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）（4/4 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

[鳥海佳孝 設計アナリスト，＠IT MONOist]

順序回路と組み合わせ回路を意識

　これで60進の動作を確認できます。なお、LEDの表示がアン・ノンになっていますが、これはダイナミック点灯用のイネーブル信号（ENABLE_kHz）が、このシミュレーションでは出力されないためです。すでに実績のあるモジュールなので、あえてこの部分のシミュレーションは省略しました。

　リスト8のCNT60_ALL.vをRTLのトップモジュールとして、CNT60.v、dcount.v、DECODER7.vをプロジェクトに追加し、リスト10をピン固定ファイルとし（前回のピン固定ファイルとSAの部分が異なっているので注意）、論理合成、配置配線を行い、その後ボードにダウンロードします。

　いかがでしょうか？ 7セグメントLEDの右側2けたで、60秒のアップダウン動作を確認できるはずです。

（省略）
4   NET "CLK"  LOC = "P39"  ;
5   NET "RESET"  LOC = "P17"  ;
6   NET "DEC"  LOC = "P16"  ;
7   NET "LED<0>"  LOC = "P41"  ;
8   NET "LED<1>"  LOC = "P40"  ;
9   NET "LED<2>"  LOC = "P31"  ;
10  NET "LED<3>"  LOC = "P30"  ;
11  NET "LED<4>"  LOC = "P22"  ;
12  NET "LED<5>"  LOC = "P21"  ;
13  NET "LED<6>"  LOC = "P20"  ;
14  NET "LED<7>"  LOC = "P19"  ;
15  NET "SA<0>"  LOC = "P46"  ;
16  NET "SA<1>"  LOC = "P45"  ;
17  NET "SA<2>"  LOC = "P44"  ;
18  NET "SA<3>"  LOC = "P43"  ;
（省略）

リスト10　ピン固定ファイル（CNT60_ALL.ucf）

　「いちいちキャリーの作成なんて面倒！ 」と思う方もいらっしゃるかもしれません。そこで、6進カウンタの方で10進カウンタの値をそのまま見るという例をリスト11に示します。

1   module CNT60(CLK, RESET, DEC, ENABLE, CNT10, CNT6);
2   input CLK, RESET, DEC, ENABLE;
3   output [3:0] CNT10;
4   output [2:0] CNT6;
5
6   reg [3:0] CNT10;
7   reg [2:0] CNT6;
8   //reg CARRY;
9
10  always @(posedge CLK or negedge RESET)
11  begin
12         if (RESET == 1'b0)
13             begin
14                CNT10 <= 4'h0;
15             end
16         else if (ENABLE == 1'b1)
17  //      else if (DEC == 1'b1)
18             if (DEC == 1'b1)
19                 begin
20                    if (CNT10 == 4'h9)
21  //                  if (CARRY == 1'b1)
22                        CNT10 <= 4'h0;
23                    else
24                        CNT10 <= CNT10 + 4'h1;
25                 end
26             else
27                 begin
28                    if (CNT10 == 4'h0)
29  //                  if (CARRY == 1'b1)
30                        CNT10 <= 4'h9;
31                    else
32                        CNT10 <= CNT10 - 4'h1;
33                 end
34  end
35
36  /*
37  always @(CNT10 or DEC)
38  begin
39         if (DEC == 1'b1)
40             if (CNT10 == 4'h9)
41                 CARRY <= 1'b1;
42             else
43                 CARRY <= 1'b0;
44         else
45             if (CNT10 == 4'h0)
46                 CARRY <= 1'b1;
47             else
48                 CARRY <= 1'b0;
49  end
50  */
51
52  always @(posedge CLK or negedge RESET)
53  begin
54         if (RESET == 1'b0)
55             begin
56                CNT6 <= 3'b000;
57             end
58         else if (ENABLE == 1'b1)
59  //       else if (ENABLE == 1'b1 && CARRY == 1'b1)
60  //      else if (DEC == 1'b1)
61             if (DEC == 1'b1)
62                 begin
63                    if (CNT10 == 4'h9)
64                        if (CNT6 == 3'b101)
65                            CNT6 <= 3'b000;
66                        else
67                            CNT6 <= CNT6 + 3'b001;
68                 end
69             else
70                 begin
71                    if (CNT10 == 4'h0)
72                        if (CNT6 == 3'b000)
73                            CNT6 <= 3'b101;
74                        else
75                            CNT6 <= CNT6 - 3'b001;
76                 end
77  end
78
79  endmodule

リスト11　最終的な60進カウンタ（CNT60-2.v）

　この方法では、確かにキャリーの信号を作成する必要はありません。しかし、この部分も非常に大事で「==4'h9」と書いた部分は「組み合わせ回路（コンパレータ）からの出力なんだ」ということを意識しないといけないのです。

　順序回路を記述している場合でも、“if文の「()」の中の条件などは、組み合わせ回路で作成されているんだ”ということを忘れないでください。

　HDLソース中のif文などで同じ条件式を繰り返し記述していると、論理合成が同じ組み合わせ回路を“至る所で”作成している可能性があり、それによって回路を大きくしている場合もあるのです。無駄な資源を食わない回路の方がハードウェアとしては優秀です。特に、FPGAの資源が豊富にあるからといって、図5のような無駄な回路を作成しているようでは、ハードウェア設計者として合格点はもらえないでしょう。

---

　最終回である今回は、設計の肝となる「順序回路と組み合わせ回路を意識しながらHDLを記述する」ことについて解説しました。HDLは、あくまでもハードウェアを設計するための記述言語ですので、設計の良しあしは記述する人がすべて握っています。できるだけ無駄なハードウェアを生成しないで、良い設計を行いましょう。

　では、どうしたらそうなれるのか？ ひとえに場数しかないと思います。HDLを記述してはツールでハードウェアに落として、FPGAのボードで試してみることです。昔は、こんなことをやりたくても途方もないお金を掛けないとできませんでした。現在はFPGAというデバイスがあって、ミスしても書き直せますし、非常に短時間で本物の回路を作成できます。

　ハードウェア設計者の減少が叫ばれている今日このごろ、これを機会に1人でも多くの方々がFPGA設計を通して、ハードウェア設計に興味を持ってもらえたらと、切に願う次第です。（連載完）

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