２．７　順序回路の記述　(教科書Ｐ４４あたり)

ラッチの定義（例：Dラッチ）

CLKがHighの時に、入力Dは出力Qへインバータ2段で接続され、
CLKがLowの時に、インバータ2段がリング接続になり、値を保持する。

Dフリップフロップ（FF)の定義（例：Dフリップフロップ）

フリップフロップ（FF)の動作波形

シンボル

名称

意味

tC

サイクルタイム

動作する周期、スペックでは最小値が規定される。

tS

セットアップタイム

クロックエッジに対するデータを用意する時間、スペックでは最小値が規定される。

tH

ホールドタイム

クロックエッジに対してデータを保持する時間、スペックでは最小値が規定される。

tKQ

アクセスタイム

クロックエッジからデータ出力までの時間、スペックでは最大値が規定される。

VHDLにおけるフリップフロップ（FF)の生成方法

　

教科書　２．７　（Ｐ４４）

 

リスト２．１１：　ＲＥＳＥＴのないＤ−ＦF記述　（１）

 

リスト２．１２：　ＲＥＳＥＴのないＤ−ＦF記述　（２）

 

リスト２．１３：　非同期ＲＥＳETのあるＤ−ＦＦ記述

 

リスト２．１４：　非同期ＳＥＴ・ＲESETのあるＤ−ＦＦ記述

 

リスト２．１５：　同期ＲＥＳＥＴのあるＤ−ＦＦ記述

 

移動平均回路の設計

移動平均回路のVHDL記述

ライブラリ宣言

library IEEE; 
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all; 
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.all;

今回は入力信号として、２の補数表現を用いた正･負混合の信号を用いるので、P63コラム４の算術演算用パー-ケージで説明されているように、std_logic_arithを用いる。

エンティティ宣言

entity AVG4 is 
　port(CLK : in std_logic; 
　　　　FMINPUT : in std_logic_vector(7 downto 0);
　　　　AVGOUT : out std_logic_vector(7 downto 0));
end AVG4;

クロック入力：CLK
データ入力：FMINPUT（8ビット）

データ出力：AVGOUT（8ビット）

アーキテクチャ宣言

architecture RTL of AVG4 is 
signal FF1, FF2, FF3, FF4 : std_logic_vector(7 downto 0);
signal SUM : std_logic_vector(9 downto 0); 
begin 

４つのFF出力を定義

加算した信号を定義

-- SHIFT REGISTER 
　process(CLK) begin 
　　if (CLK'event and CLK = '1') then 
　　　FF1 <= FMINPUT; 
　　　FF2 <= FF1; 
　　　FF3 <= FF2; 
　　　FF4 <= FF3; 
　　end if; 
　end process; 

このような記述で４つのFFが生成される。

　　　FF1 ：＝FMINPUT; 
　　　FF2 ：＝ FF1; 
　　　FF3 ：＝ FF2; 
　　　FF4 ：＝ FF3; 

とすると、

　　　FF４ ：＝FMINPUT; 

と等価となり、FFは1個しか生成されない。

-- SUM 
SUM <= signed(FF1(7)&FF1(7)&FF1)
　　　　+signed(FF2(7)&FF2(7)&FF2) 
　　　　+signed(FF3(7)&FF3(7)&FF3)
　　　　+signed(FF4(7)&FF4(7)&FF4); 

std_logic_arithを用いているので、P63コラム４の算術演算用パー-ケージで説明されているように、signedで型変換を行っている。

8ビットを１０ビットに拡張する時に、”００”を前につけると、全て正の数になってしまうので、MSBを2ビットコピーしている。

-- DIVIDE BY 4 (SHIFT 2 bit), OUTPUT REGISTER
　process(CLK) begin 
　　if (CLK'event and CLK='1') then 
　　　AVGOUT <= SUM(9 downto 2); 
　　end if; 
　end process; 

end RTL;

出力のレジスタを記述している。

4の割り算を2ビット右シフトで実現している。

ここでは、四捨五入は用いず、切り捨てしている。

　

テストベンチのVHDL記述

ライブラリ宣言

library STD, IEEE; 
use STD.TEXTIO.all; 
use IEEE.std_logic_1164.all; 
use IEEE.std_logic_textio.all;

教科書P85にTEXTIOパッケージの説明がある。

今回、テスト入力として他のテキストファイルに書かれた値を用いるので、ライブラリSTDを指定し、パッケージTEXTIOを呼び出している。

エンティティ宣言

entity TESTBENCH_FF1 is 
end TESTBENCH_FF1;

テストベンチであるので、中味は空である。

アーキテクチャ宣言

architecture SIM_DATA of TESTBENCH_FF1 is 

component AVG4 
　　port(CLK : in std_logic; FMINPUT : in std_logic_vector(7 downto 0); 
　　AVGOUT : out std_logic_vector(7 downto 0)); 
end component; 

signal FMINPUT : std_logic_vector(7 downto 0); 
signal AVGOUT : std_logic_vector(7 downto 0); 
signal CLK : std_logic := '0'; 

begin

今回テストされるAVG4回路（移動平均回路）をコンポーネント（部品）宣言している。

その他用いる信号を宣言している。

-- Sysetem CLK generation 
CLK <= not CLK after 5 ns;

システムクロックを発生している。

５nsごとに変化するので、クロック周期は１０nsである。

CLKの初期値はsignal宣言のところで、定義されている。

-- DUT 
U1: AVG4 port map (CLK, FMINPUT, AVGOUT);

テストされる回路AVG4を置いている。

-- TEST VECTOR
P1: process
　file TEST_IN : text is in "fm.txt";
　variable LINE_IN : line;
　variable V_FMINPUT : std_logic_vector(7 downto 0);
begin
　readline(TEST_IN, LINE_IN);
　read(LINE_IN, V_FMINPUT);
　FMINPUT <= V_FMINPUT;
　wait for 10 ns;
　if endfile(TEST_IN) then
　　wait;
　end if;
end process;

end SIM_DATA;

詳しくは、P85ページの説明とP87ページのリスト４．１４を参考にしてください。

fm.txt

の値を読み込んで、10nsすなわち、毎サイクルごとに値をFMINPUT信号に代入している。

if文は終了条件。

configuration CFG_FF1 of TESTBENCH_FF1 is
　for SIM_DATA
　end for;
end CFG_FF1;

VHDLではひとつのエンティティに複数のアーキテクチャを
持たせることができるので、その割り当ての宣言。
必ず最上位階層に記述する必要がある。

　

実習　移動平均回路の動作シミュレーション(1)

リスト　avg4.vhd　avg\avg4.vhd

テストベンチ　SigGen.vhd　avg\SigGen.vhd

入力信号列　fm.txt　avg\fm.txt

０）　作業ディレクトリに、上記３つのファイルをコピーする。

１）　正常動作を確認せよ！

２）　回路の合成を行え　

３）    １６点平均をとる回路に再設計し、動作波形を示し、上記４点平均回路との回路規模を比較せよ。

以上