第二部
回路記述編
第3章
文法概略と基本記述スタイル
3.1 文法を少々
3.1.1~3.1.3
3.1 文法を少々
3.1.1 モジュール構造
回路を記述する構造がモジュールです
「モジュール」は予約語の
moduleとendmoduleで囲まれ回路表現から
シミュレーション用の入力まで、すべてがこ
の中で記述される。
module モジュール名 (ポート・リスト) ;
ポート宣言
ネット宣言
レジスタ宣言
パラメータ宣言
回路記述
assign文
moduleに続き、モジュール名、ポート・リスト、
を記述する。
「ポート・リスト」とは、出力、入力の端子名を
組み合わせ回路の記述
function
always文
順序回路の記述
下位モジュール呼び出し
endmodule
例拳したものです。
図3.1 モジュール構造
モジュール名やポート・リスト名などの識別
子には英数字と_(アンダ・スコア)が使え、
大文字小文字を区別します。
宣言部分構成
ポート・リストに対応したポート・リス
ト宣言

モジュール内部で用いる信号を定
義する

ネット宣言とレジスタ宣言

定数を定義するパラメータ宣言
回路記述部分構成
組み合わせ回路
(a)
ポート宣言例
input
ck,res;
// 入力
input
[7:0] bus1, bus2;
// 入力、バス信号
output busy;
// 出力
input
// 双方出力
[15:0] dbus;
(b) ネット宣言例
// バス信号
wire enb1;
wire [7:0] bus;
(c) レジスタ宣言例
reg ff1, ff2;
reg [3:0] cnt4;
// 4ビット・レジスタ
reg [7:0] mem [0:255];
// 256バイト・メモリ
(d) パラメータ宣言例
parameter STEP=1000;
// 1クロック周期
parameter HALT =2’b00, INIT=2’b01,ACTION=2’b10:

assign文
parameter MEMSIZE=1024;

function
reg [7:0] mem [0:MEMSIZE-1]; // パラメータ使用例
順序回路

always文
別のモジュールを接続する

下位モジュール呼び出し
図3.2 各種宣言例
// ステート
3.1.2 論理値と数値表現

論理値
Verilog HDLで扱える論理値は
‘0’, ‘1’, ‘x’(不定値), ‘z’(ハイ・インピーダンス)
の4値です。8値の信号強度
supply, strong, pull, large, weak, medium, small, highz
を付加できます。信号強度を指定しなければ、strong
となります。シミュレーションのときだけ用いる。

数値対数 ビット幅 基数
10
32
10進
1′b1
1
2進
8′haa
8
16進
4′bz
4
2進
8′o377
8
8進
8′b000_11xx
8
2進
′hff
32
16進
4′d5
4
10進
2進数表現
00…01010
1
10101010
zzzz
11111111
000011xx
00…011111111
101
表3.1 定数の例
定数の表現
<ビット幅> <基数><数値>
<ビット幅>は、定数のビット幅を表現する10進数、省略すると32ビットとして扱われる。
<基数>は、何進数の数値かを表す、次の4種類がある。
b, B :2進数,
o, O :8進数
d, D :10進数,
x, X :16進数
これも省略可能で、省略時は10進数として扱われる。
<数値>は、定数の値を示す、基数に応じた数値を扱える。
8進数なら0~7とx,z、16進なら0~9、a~f(A~F)とx,z、10進はx,z扱えない。
3.1.3 データ型

信号(変数)の型宣言
(1) レジスタ型(reg宣言したもの):ラッチやフリップフロップ(FF,値を保存する)
(2) ネット型(wire宣言したもの):配線部分(値を保持しない)
いずれの型も、参照する場合の制限はない。式の右辺で用いたり、functionの
引き数に用いることができる。しかし、代入する場合に次のように制約がある。

