2024.05.10この記事は約27分で読めます。いただけます】この記事では、プログラム(回路記述)の基礎知識を前提に話を進めています。説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を満たす現役のプログラマチームによって監修されています。○非同期信号のフィルタリングまとめ※Japanシーモアは、常に解説内容のわかりやすさや記事の品質に注力しております。不具合、分かりにくい説明や不適切な表現、動かないコードなど気になることがございましたら、記事の品質向上の為にお問い合わせフォームにてご共有いただけますと幸いです。(送信された情報は、プライバシーポリシーのもと、厳正に取扱い、処分させていただきます。)はじめにVHDLは、デジタルシステムの設計やシミュレーションに使用される言語です。非同期設計は、多くの初心者にとって難易度が高いと感じる領域の一つです。正しい知識と適切なサンプルコードを手に入れれば、非同期設計の概念や実装方法を効果的に学ぶことができます。この記事では、VHDLでの非同期設計を初心者にもわかりやすく徹底解説します。10の詳細なサンプルコード付きで、非同期のコンセプトとその応用例を学ぶことができます。それでは、VHDLと非同期設計の基本から学び始めましょう。Languageの略で、高速集積回路のためのハードウェア記述言語です。この言語は、デジタルシステムの設計、シミュレーション、テスト、そして実装のためのツールとして使用されます。VHDLには、回路の振る舞いや構造を効果的に表現するための強力な機能が多数含まれています。○非同期設計の必要性デジタルシステムにおける設計は、主に同期設計と非同期設計の二つに分けられます。外部の任意の信号やイベントに反応して動作する設計方法を指します。非同期設計のメリットは、クロック信号の制約から解放され、特定の条件下で高速に動作させることが可能である点です。その設計は複雑性が増すため、注意が必要です。○サンプルコード1:基本的な非同期回路このコードでは、基本的な非同期回路を設計する方法を表しています。この例では、外部の信号に応じてLEDを点灯・消灯する回路を作成しています。Behavior;この設計では、外部からのsignal_inが1の場合、LEDが点灯し、0の場合は消灯します。非同期回路の特徴として、signal_inの変化に直接反応する点が挙げられます。実行結果として、外部からの信号に応じてLEDが即座に点灯・消灯します。この回路は非常にシンプルですが、非同期設計の基本的な概念を理解するのに役立ちます。○サンプルコード2:非同期リセットの実装VHDLにおける非同期リセットの実装は、回路設計において非常に重要な概念です。通常の同期リセットとは異なり、非同期リセットはクロックの同期を取らずに、即座にリセット信号を反映させることができるため、設計者にとって利便性があります。このセクションでは、非同期リセットを実装するためのVHDLサンプルコードと、そのコードの振る舞いを詳しく説明します。Behavioral;このコードでは、非同期リセットを使ってDフリップフロップを表しています。この例では、RESET信号が’1’のときに、Q出力を即座に’0’にリセットします。リセット信号が’0’のとき、クロックの立ち上がりでDの入力値をQに出力します。このように非同期リセットを実装することで、外部からの急激なリセット要求に迅速に対応することができ、回路の安定性やリアルタイム性を向上させることができます。このコードを実際にFPGAやASICのデバイスにダウンロードして実行した場合、RESET信号を’1’にすると、無条件でQ出力が’0’になることを確認することができます。この動作は、RESET信号が非同期であるため、クロックのタイミングに依存せずにリセットが行われることを表しています。注意点として非同期リセットを多用することは、デバイス内でのタイミング問題を引き起こす可能性があるため、適切な設計やタイミング解析が必要です。大規模なデザインや高周波のクロックを使用する場合は、非同期リセットの使用に関して十分な検討が必要です。非同期セットは、特定の条件下で回路を強制的に特定の状態に設定する機能を持ちます。ここでは、非同期セットの基本的な設計についてVHDLを使用して詳しく解説します。非同期セットは、同期リセットとは異なり、クロックの状態に関係なく、すぐにリセットすることができます。これにより、特定の状況で回路を素早く安定した状態に戻すことができます。一般的に、電源がオンになった直後やエラー検出時に非同期セットを利用することが考えられます。非同期セットを持つDフリップフロップのVHDLコードの例を紹介します。Behavioral;このコードでは、Dフリップフロップを設計しています。SET信号が’1’のとき、Qの出力はすぐに’1’になります。これはクロックの状態に関係なく動作するので、非同期の動作となります。クロック信号の立ち上がりエッジでDの値がQに移される動作は、通常のDフリップフロップの動作と同じです。非同期セットは、外部からの突発的な干渉やシステムの異常動作によって、回路が不安定な状態になった際に、すぐに安定した状態に戻すために使用されます。センサーからの読み取りエラーが発生したときや、外部からのノイズの影響を受けたときなど、回路の安定性を確保するために非同期セットが役立ちます。