ハードウェア記述言語による FPGA設計の開発事例

コンピュータシステム実験
ＶＨＤＬによる回路設計
守川和夫
(情報電子工学科)
MUXとDEMUX
4 to 1 MUXの設計

4 to 1 マルチプレクサ（セレクタ）をVHDLで
記述する．


RTレベルの記述
ゲートレベルの記述
4 to 1 MUX
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity MUX4to1 is
port (
A,B,C,D : in std_logic;
SEL : in std_logic_vector(1 downto 0);
Q : out std_logic );
end MUX4to1;
architecture RTL of MUX4to1 is
begin
process(A,B,C,D,SEL)
begin
case SEL is
when “00” => Q <= A;
when “01” => Q <= B;
when “10” => Q <= C;
when others => Q <= D;
end case;
end process;
end RTL;
architecture RTL of MUX4to1 is
begin
process(A,B,C,D,SEL)
begin
if (SEL = “00”) then
Q <= A;
elsif (SEL = “01”) then
Q <= B;
elsif (SEL = “10”) then
Q <= C;
else
Q <= D;
end if;
end process;
end RTL;
4 to 1 MUXの回路は．．．
A
B
C
D
SEL(1
)
SEL(0
)
Q
ゲートレベルのアーキテクチャ
architecture GATE of MUX4to1 is
begin
Q <= ( not SEL(1) and not SEL(0) and A )
or ( not SEL(1) and SEL(0) and B )
or ( SEL(1) and not SEL(0) and C )
or ( SEL(1) and SEL(0) and D );
end GATE;
FPGAの実装と動作確認


A,B,C,Dをデータスイッチ7,6,5,4に，SELを
データスイッチ1,0に，QをアドレスLED 0に
接続する．
回路を評価ボード(TeC5)上のFPGAにダウ
ンロードし，動作を確認する．

SELの値を変え，4 to 1のマルチプレクサと
なっているか？
3 to 8 デコーダの設計

3 to 8 デコーダをRTレベルのVHDLで記述
する．
3 to 8 デコーダ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity DECODER3to8 is
port (
A,B,C : in std_logic;
Y : out std_logic_vector(7 downto 0));
end DECODER3to8;
architecture RTL of DECODER3to8 is
signal IN_DATA : std_logic_vector(2 downto 0);
begin
IN_DATA <= A & B & C;
process(IN_DATA)
begin
case IN_DATA is
when “000” => Y <= “00000001”;
when “001” => Y <= “00000010”;
when “010” => Y <= “00000100”;
when “011” => Y <= “00001000”;
when “100” => Y <= “00010000”;
when “101” => Y <= “00100000”;
when “110” => Y <= “01000000”;
when “111” => Y <= “10000000”;
when others => Y <= “XXXXXXXX”;
end case;
end process;
end RTL;
FPGAの実装と動作確認


A,B,Cをデータスイッチ2,1,0に，出力Yをア
ドレスLED 7~0に接続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．

A,B,Cの値によって，3 to 8デコーダとなってい
るか？
8 to 3 エンコーダの設計

8 to 3 エンコーダをRTレベルのVHDLで記
述する．
8 to 3 エンコーダ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity ENCODER8to3 is
port (
INPUT : in std_logic_vector(7 downto 0);
Y : out std_logic_vector(2 downto 0));
end ENCODER8to3;
architecture RTL of ENCODER8to3 is
begin
process(INPUT)
begin
case INPUT is
when “00000001” => Y <= “000”;
when “00000010” => Y <= “001”;
when “00000100” => Y <= “010”;
when “00001000” => Y <= “011”;
when “00010000” => Y <= “100”;
when “00100000” => Y <= “101”;
when “01000000” => Y <= “110”;
when “10000000” => Y <= “111”;
when others => Y <= “XXX”; -- don’t care
end case;
end process;
end RTL;
don’t careの出力

入力スイッチが２個以上‘1’になっているか
すべてのスイッチが‘0’になっているとき，
case文のwhen othersで不定の‘X’を代入
することで回路規模を小さくする（don’t
care出力）ことができる．
FPGAの実装と動作確認


