は条件付きループを作成します。

条件が真である間、処理を繰り返します。

forever文との大きな違いは、while文には終了条件があることです。

while文は、特定の条件が満たされるまで処理を続ける場合に使用します。

forever文は、理論上は永久に続く処理に使用します。

例えば、特定の信号が検出されるまで待つ処理はwhile文で実装できます。

module wait_for_signal(
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire signal,
    output reg done
);

    reg waiting;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            waiting <= 1'b1;
            done <= 1'b0;
        end
        else begin
            while (waiting) begin
                if (signal) begin
                    waiting <= 1'b0;
                    done <= 1'b1;
                end
            end
        end
    end

endmodule

実行すると、signal入力が1になるまでwaiting状態が続き、signalが1になるとdone出力が1になります。

○repeat文との関連性と活用シーン

repeat文は、指定した回数だけ処理を繰り返す構文です。

forever文との違いは、repeat文は明確な終了点があることです。

repeat文は、特定の遅延を挿入したり、決まった回数の処理を行う場合に便利です。

forever文は、終了条件がない継続的な処理に使用します。

例えば、クロックを10回生成する処理はrepeat文で簡潔に記述できます。

module clock_generator_10cycles(
    output reg clk
);

    initial begin
        clk = 0;
        repeat (20) begin
            #5 clk = ~clk;
        end
    end

endmodule

実行すると、5時間単位ごとにクロックが反転し、合計10サイクルのクロックが生成されます。

●テストベンチ設計におけるforever文の威力

テストベンch設計において、forever文は非常に重要な役割を果たします。

シミュレーション時間全体にわたって継続的に動作する必要があるプロセスを記述するのに適しています。

○サンプルコード5：効果的なテストシナリオの作成

forever文を使用して、クロック生成とランダムな入力生成を行うテストベンchを作成してみましょう。

module testbench;

    reg clk;
    reg reset;
    reg [7:0] data_in;
    wire [7:0] data_out;

    // デバイス・アンダー・テスト (DUT) のインスタンス化
    shift_register_8bit dut (
        .clk(clk),
        .reset(reset),
        .data_in(data_in[0]),
        .data_out(data_out)
    );

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // テストシナリオ
    initial begin
        reset = 1;
        data_in = 8'h00;
        #20 reset = 0;

        repeat (20) begin
            @(posedge clk);
            data_in = $random;
        end

        #100 $finish;
    end

    // モニタリング
    always @(posedge clk) begin
        $display("Time=%0t: data_in=%h, data_out=%h", $time, data_in[0], data_out);
    end

endmodule

実行すると、シミュレーション開始時にリセットが行われ、その後20サイクルにわたってランダムなデータが入力されます。

各クロックサイクルごとに、入力と出力の値が表示されます。

○サンプルコード6：シミュレーション実行の最適化

forever文を使用して、シミュレーションの実行を最適化する例を見てみましょう。

ここでは、特定の条件が満たされるまでシミュレーションを継続し、条件が満たされたら自動的に終了する機能を実装します。

module optimized_simulation;

    reg clk;
    reg [7:0] counter;
    reg simulation_done;

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // カウンタとシミュレーション終了条件
    always @(posedge clk) begin
        if (counter == 8'hFF)
            simulation_done = 1;
        else
            counter = counter + 1;
    end

    // シミュレーション実行と終了
    initial begin
        counter = 0;
        simulation_done = 0;

        forever begin
            if (simulation_done) begin
                $display("Simulation completed at time %0t", $time);
                $finish;
            end
            #1;
        end
    end

    // モニタリング
    always @(posedge clk) begin
        $display("Time=%0t: counter=%h", $time, counter);
    end

endmodule

実行すると、カウンタが0から255まで増加し、255に達するとシミュレーションが自動的に終了します。

各クロックサイクルごとにカウンタの値が表示され、シミュレーション終了時に完了メッセージが表示されます。

○サンプルコード7：デバッグ効率を向上させる設計例

デバッグ効率を向上させるため、forever文を使用してアサーションとエラーチェックを実装する例を紹介します。

module debug_enhanced_design(
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire [7:0] data_in,
    output reg [7:0] data_out
);

    reg [2:0] state;
    reg [7:0] buffer;

    // メインロジック
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            state <= 3'b000;
            buffer <= 8'h00;
            data_out <= 8'h00;
        end else begin
            case (state)
                3'b000: begin
                    buffer <= data_in;
                    state <= 3'b001;
                end
                3'b001: begin
                    data_out <= buffer + data_in;
                    state <= 3'b010;
                end
                3'b010: begin
                    data_out <= data_out - 1;
                    state <= 3'b000;
                end
                default: state <= 3'b000;
            endcase
        end
    end

