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FPGA入門 演算回路の動作テスト


シンプルかつ効果的な現実解

現実的でない「総当たりテスト」

図1　平方根計算を始めとする演算回路では，MSBから1ビットずつ計算を行うアルゴリズムが用いられ，検証には総当たり，コーナ・ケース，ランダム・テストなどが有効．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］森岡 澄夫．
詳細：［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】

FPGAに実装する演算回路の検証

多ビット演算回路は，FPGAを用いたディジタル回路設計において，加減算や乗除算，平方根計算などの数学的処理を行うために使用されます．平方根計算では，入力値に対しMSB（最上位ビット）から順に1ビットずつ試しに立てながら，2乗した結果が入力値以下であるかを判定するアルゴリズムが用いられます．

データ処理回路の検証方法

演算回路の検証は，正しく動作することを確認するために不可欠です．検証方法として，以下のような手法が用いられます．

  1. 全入力を総当たりで試す
  2. コーナ・ケース（結果が大きく変わる境界値）を重点的にテストする
  3. ランダムな値を与えて長時間動作させる

多ビット演算回路では，計算結果の誤差やオーバーフローの可能性があるため，複数の手法を組み合わせた検証が求められます．

テストベンチを用いた検証

テストベンチを用いることで，入力データの生成と出力データの検証を自動化できます．テストベンチには，以下のような手法が用いられます．

  1. 入力データを事前にファイルへ記録し，順番に読み込む
  2. シミュレーション中に動的にデータを生成する
  3. ほかの正しい結果と比較して，演算結果の正確性を確認する

テストベンチではクロック信号やリセット信号の生成，入力信号の遷移タイミングの制御が重要です．これにより，DUT（Device Under Test）の動作が期待とおりであるかを細かくチェックできます．

多ビット演算回路の動作テストは，FPGA設計において欠かせないプロセスです．平方根計算のような演算回路では，MSBから1ビットずつ計算を行うアルゴリズムが用いられ，検証には総当たり，コーナ・ケース，ランダム・テストが必要です．テストベンチを活用することで，クロック・リセット信号の制御や入出力タイミングの調整を行い，より正確な検証を実現できます．

多ビット演算回路における検証の重要性

なぜ検証が重要なのか

FPGAで設計された多ビット演算回路が正しく動作することを確認するには，シミュレーションによる検証が不可欠です．演算回路は，入力値のわずかな変化によって大きく出力が変わる可能性があるため，慎重なテストが求められます．

検証手法の比較

  1. 全入力を試す方法は，理論上もっとも確実だが，多ビット演算ではデータ数が膨大になる
  2. コーナ・ケース・テストは，特定の入力値に焦点を当て，極端なケースを重点的にテストする
  3. ランダム・テストは，広範囲の入力に対する動作を確認するのに適している

テストベンチの活用

テストベンチを用いることで，FPGAのハードウェア設計を効率的に検証できます．システム・タスクを用いたテストベンチを作成することで，入力信号の生成や出力の比較を自動化できます．

DUTとの入出力タイミング調整が重要です．@（posedge $信号$） や @（negedge $信号$） を用いて，特定のタイミングで信号を切り替えることで，正確な動作確認が可能です．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

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．