INPUTをデータスイッチ7~0に，出力Yをア
ドレスLED 2~0に接続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．


INPUTのどれかが‘1’になっているとき，8 to 3
エンコーダになっているか？
INPUTが２個以上‘1’になっているかすべて‘0’
になっているときは？
課題


1 to 4 デマルチプレクサをゲートレベルの
VHDLで記述する．
１０進－ＢＣＤエンコーダをRTレベルの
VHDLで記述する．
1 to 4 DEMUX
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity DEMUX1to4 is
port (
IN : in std_logic;
SEL : in std_logic_vector(1 downto 0);
Q : out std_logic_vector(3 downto 0));
end DEMUX1to4;
architecture GATE of DEMUX1to4 is
begin
Q(3) <= IN and SEL(1) and SEL(0);
Q(2) <= IN and SEL(1) and not SEL(0);
Q(1) <= IN and not SEL(1) and SEL(0);
Q(0) <= IN and not SEL(1) and not SEL(0);
end GATE;
１０進ーＢＣＤエンコーダ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity BCD_ENCODER is
port (
IN10 : in std_logic_vector(9 downto 0);
BCD : out std_logic_vector(3 downto 0));
end BCD_ENCODER;
architecture RTL of BCD_ENCODER is
begin
process(IN10)
begin
case IN10 is
when “0000000001” => Y <= “0000”;
when “0000000010” => Y <= “0001”;
when “0000000100” => Y <= “0010”;
when “0000001000” => Y <= “0011”;
when “0000010000” => Y <= “0100”;
when “0000100000” => Y <= “0101”;
when “0001000000” => Y <= “0110”;
when “0010000000” => Y <= “0111”;
when “0100000000” => Y <= “1000”;
when “1000000000” => Y <= “1001”;
when others => Y <= “XXXX”;
end case;
end process;
end RTL;
カウンタの設計


バイナリカウンタ
リングカウンタ
１秒クロックの生成

ボード上のシステムクロック（2.4576MHz）を分周
して１秒のクロックを作り出す回路をVHDLで記述
する．
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity CLOCK is
port ( CLK_2M : in std_logic;
CLK_1 : out std_logic);
end CLOCK;
architecture RTL of CLOCK is
signal Q2M : std_logic_vector(20 downto 0);
signal QCLK : std_logic;
begin
CLK_1 <= QCLK; -- １秒クロック
process( CLK_2M )
begin
if CLK_2M='1' and CLK_2M'event then
if Q2M=1228799 then -- CLK_2M/2-1
Q2M <= “000000000000000000000”;
-- Q2M <= (others => '0')
QCLK <= not QCLK;
else Q2M <= Q2M + '1';
end if;
end if;
end process;
end RTL;
１秒クロックの動作確認


CLK_2Mを2.4576MHz CLK（P91）に，1秒
クロックCLK_1をアドレスLED 0に接続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．

アドレスLED 0が1秒周期で点滅しているか？
４ビットバイナリカウンタの設計

４ビットバイナリカウンタをVHDLで記述す
る．
４ビットバイナリカウンタ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity COUNT4 is
port ( CLK,RESET : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector
(3 downto 0));
end COUNT4;
architecture RTL of COUNT4 is
signal CNT_IN : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
COUNT <= CNT_IN;
process(CLK,RESET)
begin
if (RESET = ‘0’) then
-- RESETスイッチオン=‘0’
CNT_IN <= “0000”;
elsif (CLK’event and CLK = ‘1’) then
CNT_IN <= CNT_IN + ‘1’;
end if;
end process;
end RTL;
１秒ずつで動く４ビットバイナリ
カウンタCOUNT4_1の構成
RESET
CLK_2M
１秒クロック CLK_1
４ビット
生成
バイナリカウンタ
CLOCK
COUNT4
COUNT4_1
COUNT
４ビットバイナリカウンタの設計

