【バイナリコーディング演習】FPGAボードでLチカとPWMによるLED点灯を試す：オリジナルCPUでバイナリコード入門（3）（3/3 ページ）

オリジナル4ビットCPUを用いてバイナリコードを学ぶ本連載。第3回は、オリジナル4ビットCPUを用いたバイナリコーディングの前段階の演習として、入手が容易なFPGAボードを使ってVerilog-HDLで簡単な回路プログラムを組んでみる。

[今岡通博，MONOist]

Verilog-HDLで書いたPWMのソースコード

　リスト5はBlinkと同様に、Verilog-HDLで書いたPWMのソースコードです。これも上から順に説明していきましょう。

1: module pwm2 ( input clk, input rst,output [5:0] led );
2: reg [23:0] counter;
3: assign led[0] = counter[15];
4: assign led[1] = (counter[14:10] == 0);
5: assign led[2] = (counter[9:0] == 0);
6: assign led[5:3] = 0;
7: always @(posedge clk or negedge rst) begin
8:    if (!rst)
9:        counter <= 24'd0;
10:    else counter <= counter + 1;  
11: end
12: endmodule

リスト5　Verilog-HDLで書いたPWM動作によるLED点灯のソースコード

　1行目はこのモジュールの名前と入出力ピンを定義しています。モジュール名はpwm2です。clkは入力信号、rstも入力信号です。ここまでは前述のBlinkと名前も役割も同じですね。今度は出力ですが“[5:0] led”はバス表記で6本の信号線を1つの名前でまとめています。結局のところ入力信号は2本で出力6本ということになります。

　2行目でBlink同様24ビット長のcounterというレジスタを用意しています。

　3行目でcounterの15ビット目を外部信号のled[0]に接続しています。

　4行目ではcounterの10〜14ビット目までが全て0であるかどうかの値がled[1]の値となります。すなわちそれらのビットが全て0の時だけled[1]の値は1となります。

　5行目はcounterの0〜9ビット目まで全て0の時led[2]の値は1となります。

　6行目ではled[5:3]の3本の出力信号を全て0にします。すなわちこれらの信号線は0V電位を出力します。これはLEDのカソードを接続するために用意しました。これもTang Nanoの任意のピンにLEDを刺せるようにした配慮です。LED1本当たり2本の信号を割り当てるわけですから、リソースの無駄使いと思われるかもしれませんが、Tang Nanoに接続するデバイスが少ない場合は、ブレッドボードなどにジャンパー線を使わなくてすむので筆者は結構気に入ってこの方法を使ってます。

　7行目より後のコードは前述のBlinkと同じですので説明はそちらを参照してださい。

なぜこのコードがPWM動作になるのか

　デューティ比と0になるビット数の関係は以下のようになります。

デューティ比＝1／（2^（0になるビット数））

　この場合それぞれのビットは、隣り合っていても、離れていてもOKです。また他のPWM生成回路とビットが重なっていても問題ありません。3行目の場合は1ビットのみですから“1／（2^1）”なのでデューティ比1/2となります。

　4行目の場合は10〜14ビット目なので5ビットとなります。デューティ比は“1／（2^5）”なので1/32となります。5行目は0〜9ビット目までですので10ビットとなります。よって求めるデューティ比は“1／（1/2^10）”となり1/1024となります。

　リスト6は入出力ピンと実際のTang Nanoのピンを関連付けるcstファイルの中身です。Tang Nanoのピンの位置は先に示した図2の「Tang Nanoのピン配列」を参照してください。

IO_LOC "clk" 47;
IO_LOC "rst" 44;
IO_LOC "led[0]" 16;
IO_LOC "led[3]" 17;
IO_LOC "led[1]" 18;
IO_LOC "led[4]" 23;
IO_LOC "led[2]" 19;
IO_LOC "led[5]" 29;

リスト6　入出力ピンとTang Nanoのピンを関連付ける付けるcstファイル

　図3はpwm2をTang Nanoで実行したものです。図2で示したTang Nanoのピン配列と照らし合わせて見れば、各LEDのデューティ比を確認していただけると思います。

図3　「Tang Nano」を使ってPWMによるLED点灯を実行した様子［クリックで拡大］

おわりに

　今回は、Verilog-HDLを用いてCPUを移植する前の腕慣らしとして、Tang Nanoで簡単な回路プログラムを組んでみました。FPGAに実装した回路が、実際に現実の物理世界とつながるという実感を持っていただけたでしょうか。

　プログラミング経験なくVerilog-HDLで回路を書いている時は、恐らく「何かのプログラミング言語で何かのコードを書いてる」という意識しかなかったと思います。しかしいったんIDEで配置と配線を行えば、コードの中の入出力で用いられたシンボルがTang Nanoのピン名に関連付けられます。これはまさに、FPGAで作成した半導体チップの中の回路と外の世界がつながる瞬間なのです。FPGAはこのような驚きをたくさん秘めた半導体デバイスです。今後もさまざまな形で、みなさんと一緒にFPGAの魅力を探していければと思います。