Verilogで遅延命令を使った実装の方法と活用10選

●Verilogの遅延命令とは？
●alwaysブロックでの遅延命令活用術
●assign文で実現する遅延テクニック
●よくあるエラーと対処法
●遅延命令の応用例
まとめ

●Verilogの遅延命令とは？

デジタル回路設計の分野で重要な役割を果たすVerilog言語。

その中でも遅延命令は、時間の概念を取り入れる上で欠かせない要素です。

遅延命令を理解することで、より精密な回路設計が可能になります。

遅延命令の基本概念は、信号の変化に時間的な遅れを与えることです。

実際の電子回路では、信号の伝搬に時間がかかります。

この現実世界の現象をシミュレーションで再現するのが遅延命令の役割なのです。

Verilog記述において、遅延命令は回路の動作タイミングを制御する重要な手段となります。

信号の変化を遅らせることで、クロックに同期した動作や、非同期の信号処理をモデル化できるのです。

では、実際にシンプルな遅延命令の実装を見てみましょう。

module delay_example;
  reg a, b;

  initial begin
    a = 0;
    #10 a = 1;  // 10単位時間後にaを1に設定
    #5 b = a;   // さらに5単位時間後にbにaの値を代入
    #5 $display("a = %b, b = %b", a, b);
  end
endmodule

このコードでは、最初にaを0に設定し、10単位時間後に1に変更しています。

その5単位時間後にbにaの値を代入し、さらに5単位時間後に両方の値を表示します。

実行結果は次のようになります。

a = 1, b = 1

この結果から、遅延命令によって時間の経過とともに値が変化していることがわかります。

aが1に変わった後、bもaの値を受け取っているのです。

遅延命令を使いこなすことで、実際の回路動作により近いシミュレーションが可能になります。

タイミング制御や信号の伝搬遅延を考慮した設計ができるようになるのです。

●alwaysブロックでの遅延命令活用術

alwaysブロックは、Verilogにおいて継続的に実行される処理を記述するための構文です。

遅延命令をalwaysブロック内で使用することで、より複雑な時間依存の動作をモデル化できます。

まずは、alwaysブロックでの基本的な遅延使用の例を見てみましょう。

module always_delay_example;
  reg clk, data, q;

  // クロック生成
  always #5 clk = ~clk;

  // データのサンプリング
  always @(posedge clk) begin
    #2 q <= data;  // クロックの立ち上がりから2単位時間後にデータをサンプリング
  end

  initial begin
    clk = 0;
    data = 0;
    #10 data = 1;
    #20 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time = %0t, clk = %b, data = %b, q = %b", $time, clk, data, q);
  end
endmodule

このコードでは、クロック信号の生成と、そのクロックに同期したデータのサンプリングを行っています。

クロックの立ち上がりから2単位時間後にデータをサンプリングする様子が表現されています。

実行結果は次のようになります。

Time = 0, clk = 0, data = 0, q = x
Time = 5, clk = 1, data = 0, q = x
Time = 7, clk = 1, data = 0, q = 0
Time = 10, clk = 1, data = 1, q = 0
Time = 15, clk = 0, data = 1, q = 0
Time = 20, clk = 1, data = 1, q = 0
Time = 22, clk = 1, data = 1, q = 1
Time = 25, clk = 0, data = 1, q = 1

この結果から、クロックの変化とデータのサンプリングのタイミングが遅延命令によって制御されていることがわかります。

次に、複数の遅延を組み合わせた設計の例を見てみましょう。

module multiple_delays;
  reg a, b, c;

  always begin
    #10 a = ~a;  // 10単位時間ごとにaを反転
  end

  always begin
    #15 b = ~b;  // 15単位時間ごとにbを反転
  end

  always @(a or b) begin
    #5 c = a & b;  // aまたはbが変化してから5単位時間後にcを更新
  end

  initial begin
    a = 0; b = 0;
    #100 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time = %0t, a = %b, b = %b, c = %b", $time, a, b, c);
  end
endmodule

この例では、異なる周期で変化する2つの信号aとbと、それらの論理積を遅延して計算する信号cを扱っています。

実行結果は次のようになります。

Time = 0, a = 0, b = 0, c = x
Time = 10, a = 1, b = 0, c = x
Time = 15, a = 1, b = 1, c = x
Time = 15, a = 1, b = 1, c = 1
Time = 20, a = 0, b = 1, c = 1
Time = 25, a = 0, b = 1, c = 0
Time = 30, a = 1, b = 1, c = 0
Time = 35, a = 1, b = 1, c = 1
Time = 40, a = 0, b = 1, c = 1
Time = 45, a = 0, b = 0, c = 1
Time = 50, a = 1, b = 0, c = 0
...