    // デバッグ用アサーション
    always @(posedge clk) begin
        if (!reset) begin
            assert (state < 3'b011) else
                $error("Invalid state detected: %b", state);

            assert (data_out != 8'hFF) else
                $warning("data_out reached maximum value");
        end
    end

    // エラー検出とレポート
    reg [31:0] error_count;
    initial error_count = 0;

    always @(posedge clk) begin
        if (data_out == 8'h00 && state != 3'b000)
            error_count <= error_count + 1;

        if (error_count > 10)
            $fatal(1, "Too many errors detected. Terminating simulation.");
    end

endmodule

通常の動作では、data_inの値がbufferに格納され、次のサイクルでdata_inと加算され、そのあと1減算されるという3段階の処理が繰り返されます。

同時に、不正な状態やdata_outが最大値に達した場合に警告が出され、エラーが10回以上検出されると致命的なエラーとしてシミュレーションが終了します。

●よくあるエラーと対処法

Verilogのforever文は強力な機能ですが、適切に使用しないと様々なエラーを引き起こす可能性があります。

エラーを未然に防ぎ、効率的なデバッグを行うためには、よくあるエラーパターンとその対処法を理解することが重要です。

ここでは、forever文使用時によく遭遇するエラーと、その解決策について詳しく解説します。

○無限ループによるシミュレーション停止の解決策

無限ループは、forever文の最も一般的な問題点です。

シミュレーションが永遠に続き、結果が得られないという事態に陥ることがあります。

この問題を解決するには、適切な終了条件を設定することが鍵となります。

例えば、シミュレーション時間に基づいて終了条件を設定する方法があります。

module simulation_with_timeout;
    reg clk;
    reg [31:0] counter;

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // メインロジック
    always @(posedge clk) begin
        counter <= counter + 1;
    end

    // タイムアウト処理
    initial begin
        counter = 0;
        #1000000; // 1ms後にシミュレーション終了
        $display("Simulation timeout at %t", $time);
        $finish;
    end

    // モニタリング
    always @(posedge clk) begin
        $display("Time=%t: counter=%d", $time, counter);
    end
endmodule

実行すると、このモジュールは1msの間カウンタをインクリメントし続け、その後自動的に終了します。

各クロックサイクルでカウンタの値が表示され、タイムアウト時にはメッセージが出力されます。

○タイミング違反を回避するテクニック

forever文を使用する際、タイミング違反が発生することがあります。

特に、複数のforever文が互いに干渉し合う場合に注意が必要です。

タイミング違反を回避するには、適切な同期機構を導入することが重要です。

ここでは、タイミング違反を回避するための同期機構を組み込んだ例を紹介します。

module synchronized_forever_loops;
    reg clk;
    reg reset;
    reg [7:0] data_a, data_b;
    reg ready_a, ready_b;
    wire process_done;

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // データ生成プロセスA
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            data_a <= 8'h00;
            ready_a <= 0;
        end else begin
            forever begin
                @(posedge clk);
                data_a <= $random;
                ready_a <= 1;
                @(posedge process_done);
                ready_a <= 0;
            end
        end
    end

    // データ生成プロセスB
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            data_b <= 8'h00;
            ready_b <= 0;
        end else begin
            forever begin
                @(posedge clk);
                data_b <= $random;
                ready_b <= 1;
                @(posedge process_done);
                ready_b <= 0;
            end
        end
    end

    // データ処理プロセス
    assign process_done = ready_a & ready_b;

    always @(posedge clk) begin
        if (process_done) begin
            $display("Time=%t: data_a=%h, data_b=%h", $time, data_a, data_b);
        end
    end

    // テストシナリオ
    initial begin
        reset = 1;
        #20 reset = 0;
        #1000 $finish;
    end
endmodule

実行すると、二つの独立したデータ生成プロセスが同期して動作し、両方のデータが準備できた時のみ処理が行われます。

タイミング違反が回避され、安定した動作が実現されます。

○リソース使用量の最適化方法

forever文は、不適切に使用するとハードウェアリソースを過剰に消費する可能性があります。

リソース使用量を最適化するには、必要最小限の処理だけをforever文内に記述し、可能な限り効率的な実装を心がけることが重要です。

ここでは、リソース使用量を最適化したforever文の例を見てみましょう。

module optimized_resource_usage;
    reg clk;
    reg [7:0] data;
    reg [2:0] state;
    reg processing_done;