１秒クロック生成回路CLOCKと４ビットバイ
ナリカウンタCOUNT4を同じアーキテクチャ
に２つのprocessとして記述する．
４ビットバイナリカウンタ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity COUNT4_1 is
port (CLK_2M,RESET : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector
(3 downto 0));
end COUNT4_1;
architecture RTL of COUNT4_1 is
signal CLK_1 : std_logic;
signal Q2M : std_logic_vector(20 downto 0);
signal CNT_IN : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
process( CLK_2M )
begin
if CLK_2M='1' and CLK_2M'event then
if Q2M=1228799 then
Q2M <= ( others => '0');
CLK_1 <= not CLK_1;
else Q2M <= Q2M + '1';
end if;
end if;
end process;
COUNT <= CNT_IN;
process(CLK_1,RESET)
begin
if (RESET = ‘0’) then
CNT_IN <= “0000”;
elsif (CLK_1’event and CLK_1 = ‘1’) then
CNT_IN <= CNT_IN + ‘1’;
end if;
end process;
end RTL;
４ビットバイナリカウンタの
動作確認


CLK_2Mを2.4576MHz CLK（P91），RESET
をRESETスイッチ（P97）に，COUNTをアド
レスLED 3~0に接続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．

アドレスLED 3~0がバイナリカウンタになって
いるか？
リングカウンタ
４ビットリングカウンタの動作表
Q(3) Q(2) Q(1) Q(0)
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
８ビットリングカウンタの設計

４ビットバイナリカウンタの設計と同様に，
１秒クロック生成回路CLOCKと８ビットリン
グカウンタRING8を同じアーキテクチャに
記述する．
8ビットリングカウンタ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity RING8_1 is
port (CLK_2M,RESET : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector
(7 downto 0));
end RING8_1;
architecture RTL of RING8_1 is
signal CLK_1 : std_logic;
signal Q2M : std_logic_vector(20 downto 0);
signal CNT_IN : std_logic_vector(7 downto 0);
begin
process( CLK_2M )
begin
if CLK_2M='1' and CLK_2M'event then
if Q2M=1228799 then
Q2M <= ( others => '0');
CLK_1 <= not CLK_1;
else Q2M <= Q2M + '1';
end if;
end if;
end process;
COUNT <= CNT_IN;
process(CLK_1,RESET)
begin
if (RESET = ‘0’) then
CNT_IN <= “00000001”;
elsif (CLK_1’event and CLK_1 = ‘1’) then
CNT_IN(7 downto 1) <=
CNT_IN(6 downto 0);
CNT_IN(0) <= CNT_IN(7);
end if;
end process;
end RTL;
８ビットリングカウンタの
動作確認


CLK_2Mを2.4576MHz CLK（P91），RESET
をRESETスイッチ（P97）に，COUNTをアド
レスLED 7~0に接続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．


