5章レジスタの設計

本章では、always_ff 文を用いてレジスタを設計する方法を学びます。 always_ff 文は、クロック信号の立ち上がりや立ち下がりなど、特定のタイミングで動作する回路を記述できます。この文を使用することで、フリップフロップの動作を簡潔に記述でき、レジスタやカウンタなどの同期回路を設計することが可能になります。

5.1 4ビットレジスタ

図 5.1a に示すような 4 ビットのレジスタを設計します。このレジスタはクロック信号 clock の立ち上がりのタイミングで、 4ビットの入力信号 d[3:0] を取り込んで 4 ビットの出力信号 q[3:0] に出力し、その値を次の clock の立ち上がりが入ってくるまで、そのまま保持する回路です。

register4

<図 5.1a 4ビットレジスタ>

このような 4 ビットレジスタは、リスト 5.1 のように always_ff を用いて記述できます。

<リスト 5.1 register4 モジュール>

register4.sv

module register4(
  input   logic         clock,
  input   logic   [3:0] d,
  output  logic   [3:0] q
);

  always_ff @ (posedge clock) begin  // clock の立ち上がりで動作
    q <= d;   // d の値を q に代入 (ノンブロッキング代入)
  end
endmodule

always_ff 文の部分を抜き出すと以下のようになります。

always_ff @ (posedge clock) begin // clock の立ち上がりで動作
  q <= d;   // d の値を q に代入 (ノンブロッキング代入)
end

この always_ff 文では posedge clock というイベントが発生したときに、q <= d; の処理が実行されます。 posedge clock は、clock 信号の立ち上がりエッジを意味します。 q <= d; は、d の値を q に代入する処理です。すなわち、clock 信号が 0 から 1 に変化したときに、always_ff 文が起動し q に d の値が代入されます。

posedge clock の代わりに negedge clock を使用すると、clock 信号の立ち下がりエッジで動作することになります。

なお、q <= d; の形の代入はノンブロッキング代入と呼ばれ、d の値を q に代入することを意味します。ノンブロッキング代入は、複数の代入が同時に実行される場合でも、各文が独立して動作することを保証します。 always_ff 文による同期式回路の設計で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。

この 4 ビットレジスタの動作例をタイムチャートで示すと図 5.1b のようになります。

register4_timing

<図 5.1b 4ビットレジスタ register4 モジュールの動作例>

この4ビットレジスタ register4 モジュールを呼び出して使うには次のように記述します。

shell.sv

module shell(
  input   logic       KEY0,   // clock
  input   logic [3:0] SW,     // d[3:0]
  output  logic [3:0] LEDR    // q[3:0]
);

  register4 reg4(
    .clock (KEY0),
    .d     (SW),
    .q     (LEDR)
  );
endmodule

演習

4ビットレジスタを実習ボード DE0-CV に実装して、その動作を確かめてみましょう。上記の shell モジュールをプロジェクトの Top level design entity として設定し、その入出力を表 5.1 に示すように割り当ててください。

<表 5.1 shell モジュールの入出力のデバイスへの割り当て>

信号名	割り当てデバイス	入出力
KEY0	KEY0	input
SW[3:0]	SW3-SW0	input
LEDR[3:0]	LEDR3-LEDR0	output

ここで clock 信号を入力するために使用しているプッシュスイッチの KEY0 は、ボタンを押し下げている間は 0 となり、離すと 1 となります。 KEY1 から KEY3 のプッシュスイッチについても同様です。また、プッシュスイッチ KEY0 から KEY3 にはチャタリング防止のための回路が組み込まれています。 (なお、スライドスイッチ SW9 ~ SW0 にはチャタリング防止回路はついていません。)

レジスタの出力が変化するのは、KEY0 を押し下げた時なのか、それとも離した時なのか、そのタイミングを注意深く観察してください。

5.2 レジスタ (ビット幅のパラメータ化)

リスト 5.2 の register モジュールは、ビット幅をパラメータとして指定できるようにしたレジスタの設計例です。

<リスト 5.2 register モジュール>

module register #(parameter WIDTH = 4)( // パラメータ WIDTH の定義 デフォルト値は 4
  input   logic             clock,
  input   logic [WIDTH-1:0] d,      // パラメータ WIDTH によるビット幅の指定 
  output  logic [WIDTH-1:0] q       // パラメータ WIDTH によるビット幅の指定
);

  always_ff @ (posedge clock) begin
    q <= d;
  end
endmodule

モジュールの定義において、モジュール名 register の後に #(parameter WIDTH = 4) と記述することで、 WIDTH というパラメータとそのデフォルト値(ここでは 4 )を設定しています。モジュールの入出力信号の定義部分では、パラメータ WIDTH を使用して、入力 d と出力 q のビット幅を指定しています。このようにパラメータを用いると、モジュールを呼び出す際にビット幅を変更することができます。