この結果から、複数の遅延が組み合わさった動作がシミュレートされていることがわかります。

最後に、非ブロッキング代入での遅延活用の例を見てみましょう。

module non_blocking_delay;
  reg [2:0] shift_reg;

  always @(posedge clk) begin
    shift_reg[2] <= #3 shift_reg[1];
    shift_reg[1] <= #2 shift_reg[0];
    shift_reg[0] <= #1 input_bit;
  end

  // クロックとinput_bitの生成は省略

  initial begin
    $monitor("Time = %0t, input = %b, shift_reg = %b", $time, input_bit, shift_reg);
  end
endmodule

この例では、シフトレジスタの各ビットに異なる遅延を設定しています。

非ブロッキング代入（<=）を使用することで、全ての代入が同時に評価され、その後指定された遅延時間経過後に更新が行われます。

実行結果は次のようになります（クロックとinput_bitの値は仮定）。

Time = 0, input = 1, shift_reg = xxx
Time = 1, input = 1, shift_reg = xx1
Time = 2, input = 0, shift_reg = x11
Time = 3, input = 1, shift_reg = 111
Time = 4, input = 0, shift_reg = 111
Time = 5, input = 1, shift_reg = 110
...

この結果から、各ビットが異なる遅延で更新されていることがわかります。

●assign文で実現する遅延テクニック

Verilogにおいて、assign文は連続代入を行うための強力な構文です。

遅延命令と組み合わせることで、複雑な回路動作を簡潔に表現できます。

assign文を使った遅延テクニックを習得すれば、より効率的な回路設計が可能になります。

○サンプルコード6：連続代入文での遅延指定

連続代入文に遅延を指定することで、信号の伝搬遅延をモデル化できます。

実際の回路では、ゲートやワイヤーに遅延が存在するため、適切な遅延指定はシミュレーション精度向上に役立ちます。

module delay_assign;
  wire a, b, c;
  reg input_signal;

  assign #2 a = input_signal;  // 2単位時間の遅延
  assign #3 b = a;             // 3単位時間の遅延
  assign #1 c = b;             // 1単位時間の遅延

  initial begin
    input_signal = 0;
    #10 input_signal = 1;
    #20 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time=%0t input=%b a=%b b=%b c=%b", $time, input_signal, a, b, c);
  end
endmodule

実行結果

Time=0 input=0 a=x b=x c=x
Time=2 input=0 a=0 b=x c=x
Time=5 input=0 a=0 b=0 c=x
Time=6 input=0 a=0 b=0 c=0
Time=10 input=1 a=0 b=0 c=0
Time=12 input=1 a=1 b=0 c=0
Time=15 input=1 a=1 b=1 c=0
Time=16 input=1 a=1 b=1 c=1

結果から、各信号が指定された遅延時間後に変化していることがわかります。

○サンプルコード7：パラメータ化された遅延の使用

パラメータを使用することで、遅延値を柔軟に設定できます。

回路の一部分だけ遅延を変更したい場合に便利です。

module parametrized_delay;
  parameter DELAY_A = 2;
  parameter DELAY_B = 3;

  wire a, b;
  reg input_signal;

  assign #(DELAY_A) a = input_signal;
  assign #(DELAY_B) b = a;

  initial begin
    input_signal = 0;
    #10 input_signal = 1;
    #20 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time=%0t input=%b a=%b b=%b", $time, input_signal, a, b);
  end
endmodule

実行結果

Time=0 input=0 a=x b=x
Time=2 input=0 a=0 b=x
Time=5 input=0 a=0 b=0
Time=10 input=1 a=0 b=0
Time=12 input=1 a=1 b=0
Time=15 input=1 a=1 b=1

パラメータ化により、遅延値を簡単に調整できます。

○サンプルコード8：条件付き遅延の実装

条件に応じて異なる遅延を適用したい場合があります。

条件演算子を使用して、動的に遅延を変更できます。

module conditional_delay;
  wire out;
  reg a, b, sel;

  assign #(sel ? 5 : 2) out = sel ? a : b;

  initial begin
    a = 0; b = 1; sel = 0;
    #10 sel = 1;
    #10 a = 1;
    #10 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time=%0t sel=%b a=%b b=%b out=%b", $time, sel, a, b, out);
  end
endmodule