デバイスの電源がオンになったとき、システム全体を初期状態に戻すために非同期セットを使用することが考えられます。回路設計において、非同期セットを適切に使用することで、安全性や信頼性を向上させることができます。非同期セットは、特定の条件下で回路を特定の状態に強制的に設定する機能を持ちます。VHDLでの非同期セットの実装は、特定の信号を監視し、その信号がアクティブになったときに出力を特定の状態に設定することで実現されます。この機能は、回路の安定性や信頼性を確保するための重要なツールとなります。○サンプルコード4:非同期信号の扱いVHDLでの非同期信号の扱いは非常に重要なテーマであり、その取り扱い方によっては回路の動作が大きく変わってしまうことがあります。ここでは非同期信号の基本的な扱い方を、詳細なサンプルコードを交えて解説します。このコードではVHDLを使って非同期信号を受け取り、同期信号に変換するコードを表しています。この例では、クロック信号に同期した信号(同期信号)として変換しています。Behavioral;このコードでは、非同期信号async_inを取り込み、クロックclkの立ち上がりエッジでその信号をサンプリングしています。そのサンプリングされた信号をtemp信号として保持し、それを出力としています。これにより、async_inが非同期信号であっても、sync_outとしては同期信号として取り扱うことができます。このように非同期信号を同期信号に変換すると、その後の回路設計が非常に簡単になります。この方法には注意が必要です。非同期信号が高頻度で変化する場合や、非同期信号の持続時間が短い場合には、適切にサンプリングできない可能性があります。そのため、非同期信号の特性をしっかりと理解してから、このような変換を行うようにしましょう。このコードを実際にFPGAなどのハードウェアに実装して動作させると、入力として与えられた非同期信号async_inが、出力のsync_outとしてはクロックclkに同期した形で出力されることが確認できます。async_inが変化した瞬間には、その変化は即座にはsync_outに反映されません。次のクロックの立ち上がりエッジでのみ、その変化がsync_outに反映されるのが特徴です。応用例としては、外部からの非同期信号をシステム内部で扱いたい場合に非常に役立ちます。センサーからのデータをFPGAで処理したい場合などには、このような非同期信号の同期化が必要となる場面が多々あります。この方法をカスタマイズすることで、さまざまな応用が考えられます。非同期信号の変化を検出して、それに応じて何らかの処理を行いたい場合には、変化検出のロジックを追加することで実現することができます。process;このコードでは、前回のクロックでのasync_inの値をlast_async_inとして保持し、現在のasync_inと比較しています。値が異なれば、change_detectedが'1'となり、変化が検出されたことを表します。このようにして、非同期信号の変化を検出して、それに応じた処理を行うことができます。●応用例とその詳細なサンプルコードVHDLの非同期設計が身についてきた方も多いと思いますが、次に進むステップはその応用です。非同期設計の基礎を押さえたうえで、さらに高度な技術や複雑な回路設計に取り組むことができると、設計の幅が一気に広がります。ここでは、VHDL非同期設計の応用例として、複雑な非同期回路の設計や非同期ロジックの最適化など、10の詳細なサンプルコードを紹介します。○サンプルコード5:複雑な非同期回路の設計このコードでは、複雑な非同期回路の設計を行う方法を表しています。この例では、複数の非同期信号を組み合わせて、1つの出力を得る方法を取り上げています。Behavioral;このサンプルコードでは、入力Aが1、入力Bが0の場合、出力Zは入力Cの値になります。それ以外の場合、出力Zは0になります。このように、複数の非同期信号を条件に応じて組み合わせることで、複雑な非同期回路を設計することができます。Cの値に応じた出力Zの結果を得ることができます。具体的には、A=1、B=0、C=1の場合、出力Zは1になります。それ以外の場合、例えばA=0、B=1、C=0の場合、出力Zは0になります。非同期ロジックの最適化は、非同期設計において非常に重要なテーマです。このコードでは、非同期ロジックの最適化手法を取り上げています。この例では、特定の条件下で動作する非同期ロジックの最適化を行っています。Behavioral;このサンプルコードでは、入力Xの値に応じて出力Yの結果をNAND演算を用いて最適化しています。このように、特定のロジックを用いることで、非同期ロジックの動作を最適化することが可能です。このサンプルコードを実際にハードウェアに実装すると、入力Xの値に対する出力Yの結果が最適化された結果を得ることができます。具体的には、入力Xが1の場合、出力Yは0になり、入力Xが0の場合、出力Yも0になります。このような最適化手法を駆使することで、非同期ロジックの動作速度や消費電力を改善することが期待できます。同期信号の混合設計は、非同期設計の高度なテクニックの1つです。このコードでは、非同期信号と同期信号を組み合わせた設計方法を表しています。