レジスタ型信号への代入は、always文、task,functionの中だけ

ネット型信号への代入は、assign文の中だけ
これらに反した代入は、文法エラーとなる。

型宣言の省略
図3.3(a)の信号は、省略するのが一般的です、ポート宣言した信号
は、デフォルトでネット型です、入力/出力にかかわらず、ネット型であ
れば型宣言を省略できる。
図3.3(b)の例ではtempを未宣言で用いることができる。しかし、多
ビットのネット信号の場合はネット宣言忘れると1ビット信号として扱
われてしまう、文法エラーにはなりませんが、シミュレータが「ポート
のビット数が一致しない」という警告メッセージを出力する。
図3.3
module DFF ( CK, D, Q ) ;
module RSFF ( SB, RB, Q ) ;
ネット宣言を省略できる例
input
CK, D ;
input
output
Q;
output Q ;
wire
CK, D ;
省略可
SB, RB ;
Wire temp ;
省略可
reg Q ;
nand na1 ( Q, SB, temp ) ;
always @ (posedge CK)
nand na2 ( temp, Q, RB ) ;
endmodule
Q<= D ;
endmodule
(a) ポート信号
(b) フリミティブ・ゲートやモジュール
呼び出しのときの1ビット信号

ネット型とレジスタ型の使い分け
文法的には値を保持するレジスタ型、値を保持しないネット型と明確な区別
があるが、回路記述の中では混乱することもある、例をあげて、使い分けを
説明する。
dout
din
dio
ポート信号にも型がある、ポートの種
類によって図3.4(a)のような使い分け
module sample ( . . . ) ;
がある、これ以外の組み合わせ、例え
input
din ;
wrie
din ;
ば入力ポートをレジスタ型で宣言する
//入力はネット型
output dout ;
と文法エラーになる。
reg
dout ; //出力はネット型がレジスタ型
inout dio ;
図3.4 ネット型とレジスタ型
wire
dio ;
//双方向はネット型
(a) ポート番号
ブロック間の接続信号は、図3.4(b)のようにネット型で宣言し接続する、レジスタがたで
宣言してしまうと、出力側のブロックを接続した部分で文法エラーになる、入力側のブロ
ックの接続は、文法上可能です、テストベンチにおいて、検証対象に信号を接続して入
力を変化させるときなどにこの方法を使う。
(b) ブロック間接続信号
Top
BLK_A
FF1
D
BLK_B
dout
din
Q
...
Reg [15:0] dbus ;
dbus
CK
module Top ( . . . ) ;
wire dbus ;
× reg
dbus ;
// wire [15:0] dbusならOK
BLK_A A( .dout(dbus), . . . ) ;
// 出力にregは接続できない
BLK_B
//
B(
...
endmodule
.din(dbus), . . . ) ;
入力側へのreg接続可
弓仲研
修士一年
畦元 隼
3.1.4
多ビット信号
宣言時におけるビット幅指定
ビット幅をもった信号を用いるためには、信号の宣言時に
[MSB:LSB]の形式でビット幅と範囲を指定するまた
多ビット信号は、「符号なし整数」として扱われる
例 input
wire
reg
reg
[3:0]
[7:0]
a,b;
4ビットの入力aとb
dbus;
8ビットのネット信号
[15:8] adder_hi;
8ビットのレジスト信号
[7:0] adder_lo;
8ビットのレジスト信号
但し、ビット指定は一つの宣言に一回しか許されない
○→ wire
例
[3:0]
cnt4;
×→
○→
×→
wire
wire
reg
reg
reg
[7:0]
[3:0]
[2:0]
cnt8;
cnt4,
busy;
busy,
status;
[7:0]
cnt8;
[2:0]
status;
多ビット信号のビット選択
多ビット信号を1ビット単位でアクセスするときは以下のようにする
任意のビット指定
例 assign MSB = dbus[7]; MSBにdbusの7ビット目の値を入れる
assign
LSB = dbus[0]; MSBにdbusの0ビット目の値を入れる
1ビットだけ代入することもできる
例 assign dbus[4] = half_carry;
dbusの4ビット目にhalf_carryの値を入れる
多ビット信号の部分選択
多ビット信号をある範囲でアクセスするときは、
例 wire
assign
[3:0]
Hi_digit;
Hi_digit = adder_hi [15:12];
Hi_digitは4ビット幅
Hi_digitにadder_hiの
12ビット目から15ビット目
までの値を代入
部分的に代入も出来る
例 wire
assign
[3:0]
Lo_digit;
dbus[3:0] = Lo_digit;
Lo_digitは4ビット幅
