FPGAキット DE10入門 論理合成前の動作確認

凡ミスによる無駄時間を0に ModelSimで事前対策

PLLの動作やADCの制御信号を入念にチェック

論理合成前の動作確認の重要性と技術的背景

シミュレーションによる設計プロセスの効率化

FPGA設計において，論理合成前に動作確認を行うシミュレーションは，設計の品質向上と時間短縮において重要な役割を果たします．特に，DE10キットのようなFPGA開発ボードを使用する場合，設計したRTL（Register Transfer Level）の動作を事前に確認することで，回路の誤動作や初歩的なミスを早期に発見できます．

シミュレーションでは，1クロックごとに回路内の信号値をトレースし，エラーが発生する箇所を特定することが可能です．これにより，回路の問題点を詳細に分析し，修正後の動作を迅速に確認するサイクルを構築できます．

PLL（Phase-Locked Loop）の挙動やADC（Analog-to-Digital Converter）の制御信号を細かくチェックすることで，タイミング・エラーや信号衝突などの問題を未然に防ぐことができます．

シミュレーションの基本プロセス

1．テストベンチの作成

シミュレーションを開始するには，まずDUT（Design Under Test）と呼ばれる対象回路のRTLを用意し，それをテストベンチに組み込む必要があります．テストベンチでは，次のタスクを主に実行します．

1. DUTへの入力信号を生成
2. DUTからの出力信号を記録し，期待値と比較

ModelSimのようなRTLシミュレータを使用することで，これらの信号を波形や数値として視覚的に確認できます．

2．実際のシミュレーションと結果確認

基本例としてスイッチ（$SW$）入力に応じてLEDを点灯させる回路を考えます．次の手順でシミュレーションを進めます．

1. `$vlog` コマンドでRTLコードをコンパイル
2. テストベンチ・モジュールをロードし，波形ウィンドウに信号を登録
3. `$run` コマンドでシミュレーションを実行し，結果を観察

このプロセスにより，設計回路が仕様とおり動作するかを事前に確認できます．

凡ミスによる無駄時間をゼロにする方法

小さな変更で効率的に再確認

シミュレーションは設計変更後の確認も容易です．LEDの点灯条件を論理反転（$LEDR = \sim SW$）に変更した場合，再コンパイルとシミュレーションを短時間で実行できます．この反復的な確認により，設計プロセス全体の効率が向上します．

ランダム・データとテストケースの活用

より複雑なシステムでは，ランダム・データを用いたテストや，ファイルからの入力データを使用する方法が有効です．これにより，設計の隅々まで検証することができ，見落としを防ぎます．

PLLとADCの重要性

PLL（Phase-Locked Loop）の役割

PLLは，FPGA内のクロック信号を生成・調整するための重要なモジュールです．クロック信号は回路全体の動作タイミングを支配するため，その安定性が設計の成否を左右します．シミュレーションでは，PLLの周波数合成や位相同期の動作をチェックし，意図したクロックが正しく生成されているかを確認します．

ADC（Analog-to-Digital Converter）の制御信号

ADCはアナログ信号をディジタル信号に変換する回路で，FPGAによるデータ処理の入口を担います．シミュレーションでは，ADC制御信号のタイミングや波形を確認し，変換精度や遅延の影響を解析します．特に，FPGAが複数の外部デバイスと通信する場合，制御信号の同期が非常に重要です．〈著：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．