順序回路と組み合わせ回路を意識した記述を！：触って学ぼう FPGA開発入門（6）（1/4 ページ）
7セグメントLEDを2つ使用して、60進のアップ・ダウンカウンタを作成。“無駄な資源を食わない回路”を設計するには？ そのポイントを紹介
連載第5回「階層構造を意識した設計スタイルとは？」では、10進のアップ・ダウンカウンタと7セグメントLEDのデコーダのモジュールをそれぞれインスタンスして接続し、動作させました。
最終回となる今回は、7セグメントLEDを2つ使用して、60進のアップ・ダウンカウンタを作成します。「それほど難しくないだろう」と思われるかもしれませんが、実際に何の情報もないと結構手間取ります。今回の内容は、この連載で一番強調したかった“HDLによるハードウェア設計のエッセンス”が盛り込まれていますので期待してください。
| 関連記事： | |
|---|---|
| ⇒ | いまさら聞けない FPGA入門 |
ダイナミック点灯の原理
今回使用している「EDX-002」は、ボード上での配線の引き回しを少なくするために、7セグメントLEDの点灯に“ダイナミック点灯”の手法を使用しています。具体的な原理は図1のとおりです。
「点灯させたい7セグメントLEDの選択を行う信号（SA）を出力し、その選択された7セグメントLEDに表示したい値を出力する」というのが基本動作です。また、EDX-002の仕様では選択されていない7セグメントLEDにはハイ・インピーダンスの信号を割り当てることになっています。
この一連の動作をリスト1に示します。
1 module DCOUNT (CLK, ENABLE, L1, L2, L3, L4, SA, L); 2 input CLK, ENABLE; 3 input [7:0] L1, L2, L3, L4; 4 output [3:0] SA; 5 output [7:0] L; 6 7 parameter MAX_COUNT = 3'b111; 8 reg [2:0] sa_count_tmp; 9 reg [3:0] sa_count; 10 reg [7:0] L_tmp; 11 12 assign SA[3] = (sa_count[3]==1'b0)? 1'b0 : 1'bz; 13 assign SA[2] = (sa_count[2]==1'b0)? 1'b0 : 1'bz; 14 assign SA[1] = (sa_count[1]==1'b0)? 1'b0 : 1'bz; 15 assign SA[0] = (sa_count[0]==1'b0)? 1'b0 : 1'bz; 16 assign L = L_tmp; 17 18 always @(posedge CLK) 19 begin 20 if (ENABLE==1'b1) 21 if (sa_count_tmp==MAX_COUNT) 22 sa_count_tmp <= 3'b000; 23 else 24 sa_count_tmp <= sa_count_tmp + 1'b1; 25 end 26 27 always @(posedge CLK) 28 begin 29 if (sa_count_tmp[0]==1'b0) 30 begin 31 sa_count <= 4'b1111;L_tmp <= L_tmp; 32 end 33 else 34 case (sa_count_tmp[2:1]) 35 2'b00:begin 36 sa_count <= 4'b1110;L_tmp <= L4; 37 end 38 2'b01:begin 39 sa_count <= 4'b1101;L_tmp <= L3; 40 end 41 2'b10:begin 42 sa_count <= 4'b1011;L_tmp <= L2; 43 end 44 2'b11:begin 45 sa_count <= 4'b0111;L_tmp <= L1; 46 end 47 default:begin 48 sa_count <= 4'bxxxx;L_tmp <= 8'bxxxxxxxx; 49 end 50 endcase 51 end 52 53 endmodule
| リスト1 ダイナミック点灯させるためのモジュール（dcount.v） |
18〜25行目
sa_count_tmpという3bitのカウンタで0〜7までカウント。このときにENABLE信号（kHzオーダーで1回有効になる信号）が‘1’のときにのみカウントアップ
27〜51行目
このカウンタの値が奇数（sa_count_tmp[0]が‘1’）のときに、出力したい7セグメントLEDのデコーダの信号を選択
12〜15行目
選択していない7セグメントLEDにはハイ・インピーダンスを出力
今回の7セグメントLEDの2けたの点灯には、このモジュール（リスト1）を用います。
回路構成の検討
まず、60進カウンタを設計するに当たり、どのようにこのカウンタを構成するのかを考えてみましょう。
単純に考えると「0〜59」、すなわち60回カウントすればいいので、「6bitのカウンタを作成すれば簡単に実現できる！ 」と思い付きます。
しかし、最終的に7セグメントLEDに出力するためには、10の位と1の位に6bitのカウンタの値を分けなくてはなりません。
分ける方法はいくつかありますが、ソフトウェア開発が得意な方の場合、
- 1の位：60進カウンタ%10（10で割った余り）
- 10の位：60進カウンタ/10（10で割った商）