この例では、非同期信号を同期信号に変換する手法を取り上げています。Behavioral;このサンプルコードでは、入力Dの非同期信号を、CLKの同期信号を使用して同期信号に変換しています。具体的には、CLKの立ち上がりエッジで入力Dの値をtempに保存し、そのtempの値を出力Qとして出力しています。このように、非同期信号を同期信号に変換することで、非同期設計と同期設計の組み合わせることができます。このサンプルコードを実際にハードウェアに実装すると、CLKの立ち上がりエッジごとに入力Dの非同期信号が出力Qの同期信号に変換された結果を得ることができます。このような混合設計の技術を用いることで、非同期信号と同期信号の組み合わせることで設計の柔軟性を高めることができます。非同期設計はその性質上、潜在的な問題や未予測の振る舞いを持つ可能性があるため、デバッグは非常に重要なステップとなります。今回は、非同期設計におけるデバッグ方法を紹介し、VHDLでの具体的なデバッグ手法をサンプルコードを交えて説明します。このコードでは、非同期信号の振る舞いを観察し、その結果を同期信号に変換して確認する方法を紹介しています。この例では、非同期入力をサンプリングして同期化し、その結果を出力として取得しています。Behavioral;この例では、非同期入力ASYNC_INをCLKの立ち上がりエッジでサンプリングし、サンプルされた値をtemp信号に格納しています。temp信号の値をSYNC_OUTとして出力しています。この方法を使用することで、非同期信号の動きや変化を同期的な環境で観察できます。実際に上記のコードをFPGAなどのハードウェアに実装して動かすと、ASYNC_INの振る舞いや変動を、SYNC_OUTの同期信号として確認することができます。これにより、非同期信号の動きを理解しやすくなり、デバッグ作業が効率的に行えます。応用例としては、デバッグ用の同期信号を追加して、非同期信号の特定の条件下での動作を観察することが挙げられます。非同期信号が特定のパターンを示すときのみ、SYNC_OUTを’1’にするといったカスタマイズが考えられます。注意点として、この方法はデバッグのためのものであり、製品や実際のシステムに直接実装することは推奨されません。この方法では非同期信号の全ての動きを捉えることができないため、デバッグ時のみの使用が適しているからです。非同期信号は特定の条件下で、その挙動が変わることがある。これには、外部の信号、タイミング、その他の要因などが影響を与えることがある。特定の条件下での非同期信号の挙動を理解することは、回路の動作を予測し、エラーを回避するために非常に重要である。このコードでは、特定の条件を模倣して、非同期信号の挙動を観察する例を表しています。この例では、外部からの入力信号によって、非同期信号の挙動が変わる様子をシミュレートしています。behavior;このコードでは、外部からの信号external_signalが’1’のときのみ、非同期信号internal_signalの値が変わるようになっています。したがって、external_signalの状態によって、非同期信号の動作が異なることが確認できます。この回路を実行すると、external_signalが’1’の場合、クロックの立ち上がりエッジごとにinternal_signalの値が反転します。external_signalが’0’の場合、internal_signalの値は変わりません。このように、特定の条件下での非同期信号の挙動を理解することで、回路の正確な動作やデバッグの際の問題の特定が容易になります。非同期信号の挙動に影響を与える外部の信号や条件を予め理解しておくことで、非期待の動作やエラーの発生を最小限に抑えることができます。○サンプルコード10:高度な非同期回路の実装VHDLを使った非同期設計の中でも、特に高度な非同期回路の設計は、初心者にとっては難解に感じられるかもしれません。一つずつポイントを理解していくことで、非常に有用な設計手法を身につけることができます。このコードでは、VHDLを用いた高度な非同期回路の実装を表しています。この例では、複数の非同期信号を組み合わせて、より複雑な非同期動作を持つ回路を実装しています。Behavioral;このコードでは、4ビットの非同期リセット可能なレジスタを作成しています。クロックの立ち上がりエッジで入力データを取り込み、リセット信号がアクティブになった際には、出力を0にリセットします。この高度な非同期回路の実装では、複数の信号や動作を組み合わせることで、より複雑な動作を持つ回路を作成しています。こちらのサンプルコードを使用すれば、初心者でもVHDLを用いて高度な非同期回路を設計することが可能です。この回路を実際にFPGAなどのハードウェア上で実行すると、指定された非同期動作を確認することができます。非同期リセットの動作を実際に観察することで、非同期設計の理解を深めることができるでしょう。このような高度な非同期回路の設計においては、タイミングの取り扱いや、異なるクロックドメイン間でのデータ転送など、多くの注意点があります。初心者の方は、まずは基本的な非同期回路の設計から始め、徐々に応用的な内容に挑戦することをおすすめします。