アドレスLED 7~0がリングカウンタになってい
るか？
リングカウンタをもっと速く動かせるには？
課題

次のカウンタの動作表を示し，VHDLで記
述する．



１０進（ＢＣＤ）カウンタ
８ビットジョンソンカウンタ
それぞれのカウンタはどんなところに応用
されるか？
１０進（ＢＣＤ）カウンタ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity COUNTBCD is
port ( CLK,RESET : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector
(3 downto 0));
end COUNTBCD;
architecture RTL of COUNTBCD is
signal CNT_IN : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
COUNT <= CNT_IN;
process(CLK,RESET)
begin
if (RESET = ‘1’) then
CNT_IN <= “0000”;
elsif (CLK’event and CLK = ‘1’) then
if (CNT_IN = 9) then -- CNT_IN = “1001”
CNT_IN <= “0000”;
else CNT_IN <= CNT_IN + ‘1’;
end if;
end if;
end process;
end RTL;
４ビットジョンソンカウンタの
動作表
Q(3)
0
0
0
0
1
1
1
1
Q(2)
0
0
0
1
1
1
1
0
Q(1)
0
0
1
1
1
1
0
0
Q(0)
0
1
1
1
1
0
0
0
８ビットジョンソンカウンタ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity JOHNSON8 is
port ( CLK,RESET : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector
(7 downto 0));
end JOHNSON8;
architecture RTL of JOHNSON8 is
signal CNT_IN : std_logic_vector(7 downto 0);
begin
COUNT <= CNT_IN;
process(CLK,RESET)
begin
if (RESET = ‘1’) then
CNT_IN <= “00000000”;
elsif (CLK’event and CLK = ‘1’) then
CNT_IN(7) <= CNT_IN(6);
CNT_IN(6) <= CNT_IN(5);
CNT_IN(5) <= CNT_IN(4);
CNT_IN(4) <= CNT_IN(3);
CNT_IN(3) <= CNT_IN(2);
CNT_IN(2) <= CNT_IN(1);
CNT_IN(1) <= CNT_IN(0);
CNT_IN(0) <= not CNT_IN(7);
end if;
end process;
end RTL;
architecture RTL of JOHNSON8 is
signal CNT_IN : std_logic_vector(7 downto 0);
begin
COUNT <= CNT_IN;
process(CLK,RESET)
begin
if (RESET = ‘1’) then
CNT_IN <= “00000000”;
elsif (CLK’event and CLK = ‘1’) then
CNT_IN(7 downto 1) <= CNT_IN(6 downto 0);
-- ベクタのスライスで簡単に記述
CNT_IN(0) <= not CNT_IN(7);
end if;
end process;
end RTL;
レジスタの設計


レジスタ
シフトレジスタ
レジスタ

クロックに同期してデータをフリップフロップ
に記憶させる．
クリア付き8ビットレジスタ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity REGISTER8 is
port (CLK,CLR : in std_logic;
D : in std_logic_vector(7 downto 0)
Q : out std_logic_vector(7 downto 0));
end REGISTER8;
architecture RTL of REGISTER8 is
begin
process(CLK,CLR)
begin
if (CLR = ‘1’) then -- クリア
Q <= “00000000”;
elsif (CLK_1’event and CLK_1 = ‘1’) then
Q <= D;
end if;
end process;
end RTL;
シフトレジスタ


クロックに同期してデータを１ビットずつ隣
のフリップフロップに移す（シフト）．
シリアル（直列）－パラレル（並列），パラレ
ル－シリアル変換の機能を持っている．
シフトレジスタの機能
POUT
SOUT
SIN
シフトレジスタ
PIN
直列入力ー並列出力
８ビットシフトレジスタの設計

１秒クロック生成回路CLOCKと８ビットシフ
トレジスタSIN_POUT_SHIFTREG8を同じ
アーキテクチャに２つのprocessとして記述
する．
8ビットシフトレジスタ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity SIN_POUT_SHIFTREG8 is
port (CLK_2M,SIN : in std_logic;
POUT : out std_logic_vector(7 downto
0));
end SIN_POUT_SHIFTREG8;
architecture RTL of SIN_POUT_SHIFTREG8 is
signal CLK_1 : std_logic;
signal Q2M : std_logic_vector(20 downto 0);
signal Q_IN : std_logic_vector(7 downto 0);
begin
-- １秒クロック生成
process( CLK_2M )
begin
if CLK_2M='1' and CLK_2M'event then
if Q2M=1228799 then
Q2M <= ( others => '0');
CLK_1 <= not CLK_1;
else Q2M <= Q2M + '1';
end if;
end if;
end process;
POUT <= Q_IN;
process(CLK_1)
begin
if (CLK_1’event and CLK_1 = ‘1’) then
Q_IN <= Q_IN(6 downto 0) & SIN;
end if;
end process;
end RTL;
８ビットシフトレジスタの
動作確認


CLK_2Mを2.4576MHz CLK，SINをデータ
スイッチ0に，POUTをアドレスLED 7~0に
接続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．