モジュールを呼び出す際(インスタンス化)には、次のようにモジュールにパラメータの値を指定します。

shell.sv

module shell(
  input   logic       KEY0,
  input   logic [7:0] SW,
  output  logic [7:0] LEDR
);

  register #(.WIDTH(8)) reg8(   // パラメータ WIDTH を 8 に指定
    .clock  (KEY0),
    .d      (SW),
    .q      (LEDR)
  ); 
endmodule

ここでは register モジュールを呼び出す際に #(.WIDTH(8)) と記述することで、パラメータ WIDTH の値を 8 に指定しています。これにより、register モジュールの入力 d と出力 q のビット幅がそれぞれ 8 ビットになり、8 ビットのレジスタを作成することができます。

演習

上記の 8 ビットレジスタを搭載した shell モジュールを実習ボード DE0-CV に実装して、その動作を確かめてみましょう。 shell モジュールをプロジェクトの Top level design entity として設定し、その入出力を表 5.2 に示すようにデバイスへ割り当ててください。

<表 5.2 shell モジュールの入出力のデバイスへの割り当て>

信号名	割り当てデバイス	入出力
KEY0	KEY0	input
SW[7:0]	SW7-SW0	input
LEDR[7:0]	LEDR7-LEDR0	output

5.3 同期リセット付きレジスタ

リスト 5.3 の register_r モジュールは、同期リセット機能を持つレジスタの設計例です。

<リスト 5.3 register_r モジュール>

register_r.sv

module register_r #(
  parameter WIDTH = 4,  // 入出力のビット幅 (デフォルトは 4)
  parameter logic [WIDTH-1:0] RESET_VALUE = '0 // リセット時の値 (デフォルトは 0)  
)(
  input   logic             clock,
  input   logic             reset, // reset
  input   logic [WIDTH-1:0] d,
  output  logic [WIDTH-1:0] q
);

  always_ff @ (posedge clock) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      q <= RESET_VALUE; // reset が 1 のときは q にリセット値を設定
    end else begin 
      q <= d;           // reset が 0 のときは q に d の値を設定
    end 
  end

endmodule

この register_r モジュールは、2つのパラメータ WIDTH と RESET_VALUE を持ちます。 WIDTH はレジスタのビット幅を指定し、デフォルト値は 4 ビットです。 RESET_VALUE はリセット時に q に設定される値を指定し、デフォルト値は 0 です。 RESET_VALUE の設定値 '0 (アポストロフィゼロ)は、左辺のビット幅に応じたゼロの値を意味します(ビット幅が自動的に設定されます)。

モジュール内の記述では always_ff 文を使用して、クロック clock の立ち上がりエッジで動作する回路を設計しています。 always 文の中では以下のように if 文を使用して条件により動作を変えることができます。

  always_ff @ (posedge clock) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      q <= RESET_VALUE; // reset が 1 のときは q にリセット値を設定
    end else begin 
      q <= d;           // reset が 0 のときは q に d の値を設定
    end

ここの if 文では reset が 1 のときは q にリセット値 RESET_VALUE を代入し、そうでない場合 ( else ) は d の値を q に代入しています。なお、リセットはclock の立ち上がりエッジで動作する同期リセットであることに注意しましょう。

register_r モジュールの動作例をタイムチャートで示すと図 5.3 のようになります。ここでは、ビット幅 WIDTH を 4 ビット、リセット値 RESET_VALUE を 4'b0000 とした場合の例を示しています。リセット信号 reset が 0 の時は、clock の立ち上がりエッジで入力 d の値が出力 q に設定されますが、 reset が 1 の時は、clock の立ち上がりエッジで出力 q にリセット値 0000 が設定されます。リセット動作も含め、出力 q の値が変化するのは clock の立ち上がりエッジのタイミングだけであることに注意してください。

register_r_timing

<図 5.3 register_r モジュールの動作例>

この register_r モジュールを呼び出して使うには次のように記述します。モジュール呼び出し時にパラメータ値を設定しないと、デフォルト値が使用されます。すなわち、ビット幅 WIDTH は 4 ビット、リセット値 RESET_VALUE は 4'b0000 が使用されます。

