Xilinx FPGA入門　スイッチONでLED点灯

初めてのHDL記述

Xilinx FPGAスタータキット BASYS 3を動かしてみよう

スイッチとLEDの基本動作

FPGAの基本的な回路として，スイッチを押すとLEDが点灯するしくみを構築します．BASYS 3のようなFPGAボードでは，スイッチ信号がFPGAに入力され，その信号をLEDに出力することで，スイッチとLEDの動作を確認できます．

1. トグル・スイッチ：ONのときはhigh（3.3V），OFFのときはlow（0V）となる．
2. プッシュ・スイッチ：押したときにhigh（3.3V），離すとlow（0V）となる．
3. FPGAのLEDピンはhigh（3.3V）で点灯する．
4. LEDには電流制限抵抗が組み込まれている．

スイッチの信号がFPGAのピンに入力され，その値をFPGA内部で処理し，LEDに出力することで，スイッチON時にLEDが点灯する動作を実現できます．

FPGA内部での信号接続とHDL記述

FPGAの内部では，スイッチのピンとLEDのピンをHDL（Hardware Description Language）で記述し，接続を定義します．BASYS 3のHDL記述ファイルでは，Verilog HDLを使用し，assign文を用いてスイッチの信号をLEDへ渡します．

1. Verilog HDLのコード内で，FPGAボードの入出力ピンを定義する．
2. スイッチを入力ピン（input）として定義する．
3. LEDを出力ピン（output）として定義する．
4. assign文を使用して，スイッチとLEDを直接接続する．

このようにHDLを用いることで，論理回路の接続をプログラムで記述できる．

入出力ピンの割り当て（ピン・アサイン）

FPGAを設計する際，物理的なピンとHDLで記述した信号を関連付ける作業が必要です．これは「ピン・アサイン」と呼ばれ，設計ツール上で設定するか，制約ファイル（XDCファイル）を直接編集することで実現できます．

1. 設計ツールで「Open Implemented Design」をクリックする．
2. 「Layout」→「I/O planning」に進む．
3. 制約ファイル（Basys-3-Master_mod.xdc）をテキスト・エディタで編集することも可能．

ピン・アサインを適切に設定することで，スイッチやLEDなどの外部デバイスとFPGAの対応が決まます．

キーワード

正論理と負論理とは

論理回路では，信号のON/OFFをどのように定義するかが重要です．一般的に，ONのときにhigh（3.3V），OFFのときにlow（0V）とする方式を「正論理（アクティブ・ハイ）」といいます．逆に，ONのときにlow（0V），OFFのときにhigh（3.3V）となる方式を「負論理（アクティブ・ロー）」といいます．

1. 正論理：スイッチON（high）→ LED点灯（high）
2. 負論理：スイッチON（low）→ LED点灯（low）

正論理と負論理の使いわけ

FPGAの設計では，どちらの論理を用いるかによって，HDL記述や回路の動作が変わります．assign文を`assign led = sw；`とした場合，スイッチがhighのときにLEDが点灯します．逆に，`assign led = ~sw；`とすると，スイッチがlowのときにLEDが点灯します．

正論理・負論理の応用

ディジタル回路では，どちらの論理方式を選択するかが設計の自由度に影響を与えます．アクティブ・ローのデバイス（7セグメントLEDなど）を使用する場合，負論理の考え方が重です．

1. プッシュ・スイッチが負論理の場合，HDLで反転を考慮する．
2. 7セグメントLEDは負論理駆動のため，ピンの状態を反転する必要がある．
3. 複数のデバイスが混在する場合，論理の整合性を取ることが必要．

〈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．