順序回路の基本！ カウンタを作成しよう

　前回は、7セグメントLEDのデコーダとテストベンチを作成してシミュレーションを行いました。皆さん正しく動作させることができたでしょうか？ しつこいようですが、実機で動かす前にシミュレーションを実施する癖を付けましょう。

　さて、今回は「4bitのカウンタ」を作成しながら「順序回路」の基本について解説します。ちなみに、これまでの連載で紹介した回路は「組み合わせ回路」という種類の回路です。

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4bitフリーランカウンタを作成しよう（1）

4bitのカウンタとは？

　まず、今回のテーマ「4bitのカウンタ」について簡単に説明します。

　4bitのカウンタとは、「0000（0x0）」〜「1111（0xF）」の間を1つずつカウントアップ（ダウン）していく回路です。ちなみに、4bitなので出力は赤色LEDで行います。

　このカウントは、入力されたクロック信号（0から1への変化）によって行われます。クロックが0から1へ立ち上がったら、カウンタを＋1にして値を保持します。そして、直接その値を赤色LEDに出力します。

　また、クロックの立ち下がり（1から0への変化）が起きても、立ち上がり（0から1への変化）の時にカウントアップしたカウンタの値はそのまま保持されます。

図1　クロックの立ち上がり、立ち下がり時のイメージ

　例えば、カウンタの値が「0101（0x5）」であれば、カウンタの値を保持して図2のように赤色LEDが点灯します。

図2　赤色LEDの点灯イメージ（0101の場合）

　クロックの立ち下がりのタイミングでも、カウンタの値（0101）はそのまま保持されます。

　さらにクロックが立ち上がり、先ほど保持していた値（0101）をカウントアップして保持します（0110）。そして、その結果を赤色LEDに出力します（図3）。

図3　赤色LEDの点灯イメージ（0110の場合）

　クロックの立ち下りの際は、先ほどと同様にカウンタの値（0110）はそのまま保持されます。

　今回のポイントは、クロックの立ち上がり（0から1への変化）時にカウントアップして保持した値をクロックが立ち下がった（1から0へ変化）際にも、保持し続けているという点です。

　この「値を保持する動き」こそが順序回路の動作なのです。

　それでは、今回も「論理よりも実践」です！ まずは、単純な機能を持つフリーランのカウンタをシミュレーション上で動作させてみましょう。

4bitフリーランカウンタのソース

　「4bitフリーランカウンタ」のVerilog-HDLソースを以下に示します（注）。

1  module COUNT4(RESET, CLK, COUNT);

2  input RESET, CLK;

3  output [3:0] COUNT;

4  

5  reg [3:0] COUNT;

6  

7  always @(posedge CLK or negedge RESET)

8  begin

9          if (RESET == 1'b0)

10                 COUNT <= 4'h0;

11         else

12                 COUNT <= COUNT + 4'h1;

13 end

5行目
　「COUNT」という信号は、7〜13行目のalways文の中で左辺として使用されているため、4bitのreg宣言を行う必要があります。

7行目
　always文で、カウンタの動作を記述します（注1）。「()」のセンシティビティ・リストには、クロック信号の立ち上がり（positive edge）「CLK」、またはクロック信号の立ち下がり（negative edge）「RESET」を指定します（注2）。CLKの立ち上がり、RESETの立ち下がりごとに、always文中の「begin」〜「end」で囲まれた代入、つまりカウンタの動作が行われます。

8〜13行目
　if文を使用して、カウンタの動作を記述します。センシティビティ・リストにCLKの立ち上がり以外の信号としてRESETの立ち下がりを記述していますので、最初にRESET信号の条件について記述します（9行目）。これによりRESET信号が立ち下がれば（0であれば）、この条件が真になり10行目の代入が行われます。動作としては「非同期リセット」が掛かったことになります。

12行目は、RESET信号が「1」のときの条件が記述されています。ここでは、カウントアップ（＋1）の動作を行います。この代入は、CLK信号が立ち上がっていて、かつRESET信号が「1」のときだけに実行されます。つまり、クロックの立ち上がりのときにカウンタがアップします。

　以上のことから、この記述の動作は「非同期リセット付き同期カウンタ」になります。