shell.sv

module shell(
  input   logic       KEY0,   // clock
  input   logic       SW9,    // reset
  input   logic [3:0] SW,     // d[3:0]
  output  logic [3:0] LEDR    // q[3:0]
);

  register_r reg_r( // ビット幅 4 ビット リセット値は 4'b0000 のレジスタ
    .clock    (KEY0),
    .reset    (SW9),
    .d        (SW),
    .q        (LEDR)
  );

endmodule

演習 1

上記の register_r モジュールを搭載した shell モジュールを実習ボード DE0-CV に実装して、その動作を確かめてみましょう。 shell モジュールをプロジェクトの Top level design entity として設定し、その入出力を表 5.3 に示すようにデバイスへ割り当ててください。

<表 5.3 shell モジュールの入出力のデバイスへの割り当て>

信号名	割り当てデバイス	入出力
KEY0	KEY0	input
SW9	SW9	input
SW[3:0]	SW3-SW0	input
LEDR[3:0]	LEDR3-LEDR0	output

演習 2

register_r モジュールのリセット値 RESET_VALUE を 4'b1010 に変更して、レジスタの出力がリセット時に 4'b1010 になるようにしてみましょう。次の shell モジュールのように、register_r モジュールの呼び出しの際のパラメータ値を変更してみてください。

shell.sv

module shell(
  input   logic       KEY0,   // clock
  input   logic       SW9,    // reset
  input   logic [3:0] SW,
  output  logic [3:0] LEDR
);

  register_r #(.RESET_VALUE (4'b1010)) reg_r( // リセット値 RESET_VALUE を 4'b1010 に設定
    .clock    (KEY0),
    .reset    (SW9),
    .d        (SW),
    .q        (LEDR)
  );

endmodule

この shell モジュールを実習ボード DE0-CV に実装して、その動作を確かめてみましょう。先ほどの演習と同様に、shell モジュールをプロジェクトの Top level design entity として設定し、その入出力を表 5.3 に示すようにデバイスに割り当ててください。

5.4 書き込み許可付きレジスタ

5.3 の register_r モジュールは、リセット機能を持つレジスタでしたが、ここでは、書き込み許可 (write-enable) 機能を持つレジスタを設計します。リスト 5.4 の register_r_en モジュールは、書き込み許可付きレジスタの設計例です。入力として書き込み許可信号 en を追加し、en が 1 のときにのみ入力 d の値を出力 q に設定します。

<リスト 5.4 register_r_en モジュール>

register_r_en.sv

module register_r_en #(
  parameter WIDTH = 4,
  parameter logic [WIDTH-1:0] RESET_VALUE = '0
)(
  input   logic             clock,
  input   logic             reset,
  input   logic             en,      // write-enable
  input   logic [WIDTH-1:0] d,
  output  logic [WIDTH-1:0] q
);

  always_ff @ (posedge clock) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      q <= RESET_VALUE;
    end else if (en == 1'b1) begin 
      q <= d;
    end
      
  end
  
endmodule

always_ff 文の中では、if 文を用いて reset が 1 のときはリセット値 RESET_VALUE を q に代入し、 reset が 0 のときは、en が 1 の場合に限り d の値を q に代入します。en が 0 のときは、q の値は変化しません。この register_r_en モジュールの動作例をタイムチャートで示すと図 5.4 のようになります。

register_r_en_timing

<図 5.4 register_r_en モジュールの動作例>

この register_r_en モジュールを呼び出して使うには次のように記述します。

shell.sv

module shell(
  input   logic       KEY0,   // clock
  input   logic       SW9,    // reset
  input   logic       SW8,    // write-enable
  input   logic [3:0] SW,
  output  logic [3:0] LEDR
);

  register_r_en reg_r(
    .clock  (KEY0),
    .reset  (SW9),
    .en     (SW8),
    .d      (SW),
    .q      (LEDR)
  );
 
endmodule

演習

書き込み許可付きレジスタ register_r_en モジュールを搭載した shell モジュールを実習ボード DE0-CV に実装して、その動作を確かめてみましょう。 shell モジュールをプロジェクトの Top level design entity として設定し、その入出力を表 5.4 に示すようにデバイスへ割り当ててください。

<表 5.4 shell モジュールの入出力のデバイスへの割り当て>

信号名	割り当てデバイス	入出力
KEY0	KEY0	input
SW9	SW9	input
SW8	SW8	input
SW[3:0]	SW3-SW0	input
LEDR[3:0]	LEDR3-LEDR0	output

