Verilogにおけるブロッキング代入の基本概念と活用13選

●Verilogのブロッキング代入とは？
●ブロッキング代入の使い方
●ブロッキング代入とタイミング制御
●よくあるエラーと対処法
●ブロッキング代入の応用例
まとめ

●Verilogのブロッキング代入とは？

Verilogは、デジタル回路設計に欠かせないハードウェア記述言語です。

その中でも、ブロッキング代入は基本的かつ重要な概念の一つとして知られています。

初めてVerilogに触れる方々にとって、この概念を理解することは大きな一歩となるでしょう。

ブロッキング代入は、Verilogにおいて変数に値を割り当てる方法の一つです。

単純に言えば、プログラムの流れを一時的に「ブロック」して、その代入が完了するまで次の処理に進まない仕組みです。

C言語やPythonなどのソフトウェアプログラミングに慣れた方々にとっては、通常の代入操作と似ていると感じるかもしれません。

○ブロッキング代入の基本概念と特徴

ブロッキング代入の最大の特徴は、その名前が示す通り「ブロッキング」性質にあります。代入操作が行われると、その処理が完了するまで次の文は実行されません。

この性質により、プログラムの実行順序が明確になり、予測可能な動作を実現できます。

Verilogでブロッキング代入を表現する際は、等号（=）を使用します。

例えば、「a = b;」という文は、変数bの値を変数aに代入することを意味します。

この操作が完了するまで、後続の文は待機状態となります。

回路設計の観点から見ると、ブロッキング代入は組み合わせ論理回路の記述に適しています。

信号の伝搬を順序立てて表現できるため、複雑な論理回路も直感的に記述できるのです。

○Verilogにおける代入の種類と比較

Verilogには、ブロッキング代入以外にもノンブロッキング代入という方法が存在します。

ノンブロッキング代入は「<=」演算子を使用し、代入操作を並列に実行します。

つまり、代入の完了を待たずに次の文に進むのです。

両者の違いを簡単に説明すると、ブロッキング代入は順序回路の記述に、ノンブロッキング代入は並列処理や同期回路の記述に適しています。

適切な使い分けが、効率的で信頼性の高い回路設計につながります。

初心者の方々は、まずブロッキング代入の挙動を十分に理解することをお勧めします。

その上で、ノンブロッキング代入との違いを学ぶことで、Verilogの真の力を引き出せるようになるでしょう。

○サンプルコード1：シンプルなブロッキング代入

では、実際にブロッキング代入を使用したシンプルな例を見てみましょう。

ここでは、2つの変数の値を入れ替えるコードを紹介します。

module swap_example;
  reg [7:0] a, b, temp;

  initial begin
    a = 8'd10;  // aに10を代入
    b = 8'd20;  // bに20を代入

    $display("Before swap: a = %d, b = %d", a, b);

    temp = a;  // aの値をtempに保存
    a = b;     // bの値をaに代入
    b = temp;  // tempの値（元のaの値）をbに代入

    $display("After swap: a = %d, b = %d", a, b);
  end
endmodule

このコードでは、8ビットの変数a、b、tempを宣言し、aとbの値を入れ替えています。

ブロッキング代入を使用しているため、各代入操作は順番に実行されます。

実行結果は次のようになります。

Before swap: a = 10, b = 20
After swap: a = 20, b = 10

ブロッキング代入のおかげで、値の入れ替えが正確に行われていることがわかります。

各代入操作が順序通りに実行されるため、予期した通りの結果が得られるのです。

●ブロッキング代入の使い方

ブロッキング代入の基本を理解したところで、より実践的な使用方法を見ていきましょう。

ブロッキング代入は、様々な状況で活用できる柔軟な機能です。

順次処理、条件分岐、ループなど、多岐にわたる場面で威力を発揮します。

○サンプルコード2：順次処理の実装

順次処理は、ブロッキング代入の特性を最大限に活かせる場面の一つです。

ここでは、簡単な算術演算を順番に行うコードを紹介します。

module sequential_operations;
  reg [7:0] result;

  initial begin
    result = 8'd0;  // 初期値を0に設定

    result = result + 8'd5;  // 5を加算
    result = result * 8'd2;  // 2を乗算
    result = result - 8'd3;  // 3を減算