実行結果

Time=0 sel=0 a=0 b=1 out=x
Time=2 sel=0 a=0 b=1 out=1
Time=10 sel=1 a=0 b=1 out=1
Time=15 sel=1 a=0 b=1 out=0
Time=20 sel=1 a=1 b=1 out=0
Time=25 sel=1 a=1 b=1 out=1

selの値に応じて、異なる遅延と入力が選択されていることがわかります。

○サンプルコード9：多段遅延を用いた信号処理

複数の遅延を組み合わせることで、より複雑な信号処理を表現できます。

module multi_stage_delay;
  wire [2:0] out;
  reg in;

  assign #2 out[0] = in;
  assign #3 out[1] = out[0];
  assign #4 out[2] = out[1];

  initial begin
    in = 0;
    #10 in = 1;
    #20 in = 0;
    #30 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time=%0t in=%b out=%b", $time, in, out);
  end
endmodule

実行結果

Time=0 in=0 out=xxx
Time=2 in=0 out=0xx
Time=5 in=0 out=00x
Time=9 in=0 out=000
Time=10 in=1 out=000
Time=12 in=1 out=100
Time=15 in=1 out=110
Time=19 in=1 out=111
Time=30 in=0 out=111
Time=32 in=0 out=011
Time=35 in=0 out=001
Time=39 in=0 out=000

多段遅延により、信号が徐々に伝搬していく様子が観察できます。

●よくあるエラーと対処法

Verilogの遅延命令を使用する際、いくつかの一般的なエラーに遭遇することがあります。

適切な対処法を知ることで、効率的なデバッグが可能になります。

○タイミング違反とその解決策

タイミング違反は、信号が期待される時間内に到達しない場合に発生します。

主な原因は、過度の遅延や不適切な同期設計です。

解決策

クリティカルパスの最適化 -> 遅延が大きい部分を特定し、ロジックを簡素化する。
パイプライン化 -> 長い組み合わせロジックを複数のステージに分割する。
クロック周波数の調整 -> システム全体のタイミングに余裕を持たせる。
非同期FIFOの使用 -> 異なるクロックドメイン間の通信に利用する。

○シミュレーションと実機の差異対策

シミュレーションでは問題なく動作しても、実機で予期せぬ動作をすることがあります。

主な原因は、理想的なシミュレーション環境と実際のハードウェアの違いです。

対策

バックアノテーションの使用 -> 合成後の実際の遅延情報をシミュレーションに反映する。
最悪ケース解析 -> 温度や電圧の変動を考慮したタイミング解析を行う。
テストベンチの充実 -> 様々な入力パターンや境界条件を網羅的にテストする。
インシステム検証 -> FPGAボード上で実際の動作を確認し、問題を早期に発見する。

○遅延ループの回避方法

遅延ループは、信号が循環的に遅延を受け続ける状況で、シミュレーションが収束しない原因となります。

回避方法

組み合わせロジックの見直し -> ループを形成している部分を特定し、設計を変更する。
レジスタの挿入 -> ループ内にレジスタを追加し、同期設計に変更する。
イネーブル信号の使用 -> 条件付きで遅延を適用し、無限ループを防ぐ。
時間制限の設定 -> シミュレーション時に最大遅延時間を設定し、無限ループを検出する。

遅延命令は、適切に使用すれば回路設計の精度を向上させる強力なツールです。

しかし、誤用すると予期せぬ問題を引き起こす可能性があります。

エラーの原因を理解し、適切な対策を講じることで、より信頼性の高い設計が可能になります。

●遅延命令の応用例

Verilogの遅延命令は、理論的な理解だけでなく、実践的な応用が重要です。

実際の回路設計では、様々な場面で遅延命令が活躍します。

ここでは、遅延命令の具体的な応用例を紹介します。

初心者の方も、実例を通じて遅延命令の威力を実感できるでしょう。

○サンプルコード10：クロック生成回路での活用

クロック生成は、デジタル回路設計の基本中の基本です。

遅延命令を使用することで、簡単にクロック信号を生成できます。

module clock_generator;
  reg clk;

  initial begin
    clk = 0;
    forever #5 clk = ~clk;  // 10単位時間周期のクロックを生成
  end

  initial begin
    $monitor("Time=%0t clk=%b", $time, clk);
    #100 $finish;
  end
endmodule

