触って学ぼう FPGA開発入門

触って学ぼう FPGA開発入門（6）

順序回路と組み合わせ回路を意識した記述を！

鳥海 佳孝　設計アナリスト　2007/6/15

本連載は、「これからFPGAを開発してみよう！」という入門者の方や仕事でFPGAの設計をされている方（特に新人の方）を対象にしています。また「理論より実践」を主眼とし、入手しやすい無償開発ツールと低価格のFPGAボードを題材に解説していきます。実際にツールとトレーニングボードを動かして楽しみながら学んでいきましょう。（編集部）

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　連載第5回「階層構造を意識した設計スタイルとは？」では、10進のアップ・ダウンカウンタと7セグメントLEDのデコーダのモジュールをそれぞれインスタンスして接続し、動作させました。

　最終回となる今回は、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します。「それほど難しくないだろう」と思われるかもしれませんが、実際に何の情報もないと結構手間取ります。今回の内容は、この連載で一番強調したかった“HDLによるハードウェア設計のエッセンス”が盛り込まれていますので期待してください。

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連載：触って学ぼう FPGA開発入門

ダイナミック点灯の原理

　今回使用している「EDX-002」は、ボード上での配線の引き回しを少なくするために、7セグメントLEDの点灯に“ダイナミック点灯”の手法を使用しています。具体的な原理は図1のとおりです。

図1　ダイナミック点灯の原理

　「点灯させたい7セグメントLEDの選択を行う信号（SA）を出力し、その選択された7セグメントLEDに表示したい値を出力する」というのが基本動作です。また、EDX-002の仕様では選択されていない7セグメントLEDにはハイ・インピーダンスの信号を割り当てることになっています。

　この一連の動作をリスト1に示します。

1   module DCOUNT (CLK, ENABLE, L1, L2, L3, L4, SA, L);

2   input CLK, ENABLE;

3   input [7:0] L1, L2, L3, L4;

4   output [3:0] SA;

5   output [7:0] L;

6

7   parameter MAX_COUNT = 3'b111;

8   reg [2:0] sa_count_tmp;

9   reg [3:0] sa_count;

10  reg [7:0] L_tmp;

11

12  assign SA[3] = (sa_count[3]==1'b0)? 1'b0 : 1'bz;

13  assign SA[2] = (sa_count[2]==1'b0)? 1'b0 : 1'bz;

14  assign SA[1] = (sa_count[1]==1'b0)? 1'b0 : 1'bz;

15  assign SA[0] = (sa_count[0]==1'b0)? 1'b0 : 1'bz;

16  assign L = L_tmp;

17

18  always @(posedge CLK)

19  begin

20     if (ENABLE==1'b1)

21         if (sa_count_tmp==MAX_COUNT)

22             sa_count_tmp <= 3'b000;

23         else

24             sa_count_tmp <= sa_count_tmp + 1'b1;

25  end

26

27  always @(posedge CLK)

28  begin

29     if (sa_count_tmp[0]==1'b0)

30         begin

31            sa_count <= 4'b1111;L_tmp <= L_tmp;

32         end

33     else

34         case (sa_count_tmp[2:1])

35               2'b00:begin

36                         sa_count <= 4'b1110;L_tmp <= L4;

37                      end

38               2'b01:begin

39                         sa_count <= 4'b1101;L_tmp <= L3;

40                      end

41               2'b10:begin

42                         sa_count <= 4'b1011;L_tmp <= L2;

43                      end

44               2'b11:begin

45                         sa_count <= 4'b0111;L_tmp <= L1;

46                      end

47             default:begin

48                         sa_count <= 4'bxxxx;L_tmp <= 8'bxxxxxxxx;

49                     end

50         endcase

51  end

52

53  endmodule

リスト1　ダイナミック点灯させるためのモジュール（dcount.v）

18〜25行目
　sa_count_tmpという3bitのカウンタで0〜7までカウント。このときにENABLE信号（kHzオーダーで1回有効になる信号）が‘1’のときにのみカウントアップ

27〜51行目
　このカウンタの値が奇数（sa_count_tmp[0]が‘1’）のときに、出力したい7セグメントLEDのデコーダの信号を選択

12〜15行目
　選択していない7セグメントLEDにはハイ・インピーダンスを出力

　今回の7セグメントLEDの2けたの点灯には、このモジュール（リスト1）を用います。

回路構成の検討

　まず、60進カウンタを設計するに当たり、どのようにこのカウンタを構成するのかを考えてみましょう。

　単純に考えると「0〜59」、すなわち60回カウントすればいいので、「6bitのカウンタを作成すれば簡単に実現できる！ 」と思い付きます。

　しかし、最終的に7セグメントLEDに出力するためには、10の位と1の位に6bitのカウンタの値を分けなくてはなりません。

　分ける方法はいくつかありますが、ソフトウェア開発が得意な方の場合、

  • 1の位：60進カウンタ%10（10で割った余り）
  • 10の位：60進カウンタ/10（10で割った商）

で、求めることを思い浮かべるのではないでしょうか？ 確かに、アルゴリズム的には正しいのですが、残念ながら上記のような「%」や「/」の使い方は、論理合成ツールがサポートしていません。つまり、回路が作成できないので、RTLではないということになります。ということで、この方法は「使用不可」です。