dbusの0ビット目から3ビット目
にLo_digitの値を代入
ここで、範囲外にアクセスしたときには不定(x)となり
範囲外に代入すると文法エラーとなる
レジスタ配列(メモリ)
レジスタ型の信号は、配列を作ることが出来る
例 reg
[7:0]
men
[0:255];
menは8ビット×256ワード、つまり256バイトのメモリになる、
これをレジスタ配置と呼ぶ
レジスタ配置については、ビット選択や部分選択が行えない
必ずワード単位のアクセスとなる
例 men[100]; レジスタ配置menの100番地の内容
ビット選択や部分選択を行うためには、一時的なネット信号を用いる
例 wire
[7:0]
temp;
Assign temp = men[100];
tempとしてmen[100]を定義する
temp
[7]
・・・ men[100]の最上位ビット
temp
[3:0]
・・・ men[100]の下位4ビット
レジスタ配置は
「ベクタ信号(ビット幅を持った信号)の一次元配列」
と考えることが出来る
Verilog HDLでは、プログラム言語のように2次元/3次元などの
多次元配列を作ることが出来ない
また、スカラ信号(1ビットの信号)の一次元配列も可能
例 Reg
men_1 [0:15];
1ビット×16ワードつまり全体で16ビットのレジスタとなる
但し、レジスタ配列なので、そのままでは部分選択は出来ない
3.1.5
演算子と演算優先順位
演算子 C言語との共通点と相違点
共通点
Verilog HDLで扱える演
算は、基本的に C
言語のものと同一で
ある
Verilog HDLの演算子
は表のようになって
いる
演算子
演算
演算子
演算
算術演算
論理演算
+
加算、プラス符号
!
論理否定
減算、マイナス符号
&&
論理AND
*
乗算
||
論理OR
/
除算
等号演算
%
剰余
==
等しい
ビット演算
!=
等しくない
~
NOT
===
等しい(x,zも比較)
&
AND
!= =
等しくない(x,zも比較)
|
OR
関係演算
^
EX- OR
<
小
~^
EX- NOR
<=
小または等しい
リダクション演算
>
大
&
AND
>=
大または等しい
~&
NAND
シフト演算
|
OR
>>
左にシフト
~|
NOR
<<
右にシフト
^
EX- OR
その他
~^
EX- NOR
?:
条件演算
{}
連接
=== : x(不定値)、z(ハイインピーダンス)は==などではすべて偽と
されてしまうためx、zも比較するのに用いられる
!== : ===同様の理由で用いられる
相違点
Verilog HDL固有の連接演算やリダクション演算がある。
また、C言語で用いられる++(インクリメント)演算や、
--(デクリメント)演算はない。
代入は演算扱いではないので
×→ a = b = c
=1`b0;
などと出来ない。
補足
if (regA = 4`h5) ~
代入は演算扱いされないので
このような間違いもエラーとして吐かれる
演算の優先順位
各演算子の優先順
位は表のようになっ
ている
最上位の演算子は
単項演算子で各項
の頭に付ける演算子
なっている
- in , ! adderなど
「論理否定」
「リダクション演算
子」「符号の演算」
が最優先
高
! ~ & ~& | ~| ^ ~^ + * / %
+<< >>
< <= > >=
& ^ ~^
|
&&
?:
低
3.1.6
等号演算と関係
①演算2項の等号演算/関係演算
2項の値の一致・不一致を判定する等号演算では、
演算子==、!=を使用する。
2項の大小を比較する関係関数は、演算子<、>を使
用する。(=と組み合わせることができる。)
※基本的な演算内容はC言語と同じ。
例:assign match = ( regA == regB ) ;
regAとregBが一致していれば’1’(真)、
不一致なら’0’(偽)の値を返す。
3.1.6
等号演算と関係
②2項に不定値かハイ・インピーダンス値が含まれる場合
比較する2項のどちらかに‘x’(不定値)、’z’(ハ
イ・インピーダンス値)が含まれると、比較対象外
なので「偽」として扱われる。
直接比較したい場合は===(一致)、!==(不一致)
を用いる。(ただし、論理合成対象外)
※不定値:値が代入されていないもの。
ハイ・インピーダンス値:出力信号線を電気的に切
り離した状態。(高抵抗により遮断される。)
例:if ( regA == 4’hx ) ;
if ( regA === 4’hx ) ;
3.1.7
連接演算
①連接演算を代入文の右辺で使用
wire
[15:0] addr_bus ;
assign addr_bus = { addr_hi, addr_lo } ;
addr_hiとaddr_loは8ビットのレジスタ信号とする。
addr_busはaddr_hiとaddr_loを連接して16ビットの信号になる。
連接演算の左側が重いビットとして扱われる。
連接演算では何項でも連接できる。
一般の演算と同様に、代入文の右辺ばかりでなく、モジュール呼