直列入力SINから‘0’， ‘1’を入力し，並列出力
POUTがシフトレジスタとして動いているか？
並列入力ー直列出力
８ビットシフトレジスタの設計

１秒クロック生成回路CLOCKと８ビットシフ
トレジスタPIN_SOUT_SHIFTREG8を同じ
アーキテクチャに記述する．
8ビットシフトレジスタ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity PIN_SOUT_SHIFTREG8 is
port (CLK_2M,LOAD : in std_logic;
PIN : in std_logic_vector(7 downto 0);
SOUT : out std_logic;
POUT : out std_logic_vector(7 downto
0));
end PIN_SOUT_SHIFTREG8;
architecture RTL of SHFTREG8_1 is
signal CLK_1 : std_logic;
signal Q2M : std_logic_vector(20 downto 0);
signal Q_IN : std_logic_vector(7 downto 0);
begin
process( CLK_2M )
begin
if CLK_2M='1' and CLK_2M'event then
if Q2M=1228799 then
Q2M <= ( others => '0');
CLK_1 <= not CLK_1;
else Q2M <= Q2M + '1';
end if;
end if;
end process;
SOUT <= Q_IN(7);
POUT <= Q_IN;
process(CLK_1,LOAD,PIN)
begin
if (LOAD = ‘0’) then
Q_IN <= PIN;
elsif (CLK_1’event and CLK_1 = ‘1’) then
Q_IN <= Q_IN(6 downto 0) & ‘0’;
end if;
end process;
end RTL;
８ビットシフトレジスタの
動作確認


CLK_2Mを2.4576MHz CLK，LOADを
BREAKスイッチ（P98），PINをデータスイッ
チ7~0に，SOUTをG0 LED，POUTをアドレ
スLED 7~0に接続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．

並列入力PINに適当なビットパターンをセットし，
LOADスイッチを押して並列データを入力する
と，直列出力SOUT（並列出力POUTも）がシフ
トレジスタとして動いているか？
７セグメントデコーダの設計

８の字型に並べられた７つの発光ダイオー
ド（７セグメントLED）を，入力した４ビットの
値に応じて１６進数表示するように制御す
る．
a
f
b
g
e
c
d
d.p.
７セグメントＬＥＤの１６進数表示

１６進数（0～9，A～F）が表示できるように
点灯するセグメントを決める．
７セグメントデコーダ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity SEVEN_SEG_DECODER is
port (HEX : in std_logic_vector(3 downto 0);
SEG : out std_logic_vector(7 downto 0));
-- セグメント記号の割当d.p.,g,f,e,d,c,b,a
end SEVEN_SEG_DECODER;
７セグメントLEDのデコーダ
architecture RTL of SEVEN_SEG_DECODER is
begin
process(HEX)
begin
case HEX is
when “0000” => SEG <= “11000000”; -- 負論理
｛中略｝
when others => SEG <= “XXXXXXXX”;
end case;
end process;
end RTL;
case HEX is -- ７セグメントデコーダのcase全文
when “0000” => SEG <= “11000000”;
when “0001” => SEG <= “11111001”;
when “0010” => SEG <= “10100100”;
when “0011” => SEG <= “10110000”;
when “0100” => SEG <= “10011001”;
when “0101” => SEG <= “10010010”;
when “0110” => SEG <= “10000010”;
when “0111” => SEG <= “11111000”;
when “1000” => SEG <= “10000000”;
when “1001” => SEG <= “10010000”;
when “1010” => SEG <= “10001000”;
when “1011” => SEG <= “10000011”;
when “1100” => SEG <= “11000110”;
when “1101” => SEG <= “10100001”;
when “1110” => SEG <= “10000110”;
when “1111” => SEG <= “10001110”;
when others => SEG <= “XXXXXXXX”;
end case;
スイッチオン⇒‘1’
architecture RTL of SEVEN_SEG_DECODER is
signal INV_HEX : std_logic_vector(3 downto 0);
begin
INV_HEX <= not HEX;
process(INV_HEX)
begin
case INV_HEX is
when “0000” => SEG <= “11000000”;
｛中略｝
when others => SEG <= “XXXXXXXX”;
end case;
end process;
end RTL;
７セグメントデコーダの動作確認