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // 最適化されたデータ処理
    always @(posedge clk) begin
        case (state)
            3'b000: begin
                data <= 8'h00;
                state <= 3'b001;
            end
            3'b001: begin
                data <= data + 8'h11;
                state <= 3'b010;
            end
            3'b010: begin
                data <= data ^ 8'hAA;
                state <= 3'b011;
            end
            3'b011: begin
                processing_done <= 1;
                state <= 3'b100;
            end
            3'b100: begin
                processing_done <= 0;
                state <= 3'b000;
            end
            default: state <= 3'b000;
        endcase
    end

    // モニタリング
    always @(posedge clk) begin
        if (processing_done) begin
            $display("Time=%t: Processed data=%h", $time, data);
        end
    end

    // シミュレーション制御
    initial begin
        #1000 $finish;
    end
endmodule

実行すると、このモジュールは、状態機械を使用してデータ処理を最適化しています。

各状態で必要最小限の処理のみを行い、リソース使用量を抑えつつ、効率的なデータ処理を実現しています。

●forever文の応用例

forever文の基本を理解したら、次はより高度な応用例に挑戦しましょう。

ここでは、実践的な設計テクニックを紹介します。

○サンプルコード8：クロック同期カウンターの実装

クロック同期カウンターは、デジタル回路設計でよく使用される基本的な要素です。

forever文を使用して、効率的なクロック同期カウンターを実装できます。

module clock_sync_counter(
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire enable,
    output reg [7:0] count
);

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            count <= 8'h00;
        end else begin
            forever begin
                @(posedge clk);
                if (enable) begin
                    count <= count + 1;
                end
            end
        end
    end

endmodule

// テストベンチ
module test_clock_sync_counter;
    reg clk, reset, enable;
    wire [7:0] count;

    clock_sync_counter uut (
        .clk(clk),
        .reset(reset),
        .enable(enable),
        .count(count)
    );

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // テストシナリオ
    initial begin
        reset = 1;
        enable = 0;
        #20 reset = 0;
        #10 enable = 1;
        #200 enable = 0;
        #50 enable = 1;
        #100 $finish;
    end

    // モニタリング
    always @(posedge clk) begin
        $display("Time=%t: count=%d", $time, count);
    end
endmodule

実行すると、このモジュールは、enableが1の間、クロックの立ち上がりエッジごとにカウントをインクリメントします。

リセット時にカウントは0にリセットされ、enableが0の間はカウント値が保持されます。

テストベンチでは、異なるenable状態でのカウンターの動作が確認できます。

○サンプルコード9：非同期リセット機能の追加

実際の回路設計では、非同期リセットが必要になることがよくあります。

forever文と組み合わせて、効果的な非同期リセット機能を実装できます。

module async_reset_counter(
    input wire clk,
    input wire async_reset,
    input wire enable,
    output reg [7:0] count
);

    always @(posedge clk or posedge async_reset) begin
        if (async_reset) begin
            count <= 8'h00;
        end else begin
            forever begin
                @(posedge clk);
                if (enable) begin
                    count <= count + 1;
                end
            end
        end
    end

endmodule

// テストベンチ
module test_async_reset_counter;
    reg clk, async_reset, enable;
    wire [7:0] count;

    async_reset_counter uut (
        .clk(clk),
        .async_reset(async_reset),
        .enable(enable),
        .count(count)
    );

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // テストシナリオ
    initial begin
        async_reset = 1;
        enable = 0;
        #20 async_reset = 0;
        #10 enable = 1;
        #100 async_reset = 1;
        #10 async_reset = 0;
        #50 enable = 0;
        #30 enable = 1;
        #100 $finish;
    end

    // モニタリング
    always @(posedge clk or posedge async_reset) begin
        $display("Time=%t: count=%d, reset=%b, enable=%b", $time, count, async_reset, enable);
    end
endmodule