で、求めることを思い浮かべるのではないでしょうか？ 確かに、アルゴリズム的には正しいのですが、残念ながら上記のような「%」や「/」の使い方は、論理合成ツールがサポートしていません。つまり、回路が作成できないので、RTLではないということになります。ということで、この方法は「使用不可」です。
気を取り直して、さらに考えてみましょう。
次に思い付くのは、「6bitのカウンタの値を10の位と1の位にデコードして分ける」という方法です（リスト2）。
（省略）
8 always @(count60)
9 case (count60)
10 6'd0:{cnt10,cnt1}=7'h0_0;
11 6'd1:{cnt10,cnt1}=7'h0_1;
12 6'd2:{cnt10,cnt1}=7'h0_2;
13 6'd3:{cnt10,cnt1}=7'h0_3;
14 6'd4:{cnt10,cnt1}=7'h0_4;
15 6'd5:{cnt10,cnt1}=7'h0_5;
16 6'd6:{cnt10,cnt1}=7'h0_6;
17 6'd7:{cnt10,cnt1}=7'h0_7;
18 6'd8:{cnt10,cnt1}=7'h0_8;
19 6'd9:{cnt10,cnt1}=7'h0_9;
20 6'd10:{cnt10,cnt1}=7'h1_0;
21 6'd11:{cnt10,cnt1}=7'h1_1;
22 6'd12:{cnt10,cnt1}=7'h1_2;
23 6'd13:{cnt10,cnt1}=7'h1_3;
24 6'd14:{cnt10,cnt1}=7'h1_4;
25 6'd15:{cnt10,cnt1}=7'h1_5;
26 6'd16:{cnt10,cnt1}=7'h1_6;
27 6'd17:{cnt10,cnt1}=7'h1_7;
28 6'd18:{cnt10,cnt1}=7'h1_8;
29 6'd19:{cnt10,cnt1}=7'h1_9;
30 6'd20:{cnt10,cnt1}=7'h2_0;
31 6'd21:{cnt10,cnt1}=7'h2_1;
32 6'd22:{cnt10,cnt1}=7'h2_2;
33 6'd23:{cnt10,cnt1}=7'h2_3;
34 6'd24:{cnt10,cnt1}=7'h2_4;
35 6'd25:{cnt10,cnt1}=7'h2_5;
36 6'd26:{cnt10,cnt1}=7'h2_6;
37 6'd27:{cnt10,cnt1}=7'h2_7;
38 6'd28:{cnt10,cnt1}=7'h2_8;
39 6'd29:{cnt10,cnt1}=7'h2_9;
40 6'd30:{cnt10,cnt1}=7'h3_0;
41 6'd31:{cnt10,cnt1}=7'h3_1;
42 6'd32:{cnt10,cnt1}=7'h3_2;
43 6'd33:{cnt10,cnt1}=7'h3_3;
44 6'd34:{cnt10,cnt1}=7'h3_4;
45 6'd35:{cnt10,cnt1}=7'h3_5;
46 6'd36:{cnt10,cnt1}=7'h3_6;
47 6'd37:{cnt10,cnt1}=7'h3_7;
48 6'd38:{cnt10,cnt1}=7'h3_8;
49 6'd39:{cnt10,cnt1}=7'h3_9;
50 6'd40:{cnt10,cnt1}=7'h4_0;
51 6'd41:{cnt10,cnt1}=7'h4_1;
52 6'd42:{cnt10,cnt1}=7'h4_2;
53 6'd43:{cnt10,cnt1}=7'h4_3;
54 6'd44:{cnt10,cnt1}=7'h4_4;
55 6'd45:{cnt10,cnt1}=7'h4_5;
56 6'd46:{cnt10,cnt1}=7'h4_6;
57 6'd47:{cnt10,cnt1}=7'h4_7;
58 6'd48:{cnt10,cnt1}=7'h4_8;
59 6'd49:{cnt10,cnt1}=7'h4_9;
60 6'd50:{cnt10,cnt1}=7'h5_0;
61 6'd51:{cnt10,cnt1}=7'h5_1;
62 6'd52:{cnt10,cnt1}=7'h5_2;
63 6'd53:{cnt10,cnt1}=7'h5_3;
64 6'd54:{cnt10,cnt1}=7'h5_4;
65 6'd55:{cnt10,cnt1}=7'h5_5;
66 6'd56:{cnt10,cnt1}=7'h5_6;
67 6'd57:{cnt10,cnt1}=7'h5_7;
68 6'd58:{cnt10,cnt1}=7'h5_8;
69 6'd59:{cnt10,cnt1}=7'h5_9;
70 default:{cnt10,cnt1}=7'hx;
71 endcase
（省略）
| リスト2 10の位と1の位分離デコーダ部分（cnt60_dec.v） |
しかし、この方法では図2のように7セグメントLEDのデコーダの前に1の位と10の位を分けるデコーダが入るので、回路が大きくなり、LEDの出力まで考えるといままでのデコーダ出力よりも遅くなってしまいます（今回のようなLED表示に関しては、本来それほど神経をとがらせる必要はありません）。つまり、今回の場合には60進カウンタを作成するという方法は、あまり得策とはいえません。
そこで、いちいち10の位と1の位を分けるデコーダを作成することがないように、カウンタをあらかじめ「10進カウンタ」と「6進カウンタ」に分けて設計します（図3）。こうすれば、いままでと同様にカウンタの出力をそのまま7セグメントLEDのデコーダに接続できます。
Copyright © ITmedia, Inc. All Rights Reserved.