入力データHEXをデータスイッチ3~0に，７
セグメントLEDの信号SEGを拡張コネクタ
（セグメント記号とピン対応表を参照）に接
続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．

HEXを“0000”から“1111”に変化させ，７セグ
メントLEDが１６進数０からＦを正しく表示して
いるか？
セグメント記号とピン対応表
LED左
LED右
セグメント
a
b
ピン
P84
P83
セグメント
a
b
ピン
P55
P54
c
d
e
P82
P81
P80
c
d
e
P45
P47
P53
f
g
d.p.
P93
P86
P87
f
g
d.p.
P56
P46
P44
７セグメントLED２桁表示の構成
U0 : port map
HEX1
HEX SEVEN_SEG SEG
_DECODER
SEG1
U1 : port map
HEX2
HEX SEVEN_SEG SEG
_DECODER
SEVEN_SEG2
SEG2
７セグメントＬＥＤの２桁表示
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity SEVEN_SEG2 is
port (HEX1 : in std_logic_vector(3 downto 0);
HEX2 : in std_logic_vector(3 downto 0);
SEG1 : out std_logic_vector(7 downto 0);
SEG2 : out std_logic_vector(7 downto 0));
end SEVEN_SEG2;
７セグメントLED_2の構造化記述
architecture RTL of SEVEN_SEG2 is
component SEVEN_SEG_DECODER
-- 下位のエンティティ宣言と同じ
port (HEX : in std_logic_vector(3 downto 0);
SEG : out std_logic_vector(7 downto 0));
end component;
begin
U0 : SEVEN_SEG_DECODER port map (HEX1,SEG1);
U1 : SEVEN_SEG_DECODER port map (HEX2,SEG2);
end RTL;
７セグメントデコーダ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity SEVEN_SEG_DECODER is
port (HEX : in std_logic_vector(3 downto 0);
SEG : out std_logic_vector(7 downto 0));
end SEVEN_SEG_DECODER;
７セグメントLEDのデコーダ
architecture RTL of SEVEN_SEG_DECODER is
begin
process(HEX)
begin
case HEX is
when “0000” => SEG <= “11000000”;
｛中略｝
when others => SEG <= “XXXXXXXX”;
end case;
end process;
end RTL;
Project ⇒ Add Copy of Source
ＡＬＵの設計

算術演算，論理演算，シフト，ローテイト命
令を実現する．





ADD
XOR
SHRA
RL
ACC,MR
ACC,MR
ACC
ACC
（右算術シフト）
（左ローテイト）
フラグを設定する．

ZF（ゼロフラグ），SF（サインフラグ），CF（キャ
リーフラグ）をセットする．
４ビットＡＬＵ
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity ALU4 is
port (
ACC,MR : in std_logic_vector(3 downto
0);
CODE : in std_logic_vector(1 downto 0);
DOUT : out std_logic_vector(3 downto 0);
ZF,SF,CF : out std_logic);
end ALU4;
architecture RTL of ALU4 is
signal TMP : std_logic_vector(4 downto 0);
-- キャリー出力ビットを付加
begin
process(ACC,MR,CODE)
begin
if (CODE = “00”) then
TMP <= (‘0’ & ACC) + (‘0’ & MR);
elsif (CODE = “01”) then
TMP <= (‘0’ & ACC) xor (‘0’ & MR);
elsif (CODE = “10”) then
TMP <= ACC(0) & ACC(3) & ACC(3 downto 1);
else
TMP <= ACC(3 downto 0) & ACC(3);
end if;
end process;
DOUT <= TMP(3 downto 0);
-- flag set
CF <= TMP(4);
SF <= TMP(3);
ZF <= not (TMP(3) or TMP(2) or TMP(1) or TMP(0));
end RTL;
-- RTレベルによるZFのセット
process(TMP)
begin
if (TMP(3 downto 0) = 0) then
ZF <= ‘1’;
else
ZF <= ‘0’;
end if;
end process;
４ビットＡＬＵの動作確認