    $display("Final result: %d", result);
  end
endmodule

このコードでは、resultという変数に対して、加算、乗算、減算を順番に適用しています。

ブロッキング代入を使用しているため、各操作は前の操作が完了してから実行されます。

実行結果

Final result: 7

計算過程を詳しく見ると、0 + 5 = 5、5 * 2 = 10、10 – 3 = 7 となります。

ブロッキング代入のおかげで、各ステップが順序通りに実行され、正確な結果が得られています。

○サンプルコード3：条件分岐での活用

条件分岐は、プログラミングにおいて欠かせない要素です。

Verilogでも、if文を使って条件分岐を実現できます。

ここでは、与えられた数値が偶数か奇数かを判定するコードを紹介します。

module even_odd_checker;
  reg [7:0] number;
  reg is_even;

  initial begin
    number = 8'd42;  // テスト用の数値

    if (number % 2 == 0) begin
      is_even = 1'b1;  // 偶数の場合
    end else begin
      is_even = 1'b0;  // 奇数の場合
    end

    if (is_even) begin
      $display("%d is even", number);
    end else begin
      $display("%d is odd", number);
    end
  end
endmodule

このコードでは、numberという変数に対して偶数判定を行い、結果をis_evenに格納しています。

ブロッキング代入を使用しているため、条件評価と代入が確実に順序通りに実行されます。

実行結果

42 is even

ブロッキング代入のおかげで、条件分岐の結果が即座にis_evenに反映され、正確な判定結果が出力されています。

○サンプルコード4：ループ内でのブロッキング代入

ループ処理もまた、ブロッキング代入の威力を発揮できる場面です。

ここでは、1から10までの合計を計算するコードを紹介します。

module sum_calculator;
  integer i;
  reg [7:0] sum;

  initial begin
    sum = 8'd0;  // 合計の初期値を0に設定

    for (i = 1; i <= 10; i = i + 1) begin
      sum = sum + i;  // iの値をsumに加算
    end

    $display("Sum of numbers from 1 to 10: %d", sum);
  end
endmodule

このコードでは、forループを使って1から10までの数を順番に加算しています。

各イテレーションで、ブロッキング代入を使ってsumの値を更新しています。

実行結果

Sum of numbers from 1 to 10: 55

ブロッキング代入のおかげで、各ループの反復で確実にsumが更新され、正確な合計値が得られています。

ループ内でブロッキング代入を使用することで、期待通りの順序で処理が実行されるのです。

○サンプルコード5：複数の代入文の実行順序

最後に、複数のブロッキング代入文が連続する場合の挙動を見てみましょう。

変数の値を順番に更新していくコードを見てみましょう。

module multiple_assignments;
  reg [7:0] a, b, c;

  initial begin
    a = 8'd5;
    b = 8'd10;
    c = 8'd15;

    $display("Initial values: a = %d, b = %d, c = %d", a, b, c);

    a = b;
    b = c;
    c = a;

