プログラミング言語 Verilog

Verilog言語

Verilogの概要

Verilogは、デジタル電子システム、特に集積回路（IC）の設計、シミュレーション、検証に使用されるハードウェア記述言語（HDL）です。1980年代に考案されたVerilogは、エンジニアが電子システムの動作と構造を高レベルのアルゴリズムからゲートレベルまで、さまざまな抽象レベルで記述できるようにします。その主な役割は、デジタル論理回路のシミュレーションと合成を促進し、CPU、FPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）、ASIC（アプリケーション固有集積回路）などの複雑なハードウェアコンポーネントの効率的な設計と検証を可能にすることです。

歴史的側面

Verilogは1984年にGateway Design Automationによって開発された独自の言語として始まりました。その初期の目的は、デジタルシステムのモデリングツールを提供することでした。1990年にCadence Design Systemsに買収され、電子業界での言語の広範な採用が促進されました。

1995年にはIEEE 1364として標準化され、公式なHDL標準としての地位を確立しました。この標準化はVerilogの人気に大きく寄与し、1980年代に軍事および航空宇宙アプリケーションでの使用を通じて注目を集めた他のHDL、特にVHDLと競争することを可能にしました。

その後の数年間で、VerilogはSystemVerilogのような現代の設計手法のための構文を含むように進化しました。SystemVerilogはVerilogとオブジェクト指向プログラミングの特徴を組み合わせた拡張であり、現在では検証と設計の両方のツールとしてVerilogの機能をさらに強化しています。

現在、Verilogとその拡張は電子設計自動化（EDA）業界の基盤となる言語であり、Synopsys、Mentor Graphics、Cadenceなどのさまざまな主要企業によって提供される強力なツールエコシステムがあります。

Verilogの構文特徴

モジュール宣言

Verilogの基本的な構成要素はモジュールです。モジュールは入力、出力、および内部ロジックを含みます。

module my_adder(input a, input b, output sum);
    assign sum = a + b;
endmodule

手続きブロック

Verilogは、順次ロジックと初期化を可能にするalwaysやinitialなどの手続きブロックをサポートしています。

always @(posedge clk) begin
    q <= d; // clkの立ち上がりエッジでdをqに割り当てる
end

割り当て文

assign文を使用して連続的な割り当てを行うことができ、出力が入力の変化を即座に反映することを保証します。

wire out;
assign out = a & b; // ANDゲート

ゲートレベルモデリング

Verilogは、AND、OR、NOTなどの組み込みプリミティブを使用して直接モデリングを行うことを許可します。

and my_and(out, a, b); // ANDゲートをインスタンス化

テストベンチ

テストベンチは、Verilogで設計の機能をシミュレーションおよび検証するために使用されます。

module tb_my_adder;
    reg a, b;
    wire sum;

    my_adder dut (.a(a), .b(b), .sum(sum)); // 設計をインスタンス化

    initial begin
        a = 0; b = 0; #10; // 入力を適用し、待機
        a = 1; #10;
        b = 1; #10;
    end
endmodule

条件文

Verilogは、手続きブロック内での意思決定のためにifやcaseのような条件文をサポートしています。

if (sel) begin
    out = a;
end else begin
    out = b;
end

ループ

Verilogでは、繰り返しの割り当てや操作のためにループを使用できます。

for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
    // 操作を実行
end

パラメータ

Verilogはパラメータ化されたモジュールを許可し、異なる構成で設計を再利用できるようにします。

module my_multiplier #(parameter WIDTH = 8)(input [WIDTH-1:0] a, input [WIDTH-1:0] b, output [2*WIDTH-1:0] product);
    assign product = a * b;
endmodule

タスクと関数

Verilogは、モジュール化されたコード設計のためにタスクと関数を定義する機能を提供します。

function [7:0] add(input [7:0] a, input [7:0] b);
    add = a + b;
endfunction

ノンブロッキング割り当て

<=演算子を使用したノンブロッキング割り当ては、同期設計のより良いモデリングを可能にします。

always @(posedge clk) begin
    q <= d; // 後で実行されるようにスケジュールされる
end

開発者ツール、ランタイム、および人気のIDE

Verilogの開発は、さまざまなツールやIDEを通じて促進されます。一般的に使用されるソフトウェアには、ModelSim、Synopsys VCS、Cadence Incisiveなどがあり、シミュレーション、合成、デバッグ機能を提供します。

プロジェクトの構築

Verilogプロジェクトを構築するには、通常、.vファイルにVerilogコードを書きます。その後、コマンドラインまたはIDE内からシミュレーターや合成ツールを呼び出すことができます。たとえば、コンパイルコマンドは次のようになります。

vcs my_design.v -o my_sim

コンパイル後、シミュレーションを実行するには次のようにします。

./my_sim

Verilogの応用

Verilogは、デジタル回路の設計と検証に主に使用されます。具体的には以下のような分野があります：

さまざまな抽象レベルでハードウェアをモデル化する能力により、電子業界の多くのアプリケーションに対応できる柔軟性があります。

関連または類似言語との比較

Verilogは、VHDLなどの他のHDL言語と比較されることがよくあります。両者は似た目的を持っていますが、VerilogはCプログラミング言語に似た簡略化された構文のため、一般的に学習が容易と見なされています。VHDLは、強い型チェックを必要とする冗長な設計に好まれ、政府や航空宇宙アプリケーションでよく使用されます。

CやJavaのようなソフトウェアプログラミング言語と比較すると、Verilogはハードウェア構造と同時プロセスに焦点を当てており、ソフトウェア言語は順次および手続き的なロジックを扱います。Pythonは高レベルのテストやシミュレーションデータの処理に使用できますが、ハードウェア記述のための直接的な方法は提供していません。

ソースからソースへの翻訳のヒント

Verilog設計を他のHDL形式に翻訳しようとする場合、Calyxやその他のオープンソースソフトウェアなどのツールがこのプロセスを促進するために存在します。ただし、Verilogの特定の特性は、各言語の抽象化と意図の固有の違いにより、直接的な翻訳を困難にすることがあります。

VerilatorやYosysのようなツールは、Verilogコードをさまざまな形式に変換したり最適化したりするために開発されており、合成やシミュレーションの機能を提供します。これらのツールは、Verilog設計をフロー指向の環境に統合するのに特に役立ちます。