ACCとMRをデータスイッチ7~4と3~0，
CODEをBREAK，STEPスイッチに，DOUTを
アドレスLED 3~0，フラグZF，SF，CFをZ
LED，S LED，C LEDに接続する．
回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．

ACCとMRに適当な値をセットし，CODEを変化
させて，それぞれの演算結果とフラグの状態
がDOUTとZF，SF，CFに正しく求められている
か？
課題

次のシフト，ローテイト命令の操作をVHDL
で記述する．




SHRL ACC
SHLL ACC
RR
ACC
（右論理シフト）
（左論理シフト）
（右ローテイト）
次のフラグ設定を-- flag setの部分に
VHDLで記述する．

PF（パリティフラグ）

偶数パリティとする．
architecture RTL of ALU4 is
signal TMP : std_logic_vector(4 downto 0);
begin
process(ACC,MR,CODE)
begin
-- SHRL
ACC
TMP <= ACC(0) & ‘0’ & ACC(3 downto 1);
-- SHLL
ACC
TMP <= ACC(3 downto 0) & ‘0’;
-- RR
ACC
TMP <= ACC(0) & ACC(0) & ACC(3 downto 1);
end process;
DOUT <= TMP(3 downto 0);
-- flag set
PF <= not (TMP(3) xor TMP(2) xor TMP(1) xor
TMP(0));
ステートマシンのモデル
RESET=‘1
’
S0
OUT=“00”
A=‘1’
S1
OUT=“01”
B=‘1’
S3
OUT=“11”
S2
OUT=“10”
ステートマシンのモデル
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity STATE_MACHINE is
port ( RESET : in std_logic;
A,B : in std_logic;
OUT : out std_logic_vector(1 downto 0));
end STATE_MACHINE;
architecture RTL of STATE_MACHINE is
signal STATE : std_logic_vector(1 downto 0);
-- ４状態
begin
process(CLK,RESET)
begin
if (RESET = ‘1’) then
STATE <= “00”;
elsif (CLK’event and CLK = ‘1’) then
-- 状態遷移
case STATE is
when “00” =>
if (A = ‘1’) then
STATE <= “01”;
else STATE <= “00”;
end if;
when “01” =>
if (B = ‘1’) then
STATE <= “11”;
else STATE <= “10”;
end if;
when “10” =>
STATE <= “11”;
when “11” =>
STATE <= “00”;
when others =>
STATE <= “XX”;
end case;
end if;
end process;
-- 各状態時の出力信号
process(STATE)
begin
case STATE is
when “00” => OUT <= “00”;
when “01” => OUT <= “01”;
when “10” => OUT <= “10”;
when “11” => OUT <= “11”;
when others => OUT <= “XX”;
end case;
end process;
end RTL;
ステートマシンの設計
RESET=‘1
’
S0
OUT=“0000”
S1
OUT=“0001”
S2
OUT=“0010”
A=‘1’
B=‘1’
S4
OUT=“1000”
S3
OUT=“0100”
状態の遷移
RESET=‘1
’
S0
OUT=“0000”
S1
OUT=“0001”
S2
OUT=“0010”
S4
OUT=“1000”
S3
OUT=“0100”
状態の遷移（A=1）
RESET=‘1
’
S0
OUT=“0000”
S1
OUT=“0001”
S2
OUT=“0010”
A=‘1’
S4
OUT=“1000”
状態の遷移（B=1）
RESET=‘1
’
S0
OUT=“0000”
S1
OUT=“0001”
S2
OUT=“0010”
B=‘1’
S3
OUT=“0100”
１秒で動くステートマシンの構成
RESET
A
B
U : port map
CLK_2M
CLK
ステートマシン
CLK_1
STATE_MACHINE
OUT
ステートマシン
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity STATE_MACHINE is
port ( CLK_2M,RESET : in std_logic;
A,B : in std_logic;
OUT : out std_logic_vector(3 downto 0));
end STATE_MACHINE;
architecture RTL of STATE_MACHINE is
component CLK
port ( CLK_2M : in std_logic;
CLK_1 : out std_logic);
end component;
signal STATE : std_logic_vector(2 downto 0);
-- ５状態
signal CLK_1 : std_logic;
begin
U : CLK port map (CLK_2M,CLK_1);
process(CLK_1,RESET)
begin
if (RESET = ‘0’) then
STATE <= “000”;
elsif (CLK_1’event and CLK_1 = ‘1’) then
-- 状態遷移
case STATE is
when “000” =>
STATE <= “001”;
when “001” =>
STATE <= “010”;
when “010” =>
if (A = ‘1’) then
STATE <= “100”;
else STATE <= “011”;
end if;
when “011” =>
if (B = ‘1’) then
STATE <= “001”;
else STATE <= “100”;
end if;
when “100” =>
STATE <= “001”;
when others =>
STATE <= “XXX”;
end case;
end if;
end process;
-- 各状態時の出力信号
process(STATE)
begin
case STATE is
when “000” =>
OUT <= “0000”;
when “001” =>
OUT <= “0001”;
when “010” =>
OUT <= “0010”;
when “011” =>
OUT <= “0100”;
when “100” =>
OUT <= “1000”;
when others =>
OUT <= “XXXX”;
end case;
end process;
end RTL;
Project ⇒ Add Copy of Source
ステートマシンのI/Oピンの接続