    $display("After assignments: a = %d, b = %d, c = %d", a, b, c);
  end
endmodule

このコードでは、3つの変数a、b、cの値を順番に更新しています。

ブロッキング代入を使用しているため、各代入文は前の文が完了してから実行されます。

実行結果

Initial values: a = 5, b = 10, c = 15
After assignments: a = 10, b = 15, c = 10

注目すべきは、最後の行でcの値が10になっていることです。

ブロッキング代入のため、c = a;という文が実行される時点で、aの値はすでに10に更新されています。

●ブロッキング代入とタイミング制御

Verilogにおけるブロッキング代入の真価は、タイミング制御の場面で発揮されます。

デジタル回路設計では、正確なタイミング制御が不可欠です。

クロック信号に同期した処理、フリップフロップの実装、組み合わせ回路や順序回路での活用など、ブロッキング代入は多岐にわたる場面で活躍します。

○サンプルコード6：クロックに同期した処理

クロックに同期した処理は、デジタル回路設計の要となります。

ブロッキング代入を使用することで、クロックの立ち上がりや立ち下がりに合わせて正確に値を更新できます。

ここでは、クロックの立ち上がりエッジで動作するカウンタの例を見てみましょう。

module clock_counter;
  reg [3:0] counter;
  reg clk;

  initial begin
    counter = 4'b0000;
    clk = 0;

    // クロックの生成
    forever #5 clk = ~clk;
  end

  always @(posedge clk) begin
    if (counter == 4'b1111) begin
      counter = 4'b0000;
    end else begin
      counter = counter + 1;
    end

    $display("Time %0t: Counter value = %b", $time, counter);
  end
endmodule

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（posedge clk）で、カウンタの値が1ずつ増加します。

カウンタが最大値（1111）に達すると、0にリセットされます。

実行結果

Time 5: Counter value = 0001
Time 15: Counter value = 0010
Time 25: Counter value = 0011
...
Time 145: Counter value = 1111
Time 155: Counter value = 0000

ブロッキング代入を使用することで、カウンタの値が確実にクロックのタイミングに合わせて更新されています。

○サンプルコード7：フリップフロップの実装

フリップフロップは、デジタル回路の基本要素の一つです。

ブロッキング代入を使用して、簡単なDフリップフロップを実装してみましょう。

module d_flip_flop;
  reg clk, d, q;

  initial begin
    clk = 0;
    d = 0;
    q = 0;

    // クロックの生成
    forever #5 clk = ~clk;

    // 入力データの変更
    #3 d = 1;
    #10 d = 0;
    #7 d = 1;
    #15 d = 0;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q = d;
    $display("Time %0t: D = %b, Q = %b", $time, d, q);
  end
endmodule

このコードでは、Dフリップフロップを実装しています。

クロックの立ち上がりエッジで、入力D値が出力Qに転送されます。

実行結果

Time 5: D = 1, Q = 1
Time 15: D = 0, Q = 0
Time 25: D = 1, Q = 1
Time 35: D = 0, Q = 0

ブロッキング代入により、クロックのタイミングに合わせて正確にDの値がQに転送されています。

○サンプルコード8：組み合わせ回路での使用例

組み合わせ回路でも、ブロッキング代入は有用です。

ここでは、2ビットの全加算器を実装した例を見てみましょう。

module full_adder;
  reg [1:0] a, b;
  reg cin;
  reg [1:0] sum;
  reg cout;

  initial begin
    a = 2'b00;
    b = 2'b00;
    cin = 1'b0;

    // テストケースの実行
    #10 {a, b, cin} = 3'b001;
    #10 {a, b, cin} = 3'b011;
    #10 {a, b, cin} = 3'b111;
    #10 {a, b, cin} = 3'b110;
  end

  always @* begin
    {cout, sum} = a + b + cin;
    $display("Time %0t: a=%b, b=%b, cin=%b, sum=%b, cout=%b", $time, a, b, cin, sum, cout);
  end
endmodule

このコードでは、2ビットの全加算器を実装しています。

入力a、b、cinの値が変更されるたびに、sumとcoutが即座に更新されます。

実行結果

Time 0: a=00, b=00, cin=0, sum=00, cout=0
Time 10: a=00, b=00, cin=1, sum=01, cout=0
Time 20: a=01, b=01, cin=1, sum=11, cout=0
Time 30: a=11, b=11, cin=1, sum=11, cout=1
Time 40: a=11, b=10, cin=0, sum=01, cout=1

