超入門！スイッチ読み取り回路とLED駆動回路のHDLソースコード


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FPGA開発の第1歩もLチカ

図1　信号処理など，処理スピードが要求されるシステムの設計に欠かせないFPGAは，HDL（Hardware Discription Language）という専用言語で開発する．マイコンと同じようにまずはLチカから始めよう．［著・提供］森岡 澄夫．画像クリックで動画再生．詳細は［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門

FPGAとHDLを使った基本回路設計の概要

FPGA（Field Programmable Gate Array）は，ユーザが設計した論理回路をハードウェアとして実装できる強力なデバイスです．Xilinx社のFPGAキットを使用することで，ハードウェア記述言語（HDL）を使った回路設計の基礎を学ぶことができます．

この記事では，トグルスイッチを使用してLEDを点灯させる基本的な回路を設計し，FPGA上で動作させる手順について解説します．

HDLを使った回路設計の基本

HDLを使った回路設計は，まずソースコードを作成するところから始まります．ソースコードはVerilog HDLなどのハードウェア記述言語で記述され，これが回路の動作を定義します．FPGAでは，スイッチとLEDのピンを接続するために「assign文」を使用し，例えば「assign led = sw;」というコードでスイッチの状態に応じてLEDを点灯させることができます．

このコードは，RTL（Register Transfer Level）記述と呼ばれ，FPGA内部でのデータの流れを記述しています．コードが完成したら，論理合成を行い，ボードにプログラムを書き込むことで回路を実際に動作させることができます．

実装と応用

基本的な回路設計を理解したら，次のステップとして応用練習をしてみましょう．

例えば，assign文を「assign led = ~sw;」に変更すると，スイッチの状態が反転した場合にLEDが点灯するようになります．また，トグル・スイッチではなくプッシュ・スイッチを使用する場合，HDLコードの修正が必要になります．これらの応用練習を通じて，FPGAとHDLの設計に対する理解を深めることができます．

HDL設計の応用とトラブルシューティング

HDL設計における注意点

HDL設計では，コードの記述が直接ハードウェアの動作に影響を与えるため，コードの細部に注意を払う必要があります．特に，ピンアサインや論理合成の際に誤りがあると，意図した通りに回路が動作しない可能性があります．

XilinxのFPGAキットを使用する場合，制約ファイル（.xdcファイル）の設定が非常に重要です．これにより，FPGAの特定のピンに対して正しい信号が割り当てられることが保証されます．

応用的な設計の試み

HDL設計の基礎を理解したら，応用的な設計にも挑戦してみましょう．

例えば，複数のスイッチの状態を組み合わせてLEDを制御する複雑な論理回路を設計することができます．また，FPGA内部でカウンタやステートマシンを構築することで，さらに高度な制御を実現することも可能です．

さらに，FPGAを用いたシステム設計では，シミュレータを活用して設計した回路の動作を事前に確認することが推奨されます．これにより，実際にボードに書き込む前に不具合を発見し，修正することができます．

トラブルシューティングと改善策

FPGA設計において，動作が期待通りにならない場合，いくつかのトラブルシューティング手法を試してみることが重要です．

まず，ピン・アサインや制約ファイル「XDCファイル」（Xilinx Design Constraints File）を再確認し，入力信号が正しくFPGAに伝わっているかを確認します．次に，論理合成結果やシミュレーション結果をチェックし，設計した回路が意図通りに動作しているかを確認します．

また，HDLコードの記述が複雑になってくると，コードの見直しやリファクタリングが必要になることがあります．特に，大規模な回路設計を行う場合は，コードのモジュール化や再利用可能なコンポーネントの設計が重要です．〈ZEPマガジン〉

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著者紹介

  • NTT，IBM，Sony，NECの各研究所において高性能回路IPやハイレベル・シンセシスの研究，およびプレイステーションなどの製品用SoC開発に従事した後，現職にて民間宇宙ロケットの飛行制御コンピュータの研究開発に従事．FPGAや高位合成を活用している

著書

  1. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編＆実践編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］Tiny FPGA実習！高校生から始めるHDLプログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD/Pi KIT］カメラ×ラズパイで一緒に！初めての画像処理プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. スパコンでも破れない！高セキュリティ・マイコン・プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［YouTube］宇宙軌道ロケット 成功の方程式
  9. ［YouTube］宇宙ロケットの電子回路開発
  10. FPGA/Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  12. USBカメラの動画キャプチャ＆描画用 Pythonプログラム，ZEPエンジニアリング株式会社．
  13. ライブラリ完備！組立式ラズパイI/O増設ボード MCC DAQ HATSファミリ誕生，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．