5.5 10進カウンタ

レジスタを用いると、カウンタを設計することもできます。ここでは図 5.5 に示すような 10 進カウンタを設計します。このカウンタはクロック信号 clock の立ち上がりのタイミングで、 4ビットの出力信号 count を 0 から 9 までカウントアップし、9 に達すると 0 に戻る動作をします。

counter10

<図 5.5 10進カウンタ>

リスト 5.4 の counter10 モジュールは、10 進カウンタの設計例です。

<リスト 5.4 counter10 モジュール>

counter10.sv

module counter10(
  input   logic       clock,
  input   logic       reset,
  output  logic [3:0] count
);

  logic [3:0] count_next;

  assign count_next = (count == 4'd9) ? 4'd0 : count + 1'd1;

  register_r reg_count(
    .clock  (clock),
    .reset  (reset),
    .d      (count_next),
    .q      (count)
  );

endmodule

この counter10 モジュールは、クロック信号 clock とリセット信号 reset を入力とし、4ビットの出力信号 count を持ちます。 count は現在のカウント値を表し、4 ビットの2進数表現で 0 から 9 までの値をカウントします。 reset 信号は、カウンタをリセットするための信号で、1 のときにカウンタを 0 にリセットします。

モジュール内部では register_r モジュールを使用して、カウンタの値を保持します。また、モジュール内部で宣言された 4 ビットの信号 count_next は次のカウント値を計算するための信号で、現在のカウント値 count に基づいて次の値を決定します。コード中の assign 文の部分では、現在のカウント値 count が 9 のときは次のカウント値を 0 にリセットし、それ以外の場合は現在のカウント値に 1 を加えた値を次のカウント値としています。

assign count_next = (count == 4'd9) ? 4'd0 : count + 1'd1;

なお、この部分は図 5.5 の破線で囲んだ部分に対応しています。

register_r モジュールでは次のカウント値 count_next を現在のカウント値 count に更新します。クロック信号 clock の立ち上がりエッジで count_next の値を count に代入し、出力しています。

リスト 5.4 の counter10 モジュールを呼び出して使うには次のように記述します。

shell.sv

module shell(
  input   logic       KEY0,   // clock
  input   logic       SW9,    // reset
  output  logic [3:0] LEDR
);

  counter10 counter(
    .clock  (KEY0),
    .reset  (SW9),
    .count  (LEDR)
  );
endmodule

演習

上記の counter10 モジュールを搭載した shell モジュールを実習ボード DE0-CV に実装して、その動作を確かめてみましょう。プロジェクトには shell モジュールと counter10 モジュールに加えて、register_r モジュールも必要となります。 shell モジュールをプロジェクトの Top level design entity として設定し、その入出力を表 5.5 に示すようにデバイスへ割り当ててください。

<表 5.5 shell モジュールの入出力のデバイスへの割り当て>

信号名	割り当てデバイス	入出力
KEY0	KEY0	input
SW9	SW9	input
LEDR[3:0]	LEDR3-LEDR0	output

5.6 N 進カウンタ

先ほどの 10 進カウンタは、カウント値が 0 から 9 までの範囲で動作していました。ここでは、カウント値の範囲をパラメータ化して、任意の N 進カウンタを設計します。リスト 5.5 の counterN モジュールは、N 進カウンタの設計例です。ビット幅 WIDTH とカウント値の最大値 MAX をパラメータとして指定し、カウント値が 0 から MAX までをカウントアップします。これにより、N 進カウンタ (N = MAX + 1) を実現します。

<リスト 5.5 counterN モジュール>

counterN.sv

module counterN #(
  parameter WIDTH = 4,
  parameter [WIDTH-1:0] MAX = '1
)(
  input   logic             clock,
  input   logic             reset,
  output  logic [WIDTH-1:0] count
);

  logic [WIDTH-1:0] count_next;

  assign count_next = (count == MAX) ? '0 : count + 1'd1;

  register_r #(.WIDTH (WIDTH)) reg_count(
    .clock  (clock),
    .reset  (reset),
    .d      (count_next),
    .q      (count)
  );

endmodule

counterN モジュールを使って、例えば 172 までカウントアップするカウンタを設計するには、次のように記述します。なお、カウント値が見やすくなるよう、カウンタの出力を 7セグメントディスプレイに変換するための sseg_decoder モジュールも使用しています。

shell.sv

module shell(
  input   logic       KEY0,   // clock
  input   logic       SW9,    // reset
  output  logic [6:0] HEX1,   
  output  logic [6:0] HEX0    
);
  
  logic [7:0] count;

  counterN #(.WIDTH(8), .MAX(171)) counter172( // ビット幅 8 ビット 最大値 171 のカウンタ
    .clock  (KEY0),
    .reset  (SW9),
    .count  (count)
  );