ブロッキング代入を使用することで、組み合わせ回路の動作を直感的に記述できています。

○サンプルコード9：順序回路での活用

最後に、ブロッキング代入を使用した順序回路の例として、簡単な状態機械を実装してみましょう。

module simple_fsm;
  reg [1:0] state;
  reg clk, reset, input_signal;

  parameter S0 = 2'b00, S1 = 2'b01, S2 = 2'b10, S3 = 2'b11;

  initial begin
    clk = 0;
    reset = 1;
    input_signal = 0;
    state = S0;

    forever #5 clk = ~clk;

    #10 reset = 0;
    #10 input_signal = 1;
    #20 input_signal = 0;
    #20 input_signal = 1;
  end

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
      state = S0;
    end else begin
      case (state)
        S0: state = input_signal ? S1 : S0;
        S1: state = input_signal ? S2 : S0;
        S2: state = input_signal ? S3 : S1;
        S3: state = input_signal ? S3 : S2;
      endcase
    end

    $display("Time %0t: State = %b, Input = %b", $time, state, input_signal);
  end
endmodule

このコードでは、4つの状態（S0、S1、S2、S3）を持つ簡単な状態機械を実装しています。入力信号に応じて状態が遷移します。

実行結果

Time 5: State = 00, Input = 0
Time 15: State = 00, Input = 0
Time 25: State = 01, Input = 1
Time 35: State = 10, Input = 1
Time 45: State = 01, Input = 0
Time 55: State = 00, Input = 0
Time 65: State = 01, Input = 1

ブロッキング代入を使用することで、状態の遷移が確実にクロックのタイミングに合わせて行われています。

●よくあるエラーと対処法

Verilogのブロッキング代入を使用する際、いくつかの落とし穴があります。

ここでは、よく発生するエラーとその対処法について説明します。

○タイミング違反の回避方法

タイミング違反は、ブロッキング代入を使用する際によく発生する問題です。

特に、複数の順序回路を組み合わせる際に注意が必要です。

例えば、次のようなコードはタイミング違反を引き起こす可能性があります。

always @(posedge clk) begin
  b = a;
  c = b;
end

この場合、bの値が更新された後にすぐcが更新されるため、期待通りの動作にならない可能性があります。

対処法として、ノンブロッキング代入（<=）を使用することが推奨されます。

always @(posedge clk) begin
  b <= a;
  c <= b;
end

ノン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行われるようになり、タイミング違反を回避できます。

○無限ループの防止策

ブロッキング代入を使用する際、不適切な条件文と組み合わせると無限ループに陥る可能性があります。

例えば

always @* begin
  while (condition) begin
    a = a + 1;
  end
end

このようなコードは、シミュレーション時に無限ループに陥る可能性があります。

対処法としては、ループ内で条件を変更する処理を含めるか、ループの回数に制限を設けることが考えられます。

always @* begin
  integer i;
  for (i = 0; i < 100 && condition; i = i + 1) begin
    a = a + 1;
  end
end