び出しのポートやファンクションの引き数にも使用できる。
※ポートリスト:入力・出力の端子名を列挙したもの。
3.1.7
連接演算
②連接演算を代入文の左辺で使用
wire
[3:0] a, b, sum;
wire
carry;
assign { carry, sum } = a + b ;
a,b,sumは各4ビットなので、場合によって結果が5ビットになる。
carryとsumを連接した5ビットに加算回路を代入することで、
carryには桁上げ信号が、sumには加算結果が代入される。
Verilog HDLでは、ビット幅が異なる変数の演算や代入が許される。
この場合、左辺が5ビットなので、右辺のa+bはMSB側に0を付けた5
ビットとして演算される。
また、代入の左辺のビット幅が右辺よりも小さい場合、MSBが欠落
して代入される。
代入の左辺で用いることができるのが連接演算の最大のメリット。
3.1.7
連接演算
③繰り返しを記述する連接演算
{ 4{ 2’b10 } } ・・・ 8’b10101010
2ビットの“10”を4回繰り返し、8ビットの“10101010”を表現。
wire [15:0] word ;
wire [31:0] double ;
assign double = { { 16{word[15]} }, word } ;
16ビット信号wordを32ビット信号doubleに代入する際に、
wordの符号ビットであるword[15]を16回繰り返し、
doubleの上位16ビットに代入。
3.1.8
リダクション演算
リダクション関数:項の先頭に演算子を付ける単項演算。
※演算子は&、~、^、|を組み合わせたもので、ビット幅
を持った信号内の全ビットに作用し、演算結果は1ビッ
トの値になる。
8ビットのレジスタcntの全てのビットが‘1’の時に値が‘1’にな
assign all_one = cnt[7] & cnt[6] & cnt[5] &る。
cnt[4] & cnt[3] & cnt[2] & cnt[1] & cnt[0] ;
assign parity = cnt[7] ^ cnt[6] ^ cnt[5] ^ cnt[4] ^ cnt[3] ^ cnt[2] ^ cnt[1] ^ cnt[0] ;
cntの各ビットのEX-ORをとったもの。
↓リダクション関数を使った場合
reg [7:0] cnt ;
assign all_one = & cnt ;
assign parity = ^ cnt ;
3.1.9
回路記述に必要な構文
☆8ビット加算回路のfunctionの定義
function [7:0] sum;
ビット幅
input [7:0] a, b;
宣言
sum = a + b;
ファンクション名
ステートメント
endfunction
☆functionの呼び出し
wire [7:0] result, in0, in1;
assign result = sum( in0, in1 ) ;
式
functionの呼び出しは「式」の中で行う。
したがって、代入文の右辺や下位モジュールの接続、他の関数の引き数など
に用いる。
※引き数:①仮引き数・・・functionの定義などで使われる仮の入力信号
②実引き数・・・functionなどの呼び出し時に実際に与えられる信号
if文
if文
?
2方向の分岐を記述する構文。
①
②
ステートメントに属するため、「always文」
「initial文」「function」「task」の中だけで記述できる。
function [7:0] select;
module sel2to1 ( d0, d1, dsel1, dout );
input s;
input [7:0] d0, d1;
input [7:0] in0, in1;
input sel;
begin
output [7:0] dout;
if ( s==1’b0 )
select = in0;
式
↑モジュール直下では使えないためNG
ステートメント1
else
直前のifに対応(なくてもよ
い) = in1;
select
ステートメント2
end
endfunction
assign dout = select( sel, d0, d1 );
if ( sel==1’b0 )
dout = d0;
else
dout = d1;
endmodule
case文
case文
?
多方向の分岐を記述する構文。
①
②
caseに続いてカッコ内に記述した式の値が
ケースアイテムに記述した式の値と一致した先を実行。
function [7:0] select;
input s;
input [7:0] in0, in1;
begin
式
case ( s )
1’b0:
1’b1:
select = in0;
ステートメント1
select = in1;
ステートメント2
default: select = 8’hxx;
ステートメント3
endcase
end
endfunction
assign dout = select( sel, d0, d1 );
ケースアイテム
③
ダウンロード

計算機工学特論A 講義資料第3回