　気を取り直して、さらに考えてみましょう。

　次に思い付くのは、「6bitのカウンタの値を10の位と1の位にデコードして分ける」という方法です（リスト2）。

（省略）

8  always @(count60)

9     case (count60)

10          6'd0:{cnt10,cnt1}=7'h0_0;

11          6'd1:{cnt10,cnt1}=7'h0_1;

12          6'd2:{cnt10,cnt1}=7'h0_2;

13          6'd3:{cnt10,cnt1}=7'h0_3;

14          6'd4:{cnt10,cnt1}=7'h0_4;

15          6'd5:{cnt10,cnt1}=7'h0_5;

16          6'd6:{cnt10,cnt1}=7'h0_6;

17          6'd7:{cnt10,cnt1}=7'h0_7;

18          6'd8:{cnt10,cnt1}=7'h0_8;

19          6'd9:{cnt10,cnt1}=7'h0_9;

20          6'd10:{cnt10,cnt1}=7'h1_0;

21          6'd11:{cnt10,cnt1}=7'h1_1;

22          6'd12:{cnt10,cnt1}=7'h1_2;

23          6'd13:{cnt10,cnt1}=7'h1_3;

24          6'd14:{cnt10,cnt1}=7'h1_4;

25          6'd15:{cnt10,cnt1}=7'h1_5;

26          6'd16:{cnt10,cnt1}=7'h1_6;

27          6'd17:{cnt10,cnt1}=7'h1_7;

28          6'd18:{cnt10,cnt1}=7'h1_8;

29          6'd19:{cnt10,cnt1}=7'h1_9;

30          6'd20:{cnt10,cnt1}=7'h2_0;

31          6'd21:{cnt10,cnt1}=7'h2_1;

32          6'd22:{cnt10,cnt1}=7'h2_2;

33          6'd23:{cnt10,cnt1}=7'h2_3;

34          6'd24:{cnt10,cnt1}=7'h2_4;

35          6'd25:{cnt10,cnt1}=7'h2_5;

36          6'd26:{cnt10,cnt1}=7'h2_6;

37          6'd27:{cnt10,cnt1}=7'h2_7;

38          6'd28:{cnt10,cnt1}=7'h2_8;

39          6'd29:{cnt10,cnt1}=7'h2_9;

40          6'd30:{cnt10,cnt1}=7'h3_0;

41          6'd31:{cnt10,cnt1}=7'h3_1;

42          6'd32:{cnt10,cnt1}=7'h3_2;

43          6'd33:{cnt10,cnt1}=7'h3_3;

44          6'd34:{cnt10,cnt1}=7'h3_4;

45          6'd35:{cnt10,cnt1}=7'h3_5;

46          6'd36:{cnt10,cnt1}=7'h3_6;

47          6'd37:{cnt10,cnt1}=7'h3_7;

48          6'd38:{cnt10,cnt1}=7'h3_8;

49          6'd39:{cnt10,cnt1}=7'h3_9;

50          6'd40:{cnt10,cnt1}=7'h4_0;

51          6'd41:{cnt10,cnt1}=7'h4_1;

52          6'd42:{cnt10,cnt1}=7'h4_2;

53          6'd43:{cnt10,cnt1}=7'h4_3;

54          6'd44:{cnt10,cnt1}=7'h4_4;

55          6'd45:{cnt10,cnt1}=7'h4_5;

56          6'd46:{cnt10,cnt1}=7'h4_6;

57          6'd47:{cnt10,cnt1}=7'h4_7;

58          6'd48:{cnt10,cnt1}=7'h4_8;

59          6'd49:{cnt10,cnt1}=7'h4_9;

60          6'd50:{cnt10,cnt1}=7'h5_0;

61          6'd51:{cnt10,cnt1}=7'h5_1;

62          6'd52:{cnt10,cnt1}=7'h5_2;

63          6'd53:{cnt10,cnt1}=7'h5_3;

64          6'd54:{cnt10,cnt1}=7'h5_4;

65          6'd55:{cnt10,cnt1}=7'h5_5;

66          6'd56:{cnt10,cnt1}=7'h5_6;

67          6'd57:{cnt10,cnt1}=7'h5_7;

68          6'd58:{cnt10,cnt1}=7'h5_8;

69          6'd59:{cnt10,cnt1}=7'h5_9;

70       default:{cnt10,cnt1}=7'hx;

71    endcase

（省略）

リスト2　10の位と1の位分離デコーダ部分（cnt60_dec.v）

　しかし、この方法では図2のように7セグメントLEDのデコーダの前に1の位と10の位を分けるデコーダが入るので、回路が大きくなり、LEDの出力まで考えるといままでのデコーダ出力よりも遅くなってしまいます（今回のようなLED表示に関しては、本来それほど神経をとがらせる必要はありません）。つまり、今回の場合には60進カウンタを作成するという方法は、あまり得策とはいえません。

図2　60進カウンタを作成したときのハードウェア構成

　そこで、いちいち10の位と1の位を分けるデコーダを作成することがないように、カウンタをあらかじめ「10進カウンタ」と「6進カウンタ」に分けて設計します（図3）。こうすれば、いままでと同様にカウンタの出力をそのまま7セグメントLEDのデコーダに接続できます。

図3　10進と6進カウンタを作成したときのハードウェア構成

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