●注意点と対処法VHDLにおける非同期設計は、数多くの利点を持っていますが、注意しなければならない点もあります初心者にとって、これらの注意点とその対処法を知ることは非常に重要です。非同期信号が入力されるタイミングによっては、セットアップタイムやホールドタイムが違反される可能性があります。このコードでは、セットアップタイムとホールドタイムの違反をチェックするコードを表しています。この例では、非同期信号のタイミングをモニタリングし、違反が発生した場合に警告を出力しています。Behavior;このコードを実行すると、非同期信号のタイミングがセットアップタイムまたはホールドタイムの要件を満たしていない場合、violation信号が’1’になります。2非同期信号のグリッチ非同期信号は、グリッチやノイズが発生する可能性があります。これにより、回路が予期しない動作をする場合があります。対処法としては、非同期信号を適切に同期するためのフィルタリングや、デバウンス回路を設計することが推奨されます。デバウンス回路の設計には、フリップフロップを利用する方法や、タイマーを利用する方法があります。3メタスタビリティ非同期信号が同期回路に入力されると、メタスタブル状態になる可能性があります。これは、フリップフロップの出力が安定しない状態を指します。対処法としては、メタスタブル状態を軽減するためのダブルフリップフロップ回路や、非同期信号を適切なタイミングで同期することが推奨されます。●カスタマイズ方法VHDL非同期設計を行う際には、デザイン要件や環境に応じて、様々なカスタマイズが可能です。それでは、非同期設計をカスタマイズする際の主要な手法をいくつか取り上げ、それぞれの方法とサンプルコードを交えて説明します。非同期信号の遅延時間を調整することで、設計の柔軟性を高めることができます。特定のタイミング条件を満たす必要がある場合や、異なるクロックドメイン間での信号伝搬を制御したい場合に有効です。このコードでは、非同期信号の遅延時間を調整するための簡単な例を表しています。この例では、遅延要素としてバッファを用いて、信号の遅延を制御しています。Behavioral;このサンプルコードを用いることで、非同期信号の遅延を10nsに設定することができます。○非同期信号のフィルタリングノイズや瞬時のスパイクなど、不要な信号を除去するために非同期信号のフィルタリングが有効です。物理的な環境からのノイズが混入する可能性がある場合には、この方法が推奨されます。このコードでは、非同期信号のフィルタリングを行う簡単な例を表しています。この例では、シンプルな移動平均フィルタを用いて信号の平滑化を行っています。Behavioral;この例では、入力される8ビットの非同期信号を2で割って平均を取ることで、信号の平滑化を実現しています。これらのカスタマイズ方法を利用することで、非同期設計の精度や信頼性を向上させることができます。設計の要件や環境に合わせて、適切な方法を選択し、効果的に非同期設計を行ってください。まとめVHDLでの非同期設計は、多様なデバイスやシステムの実装において非常に重要な役割を果たしています。本記事では、非同期設計の基本からカスタマイズ方法まで、詳しく解説しました。初心者の方でもわかりやすいよう、詳細なサンプルコードを交えて説明を進めてきました。VHDL非同期設計に関する知識や技術を深めるために、本記事を参考にしていただければ幸いです。IoTプログラミングVHDLJapanシーモア関連記事PythonPythonの例外とスローの完全ガイド!初心者が学ぶ10の重要ポイントPythonの例外とスローの操作について、初心者でも理解できるように10の重要ポイントを徹底解説します。あなたもこの記事を読むことでPythonの例外とその扱い方について詳しくなることができます。PythonPythonの辞書を複数結合する方法と活用方法8選Pythonで複数の辞書を結合する方法を8つ紹介。初心者からプロまで使える効率的なテクニックを解説します。VHDLVHDLで乱数をマスターする7つのステップVHDLにおける乱数生成の全てを学び、プログラミング初心者でも実践可能なステップとサンプルコードで簡単に理解。VHDLで乱数を使ったアプローチから応用テクニックまで。これから私たちは一緒にPythonを使って在庫管理システムを作る旅を始めます。この記事では、Pythonを初めて触る初心者から、もっと深く理解したい中級者まで、幅広く対象読者を設けています。Pythonの基本から始め、在庫管理...VerilogVerilogの$clog2関数!10選使い方とサンプルVerilogの$clog2関数を完璧に理解!使い方、サンプルコード、注意点、カスタマイズの方法を10のステップで詳しく解説します。初心者でも安心の徹底ガイドです。C言語C言語のグローバル変数の完全ガイド!7つのステップこの記事を読めば、C言語のグローバル変数についての理解を深め、その使い方、注意点、カスタマイズ方法をマスターできます。初心者でも安心の具体的なサンプルコードと応用例も豊富に提供。Japanシーモア.メニューWebHTMLCSSJavaScriptTypeScriptPHPRubyIoTC++PythonC言語VerilogVHDLAPPJavaKotlinSwiftObjctive-CDartSYSC#COBOLPerlGroovyGo言語ホーム検索トップサイドバ。