実行すると、このモジュールは、非同期リセット信号が1になるとすぐにカウントを0にリセットします。

通常動作時は、enableが1の間クロックに同期してカウントをインクリメントします。

テストベンチでは、非同期リセットの即時効果と、その後の通常動作への復帰が確認できます。

○サンプルコード10：状態遷移を管理する高度な使用例

複雑な状態遷移を管理する場合、forever文を使って効率的に実装できます。

ここでは、複数の状態を持つシステムの例を紹介します。

module complex_state_machine(
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire [1:0] input_signal,
    output reg [2:0] state,
    output reg [7:0] output_data
);

    localparam IDLE = 3'b000;
    localparam PROCESS_A = 3'b001;
    localparam PROCESS_B = 3'b010;
    localparam WAIT = 3'b011;
    localparam DONE = 3'b100;

    reg [7:0] internal_data;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            state <= IDLE;
            output_data <= 8'h00;
            internal_data <= 8'h00;
        end else begin
            forever begin
                case (state)
                    IDLE: begin
                        if (input_signal == 2'b01) begin
                            state <= PROCESS_A;
                        end else if (input_signal == 2'b10) begin
                            state <= PROCESS_B;
                        end
                    end
                    PROCESS_A: begin
                        internal_data <= internal_data + 8'h11;
                        state <= WAIT;
                    end
                    PROCESS_B: begin
                        internal_data <= internal_data + 8'h22;
                        state <= WAIT;
                    end
                    WAIT: begin
                        if (internal_data[7] == 1'b1) begin
                            state <= DONE;
                        end else begin
                            state <= IDLE;
                        end
                    end
                    DONE: begin
                        output_data <= internal_data;
                        state <= IDLE;
                    end
                    default: state <= IDLE;
                endcase
                @(posedge clk);
            end
        end
    end

endmodule

// テストベンチ
module test_complex_state_machine;
    reg clk, reset;
    reg [1:0] input_signal;
    wire [2:0] state;
    wire [7:0] output_data;

    complex_state_machine uut (
        .clk(clk),
        .reset(reset),
        .input_signal(input_signal),
        .state(state),
        .output_data(output_data)
    );

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // テストシナリオ
    initial begin
        reset = 1;
        input_signal = 2'b00;
        #20 reset = 0;
        #10 input_signal = 2'b01;
        #20 input_signal = 2'b10;
        #20 input_signal = 2'b01;
        #20 input_signal = 2'b10;
        #20 input_signal = 2'b01;
        #100 $finish;
    end

    // モニタリング
    always @(posedge clk) begin
        $display("Time=%t: state=%b, output_data=%h, input_signal=%b", $time, state, output_data, input_signal);
    end
endmodule

実行すると、この複雑な状態機械は、入力信号に応じて異なる処理を行い、内部データが特定の条件を満たすとDONE状態に移行します。

テストベンチでは、異なる入力信号に対する状態遷移と出力データの変化が確認できます。

内部データが閾値（最上位ビットが1）に達すると、DONE状態に移行し、出力データが更新されます。

○サンプルコード11：SystemVerilogでの拡張機能活用

SystemVerilogは、Verilogの機能を拡張した言語です。

SystemVerilogでは、forever文をさらに柔軟に使用できます。

SystemVerilogの機能を活用したforever文の使用例を見てみましょう。

module advanced_system_verilog_forever;
    logic clk;
    logic reset;
    logic [7:0] data_queue[$];
    logic [7:0] processed_data;
    logic processing_done;

    // クロック生成
    initial begin
        clk = 0;
        forever #5 clk = ~clk;
    end

    // データ生成プロセス
    initial begin
        forever begin
            @(posedge clk);
            if (!reset && data_queue.size() < 10) begin
                data_queue.push_back($urandom_range(0, 255));
            end
        end
    end

    // データ処理プロセス
    always_ff @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            processed_data <= 8'h00;
            processing_done <= 0;
        end else begin
            forever begin
                if (data_queue.size() > 0) begin
                    automatic logic [7:0] current_data = data_queue.pop_front();
                    processed_data <= current_data ^ 8'hAA;
                    processing_done <= 1;
                end else begin
                    processing_done <= 0;
                end
                @(posedge clk);
            end
        end
    end

    // モニタリングプロセス
    always_ff @(posedge clk) begin
        if (processing_done) begin
            $display("Time=%t: Processed data=%h", $time, processed_data);
        end
    end

    // テストシナリオ
    initial begin
        reset = 1;
        #20 reset = 0;
        #1000 $finish;
    end
endmodule

実行すると、このSystemVerilogモジュールでは、キューを使用してデータを生成し、処理しています。

データ生成プロセスは、キューのサイズが10未満の場合にランダムなデータを生成します。

データ処理プロセスは、キューからデータを取り出し、XOR演算を行います。

処理されたデータは表示され、キューが空になるまでこのプロセスが続きます。

SystemVerilogの特徴として、automaticキーワードを使用して、ループの反復ごとに新しい変数インスタンスを作成しています。

また、キュー（$）やランダム関数（$urandom_range）など、SystemVerilog特有の機能を活用しています。