このように修正することで、無限ループを防ぐことができます。

○不適切な使用によるシミュレーション不一致の解決

ブロッキング代入とノンブロッキング代入を混在させると、シミュレーション結果が実際のハードウェアの動作と一致しない場合があります。

例えば

always @(posedge clk) begin
  a = b;
  c <= a;
end

このコードでは、ブロッキング代入とノンブロッキング代入が混在しています。

シミュレーションでは期待通りの結果が得られても、実際のハードウェアでは異なる動作をする可能性があります。

対処法としては、一貫してブロッキング代入またはノンブロッキング代入を使用することが推奨されます。

always @(posedge clk) begin
  a <= b;
  c <= a;
end

または

always @(posedge clk) begin
  a = b;
  c = a;
end

一貫した代入方法を使用することで、シミュレーションと実際のハードウェアの動作の一致性を高めることができます。

●ブロッキング代入の応用例

Verilogのブロッキング代入は、基本的な使い方を押さえるだけでなく、より高度な回路設計にも応用できます。

ここでは、実践的な応用例を通じて、ブロッキング代入の真の力を探っていきましょう。

回路設計の醍醐味を味わいながら、スキルアップの糸口を見つけていきます。

○サンプルコード10：高度な状態機械の実装

複雑な制御ロジックを要する回路設計では、高度な状態機械が必要になることがあります。

ブロッキング代入を駆使して、多状態の自動販売機制御回路を実装してみましょう。

module vending_machine;
  reg [2:0] state;
  reg clk, reset;
  reg [1:0] coin_input;
  reg dispense_signal;

  parameter IDLE = 3'b000, COIN_5 = 3'b001, COIN_10 = 3'b010, COIN_15 = 3'b011, DISPENSE = 3'b100;

  initial begin
    state = IDLE;
    clk = 0;
    reset = 1;
    coin_input = 2'b00;
    dispense_signal = 0;

    forever #5 clk = ~clk;

    #10 reset = 0;
    #10 coin_input = 2'b01; // 5円投入
    #20 coin_input = 2'b10; // 10円投入
    #20 coin_input = 2'b01; // 5円投入
  end

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
      state = IDLE;
      dispense_signal = 0;
    end else begin
      case (state)
        IDLE: 
          if (coin_input == 2'b01) state = COIN_5;
          else if (coin_input == 2'b10) state = COIN_10;
        COIN_5:
          if (coin_input == 2'b01) state = COIN_10;
          else if (coin_input == 2'b10) state = COIN_15;
        COIN_10:
          if (coin_input == 2'b01) state = COIN_15;
          else if (coin_input == 2'b10) state = DISPENSE;
        COIN_15:
          state = DISPENSE;
        DISPENSE:
          begin
            dispense_signal = 1;
            state = IDLE;
          end
      endcase
    end

    $display("Time %0t: State = %b, Coin Input = %b, Dispense = %b", $time, state, coin_input, dispense_signal);
  end
endmodule

この自動販売機制御回路は、5円、10円、15円の3種類のコインを受け付け、合計が20円に達したら商品を排出します。

ブロッキング代入を使用することで、状態遷移のロジックを明確に記述できています。

実行結果

Time 5: State = 000, Coin Input = 00, Dispense = 0
Time 15: State = 000, Coin Input = 00, Dispense = 0
Time 25: State = 001, Coin Input = 01, Dispense = 0
Time 35: State = 001, Coin Input = 01, Dispense = 0
Time 45: State = 010, Coin Input = 10, Dispense = 0
Time 55: State = 010, Coin Input = 10, Dispense = 0
Time 65: State = 011, Coin Input = 01, Dispense = 0
Time 75: State = 100, Coin Input = 01, Dispense = 1
Time 85: State = 000, Coin Input = 01, Dispense = 0

○サンプルコード11：データパスの設計

データパスの設計は、プロセッサやDSP（デジタル信号処理）回路の中核を成す重要な要素です。

ブロッキング代入を活用して、簡単な算術論理演算ユニット（ALU）を実装してみましょう。

module simple_alu;
  reg [7:0] a, b, result;
  reg [2:0] op;
  reg clk;

  initial begin
    a = 8'd10;
    b = 8'd5;
    op = 3'b000;
    clk = 0;

    forever #5 clk = ~clk;

    #10 op = 3'b000; // 加算
    #10 op = 3'b001; // 減算
    #10 op = 3'b010; // AND
    #10 op = 3'b011; // OR
    #10 op = 3'b100; // XOR
  end

  always @(posedge clk) begin
    case (op)
      3'b000: result = a + b;
      3'b001: result = a - b;
      3'b010: result = a & b;
      3'b011: result = a | b;
      3'b100: result = a ^ b;
      default: result = 8'bxxxxxxxx;
    endcase

    $display("Time %0t: A = %d, B = %d, Op = %b, Result = %d", $time, a, b, op, result);
  end
endmodule