  // count の上位 4 ビットを7セグメントディスプレイに変換
  sseg_decoder dec1(
    .num  (count[7:4]),
    .hex  (HEX1)
  );

  // count の下位 4 ビットを7セグメントディスプレイに変換
  sseg_decoder dec0(
    .num  (count[3:0]),
    .hex  (HEX0)
  );

endmodule

演習

上記の counterN モジュールを搭載した shell モジュールを実習ボード DE0-CV に実装して、その動作を確かめてみましょう。プロジェクトには shell モジュールと counterN モジュールに加えて、register_r モジュールと sseg_decoder モジュールも必要となります。 shell モジュールをプロジェクトの Top level design entity として設定し、その入出力を表 5.6 に示すようにデバイスへ割り当ててください。

<表 5.6 shell モジュールの入出力のデバイスへの割り当て>

信号名	割り当てデバイス	入出力
KEY0	KEY0	input
SW9	SW9	input
HEX1[6:0]	HEX16-HEX10	output
HEX0[6:0]	HEX06-HEX00	output

5.7 カウント許可付き N 進カウンタ

N 進カウンタ counterN を構成するレジスタ (リセット付きレジスタ register_r ) を書き込み許可付きレジスタ register_r_en に取り替えることで、カウント許可付きカウンタを構成することができます。図 5.7 に示すようなカウント許可付き N 進カウンタを設計します。このカウント許可付き N 進カウンタは、カウント許可信号 en が 1 のときにのみカウントアップを行います。

counterN_en

< 図 5.7 カウント許可付き N カウンタ counterN_en >

リスト 5.7 の counterN_en モジュールは、カウント許可付き N 進カウンタの設計例です。カウンタのビット幅 WIDTH とカウント値の最大値 MAX をパラメータとして指定します。カウント許可信号 en 、クロック信号 clock 、リセット信号 reset を入力とし、カウント値 count (ビット幅 WIDTH ) を出力します。

<リスト 5.7 counterN_en モジュール>

counterN_en.sv

module counterN_en #(
  parameter WIDTH = 4,
  parameter logic [WIDTH-1:0] MAX = '1
)(
  input   logic             clock,
  input   logic             reset,
  input   logic             en,     // count-enable
  output  logic [WIDTH-1:0] count
);

  logic [WIDTH-1:0] next_count;
  
  assign next_count = (count == MAX) ? '0 : count + 1'd1;

  register_r_en #(.WIDTH(WIDTH)) reg_count(
    .clock  (clock),
    .reset  (reset),
    .en     (en),
    .d      (next_count),
    .q      (count)
  );

endmodule

この counterN_en モジュールの動作例をタイムチャートで示すと図 5.7a のようになります。ここではビット幅 WIDTH を 4 ビット、カウント値の最大値 MAX を 9 とした 10 進カウンタの例を示しています。カウント許可信号 en が 1 のときは、クロック信号 clock の立ち上がりエッジでカウントアップが行われますが、 en が 0 のときは、カウント値 count は変化しません。

counterN_en_timing

<図 5.7a カウント許可付き N カウンタ counterN_en モジュールの動作例>

演習

上記の counterN_en モジュールを搭載した shell モジュールを実習ボード DE0-CV に実装して、その動作を確かめてみましょう。

shell.sv

module shell(
  input   logic       KEY0, // clock
  input   logic       SW9,  // reset
  input   logic       SW8,  // count enable
  output  logic [3:0] LEDR
);

  counterN_en #(.MAX(4'd9)) counter10( // ビット幅 4 ビット 最大値 9 のカウンタ
    .clock  (KEY0),
    .reset  (SW9),
    .en     (SW8),
    .count  (LEDR)
  );

endmodule

プロジェクトには shell モジュールと counterN_en モジュールに加えて、register_r_en モジュールも必要となります。 shell モジュールをプロジェクトの Top level design entity として設定し、その入出力を表 5.7 に示すようにデバイスへ割り当ててください。

<表 5.7 shell モジュールの入出力のデバイスへの割り当て>

信号名	割り当てデバイス	入出力
KEY0	KEY0	input
SW9	SW9	input
SW8	SW8	input
LEDR[3:0]	LEDR3-LEDR0	output

組込みシステムIII