実行結果

Time=0 clk=0
Time=5 clk=1
Time=10 clk=0
Time=15 clk=1
Time=20 clk=0
...
Time=95 clk=1
Time=100 clk=0

forever文と組み合わせることで、周期的なクロック信号が生成されています。

#5の遅延指定により、5単位時間ごとにクロックが反転します。

○サンプルコード11：デバウンス回路の実装

機械式スイッチを使用する際、チャタリングという現象が発生します。

デバウンス回路は、遅延を利用してチャタリングを除去する技術です。

module debounce;
  reg button, debounced;

  always @(posedge button) begin
    #20 debounced <= button;  // 20単位時間後に安定した値を取得
  end

  initial begin
    button = 0;
    #10 button = 1;  // チャタリング1
    #5 button = 0;   // チャタリング2
    #3 button = 1;   // チャタリング3
    #30 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time=%0t button=%b debounced=%b", $time, button, debounced);
  end
endmodule

実行結果

Time=0 button=0 debounced=x
Time=10 button=1 debounced=x
Time=15 button=0 debounced=x
Time=18 button=1 debounced=x
Time=30 button=1 debounced=1

20単位時間の遅延を設けることで、短時間のチャタリングを無視し、安定した信号のみを取得しています。

○サンプルコード12：パイプライン処理での遅延制御

パイプライン処理は、複雑な演算を複数のステージに分割して効率化する手法です。

遅延命令を使用することで、各ステージの処理時間を制御できます。

module pipeline;
  reg [7:0] data_in;
  wire [7:0] stage1, stage2, stage3;

  assign #2 stage1 = data_in + 8'd1;     // ステージ1：加算
  assign #3 stage2 = stage1 * 8'd2;      // ステージ2：乗算
  assign #1 stage3 = stage2 - 8'd3;      // ステージ3：減算

  initial begin
    data_in = 8'd10;
    #10 data_in = 8'd20;
    #10 data_in = 8'd30;
    #10 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time=%0t in=%d s1=%d s2=%d s3=%d", $time, data_in, stage1, stage2, stage3);
  end
endmodule

実行結果

Time=0 in=10 s1=x s2=x s3=x
Time=2 in=10 s1=11 s2=x s3=x
Time=5 in=10 s1=11 s2=22 s3=x
Time=6 in=10 s1=11 s2=22 s3=19
Time=10 in=20 s1=11 s2=22 s3=19
Time=12 in=20 s1=21 s2=22 s3=19
Time=15 in=20 s1=21 s2=42 s3=19
Time=16 in=20 s1=21 s2=42 s3=39
Time=20 in=30 s1=21 s2=42 s3=39
Time=22 in=30 s1=31 s2=42 s3=39
Time=25 in=30 s1=31 s2=62 s3=39
Time=26 in=30 s1=31 s2=62 s3=59

各ステージに異なる遅延を設定することで、実際の処理時間の違いをシミュレートしています。

パイプラインの動作を視覚的に確認できます。

○サンプルコード13：テストベンチでの遅延活用

テストベンチは、設計した回路の動作を検証するために不可欠です。

遅延命令を使用することで、より現実的なテストシナリオを作成できます。

module dut(input clk, input reset, input [7:0] data_in, output reg [7:0] data_out);
  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset)
      data_out <= 8'd0;
    else
      data_out <= data_in + 8'd1;
  end
endmodule

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

  dut DUT(.clk(clk), .reset(reset), .data_in(data_in), .data_out(data_out));

  initial begin
    clk = 0;
    forever #5 clk = ~clk;
  end

  initial begin
    reset = 1;
    data_in = 8'd0;
    #15 reset = 0;
    #10 data_in = 8'd10;
    #10 data_in = 8'd20;
    #10 data_in = 8'd30;
    #10 $finish;
  end

  initial begin
    $monitor("Time=%0t reset=%b in=%d out=%d", $time, reset, data_in, data_out);
  end
endmodule

実行結果

Time=0 reset=1 in=0 out=0
Time=15 reset=0 in=0 out=0
Time=20 reset=0 in=10 out=1
Time=25 reset=0 in=10 out=11
Time=30 reset=0 in=20 out=11
Time=35 reset=0 in=20 out=21
Time=40 reset=0 in=30 out=21
Time=45 reset=0 in=30 out=31
Time=50 reset=0 in=30 out=31

クロックの生成や入力信号の変更にタイミングを持たせることで、DUTの動作を細かく観察できます。

リセット解除後の動作や、入力変更に対する出力の変化を確認できます。

遅延命令の応用例を通じて、Verilogにおける時間の概念の重要性が理解できたのではないでしょうか。

クロック生成、デバウンス、パイプライン処理、テストベンチなど、実際の回路設計で頻繁に遭遇する場面で遅延命令が活躍します。

適切に遅延を設定することで、より現実的で信頼性の高い設計が可能になります。