FPGA×HDL入門 基本は全レジスタ同期運転

クロック源は1つ 同一位相＆同一周波数

Artix-7 FPGA入門 基本は全レジスタ同期運転

同期式回路設計の基礎

すべてのレジスタは同一クロックで動作し，値は同期的に切り替えることことで，ディジタル回路の挙動が予測可能になり，動作の信頼性が向上します．

以下のポイントを守る必要があります．

1. 単一のクロック源を使用する
   レジスタ間でクロックの位相や周波数が異なる場合，意図しない動作やタイミング・エラーが発生する可能性があります
2. レジスタをalways文で制御する
   

   次のように書くことで、すべてのレジスタを単一クロックで駆動し、同期式設計が可能です：

   reg [11:0] leddrv_reg;
   reg [31:0] led_timer_reg;
   
   always @(posedge clk) begin
       if (led_timer_reg >= 32'd10000 - 1'b1) begin
           case (leddrv_reg[11:8])
               4'b1110: leddrv_reg <= /* 新しい値 */;
           endcase
           led_timer_reg <= 32'd0;
       end else begin
           led_timer_reg <= led_timer_reg + 1'b1;
       end
   end
   

   上記コードでは、すべてのレジスタ値がクロックの立ち上がり（posedge）で一斉に更新されます。

同期式回路における注意点

同期式回路の設計では，以下の行為を避ける必要があります．

1. クロックを止める
   レジスタの値を保持したい場合は，クロックを止めるのではなく，現在の値を再ロードする設計にします．以下は値を保持する設計例です．

   reg [7:0] reg_a;
   
   always @(posedge clk) begin
       reg_a <= reg_a; // 値を保持
   end
   
   

2. 複数クロックを使用する
   各レジスタに異なるクロックを使用すると，同期の乱れや信号遅延が生じ，設計の予測性が失われます．

全レジスタ同期運転における「クロックの統一」の重要性

FPGAにおけるディジタル回路設計では，クロックの統一が極めて重要です．以下のような理由があります．

1．タイミング・エラーの防止

複数クロックを使用すると，レジスタ間のデータ遷移タイミングが崩れる可能性があります．例えば，異なる周波数や位相のクロックを用いた場合，特定のタイミングで信号が正しく伝達されず，設計が意図しない動作をする可能性があります．

2．設計の簡略化

単一クロック源を使用すると，設計時の考慮事項が減少し，シミュレーションやデバッグが容易になります．たとえば，次のレジスタ更新ルールを守ることで，設計の安定性を確保できます．

1. $A$と$B$の2つのレジスタがあり，クロックごとにそれぞれ値が更新される場合
2. $A$には毎クロック$1$を加算
3. $B$には最新の$A$の値を加算

以下にクロックごとの$A$と$B$の変化を示します．すべての値はクロックごとに同期的に変化します．

クロック	$A$	$B$
初期値	1	2
1クロック後	2	3
2クロック後	3	5
3クロック後	4	8
4クロック後	5	12
5クロック後	6	17

3．信号の再利用性

同期的な回路では，信号が次のクロックで確実に更新されるため，予測可能な動作が可能です．この特性を利用して，設計全体のモジュール化や再利用性を向上させることができます．

まとめ

FPGA設計におけるレジスタの同期運転は，信頼性の高い回路を構築するための基本です．同一クロック源を用い，レジスタの値を同期的に更新することを徹底しましょう．この原則を守ることで，設計が簡単になり，エラー発生率が低下します．〈著:ZEPマガジン〉

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〈著：ZEPマガジン〉

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．