CLK_2Mを2.4576MHz CLK（P91），RESET
をRESETスイッチ（P97），AとBをINCAス
イッチとDECAスイッチ（いすれも押しボタン
スイッチで，スイッチオン=‘1’であるP8，
P10）に，OUTをアドレスLED 3~0に接続す
る．
ステートマシンの動作確認

回路を評価ボード上のFPGAにダウンロー
ドし，動作を確認する．



RESET後，状態がS1，S2，S3，S4を繰返しな
がら遷移し，OUTのアドレスLEDがA0，A1，A2，
A3と表示しているか？
Aスイッチを押していると，S1，S2，S4と状態が
遷移しているか？
Bスイッチを押していると，S1，S2，S3と状態が
遷移しているか？
課題：ステートマシンの設計
RESET=‘1
’
S0
CNT = 0
DEC=‘1’
S2
CNT DEC
INC=‘1’
DEC=‘1’
INC=‘1’
S1
CNT INC
ステートマシン
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity STATE_MACHINE is
port ( CLK_2M,RESET : in std_logic;
INC,DEC : in std_logic;
OUT : out std_logic_vector(3 downto 0));
end STATE_MACHINE;
architecture RTL of STATE_MACHINE is
component CLK
port ( CLK_2M : in std_logic;
CLK_1 : out std_logic);
end component;
signal STATE : std_logic_vector(1 downto 0);
signal CNT_IN : std_logic_vector(3 downto 0);
signal CLK_1 : std_logic;
begin
U : CLK port map (CLK_2M,CLK_1);
process(CLK_1,RESET)
begin
if (RESET = ‘0’) then
STATE <= “00”;
elsif (CLK_1’event and CLK_1 = ‘1’) then
case STATE is
when “00” =>
if (INC = ‘1’) then
STATE <= “01”;
elsif (DEC = ‘1’) then
STATE <= “10”;
else
STATE <= “00”;
end if;
when “01” =>
if (DEC = ‘1’) then
STATE <= “10”;
else STATE <= “01”;
end if;
when “10” =>
if (INC = ‘1’) then
STATE <= “01”;
else STATE <= “10”;
end if;
when others =>
STATE <= “XX”;
end case;
end if;
end process;
OUT <= CNT_IN;
process(CLK_1,STATE)
begin
if (CLK_1’event and CLK_1 = ‘1’) then
case STATE is
when “00” =>
CNT_IN <= “0000”;
when “01” =>
CNT_IN <= CNT_IN +‘1’;
when “10” =>
CNT_IN <= CNT_IN - ‘1’;
when others =>
CNT_IN <= “XXXX”;
end case;
end if;
end process;
end RTL;
自由課題


班番号，班員
タイトル




特徴
機能
概略構成
設計分担

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