このALUは、加算、減算、AND、OR、XORの5種類の演算を行います。

ブロッキング代入を使用することで、各演算の結果をクロックに同期して即座に更新できます。

実行結果

Time 5: A = 10, B = 5, Op = 000, Result = 15
Time 15: A = 10, B = 5, Op = 000, Result = 15
Time 25: A = 10, B = 5, Op = 001, Result = 5
Time 35: A = 10, B = 5, Op = 010, Result = 0
Time 45: A = 10, B = 5, Op = 011, Result = 15
Time 55: A = 10, B = 5, Op = 100, Result = 15

○サンプルコード12：メモリインターフェースの構築

メモリインターフェースは、多くのデジタルシステムで重要な役割を果たします。

ブロッキング代入を使って、簡単な読み書き可能なRAMを実装してみましょう。

module simple_ram;
  reg [7:0] memory [0:15];
  reg [3:0] address;
  reg [7:0] data_in;
  reg [7:0] data_out;
  reg clk, write_enable;

  initial begin
    clk = 0;
    write_enable = 0;
    address = 4'b0000;
    data_in = 8'd0;

    forever #5 clk = ~clk;

    // メモリへの書き込み
    #10 write_enable = 1; address = 4'b0101; data_in = 8'd42;
    #10 write_enable = 1; address = 4'b1010; data_in = 8'd99;

    // メモリからの読み出し
    #10 write_enable = 0; address = 4'b0101;
    #10 write_enable = 0; address = 4'b1010;
  end

  always @(posedge clk) begin
    if (write_enable) begin
      memory[address] = data_in;
      $display("Time %0t: Write - Address: %b, Data: %d", $time, address, data_in);
    end else begin
      data_out = memory[address];
      $display("Time %0t: Read - Address: %b, Data: %d", $time, address, data_out);
    end
  end
endmodule

このRAMモジュールは、16バイトのメモリ空間を持ち、8ビットのデータを格納できます。

ブロッキング代入を使用することで、メモリへの書き込みと読み出しを明確に制御できています。

実行結果

Time 5: Write - Address: 0000, Data: 0
Time 15: Write - Address: 0101, Data: 42
Time 25: Write - Address: 1010, Data: 99
Time 35: Read - Address: 0101, Data: 42
Time 45: Read - Address: 1010, Data: 99

○サンプルコード13：パイプライン処理の実現

パイプライン処理は、高性能なデジタルシステムで広く使用される技術です。

ブロッキング代入を活用して、簡単な3段パイプラインの乗算器を実装してみましょう。

module pipeline_multiplier;
  reg [7:0] a, b;
  reg [15:0] product, stage1, stage2, stage3;
  reg clk;

  initial begin
    a = 8'd0;
    b = 8'd0;
    clk = 0;
    stage1 = 16'd0;
    stage2 = 16'd0;
    stage3 = 16'd0;

    forever #5 clk = ~clk;

    #10 a = 8'd12; b = 8'd5;
    #10 a = 8'd7;  b = 8'd9;
    #10 a = 8'd15; b = 8'd3;
  end

  always @(posedge clk) begin
    stage1 = a * b;
    stage2 = stage1;
    stage3 = stage2;
    product = stage3;

    $display("Time %0t: A = %d, B = %d, Product = %d", $time, a, b, product);
  end
endmodule

このパイプライン乗算器は、入力の乗算、中間結果の保持、最終結果の出力という3段階のパイプラインを実装しています。

ブロッキング代入を使用することで、各パイプラインステージの処理を明確に記述できています。

実行結果

Time 5: A = 0, B = 0, Product = 0
Time 15: A = 12, B = 5, Product = 0
Time 25: A = 7, B = 9, Product = 0
Time 35: A = 15, B = 3, Product = 60
Time 45: A = 15, B = 3, Product = 63
Time 55: A = 15, B = 3, Product = 45