プレゼン資料

FPGA 課題
24 時間時計仕様書
xxxxxxxxxx 科 xx 番
xxx xxx
24 時間時計 - 目次 1.使用ハードウェア
2.各モード状態遷移
a. モードの階層化
2 / 32
3.表示制御
a. 出力
LED
b. 出力
7 セグ LED
c. 出力
LCD(16x2 行 )
b. メインモード状態
c. 時間単位モード状態
d. 時計表示
e. キッチンタイマ
f. ストップウォッチ
g. アラーム設定
h. カレンダー・時刻調整
4.回路図説明 (Schematic)
a. 全体回路図
b. 各モジュール
5.まとめ
a. 作成状況
b. 思ったこと
・反省点など
1. 使用ハードウェア
1. FPGA ボード：
Basys2
Spartan-3E
FPGA Board
2. FPGA ：
Xilinx Spartan 3E,
100K gates
1. I/O 使用：
入力 ) ボタン x 4 ( 左からボタン 0-3 、以下 B0-B3)
出力 ) LED x 8 、 7 セグメント LED( 以下 7 セグ ) x 4
外部出力 ) LCD x 1 (16x2 行 ) 、 VGA x 1
3 / 32
2. 各モード状態遷移 - a. モードの階層化
シーケンサ状態を持つ
3 つのモードについて説明する。
本時計では 3 つのモードを
階層化した状態として持っている。
① メインモード
本時計の機能を状態としたもの。
時計表示、ストップウォッチ、
アラーム設定など。
モード階層化イメージ
② 時間単位モード
年、月、日、時、分、秒 … と時間調整を持つ
メインモード　( 時計調整、キッチンタイマ、アラーム設定 ) で
共通で使用する状態を定義したもの。
③ サブモード
各メインモードで持つ、それぞれの処理状態。
4 / 32
2. 各モード状態遷移 - b. メインモード状態
5 / 32
メインモード状態遷移図
24 時間時計のメインモードとして、以下①～⑤の状態を持つ。
① 時計表示
時計を表示する。
④ アラーム設定
アラーム時間を設定する。
② キッチンタイマ
キッチンタイマとなる。
⑤ カレンダー・時刻調整 ( 初期 )
時計を設定する。
③ ストップウォッチ
ストップウォッチとなる。
2. 各モード状態遷移 - b. メインモード状態
要因 [E]
状態 [S]
時計表示
キッチンタイマ
ストップウォッチ
アラーム設定
カレンダー・時刻調整
0
1
2
3
4
ボタン0押下
(AL非鳴動)
0
S1
S2
S3
S4
S0
ボタン0押下
(AL鳴動中 )
1
機能1
機能1
機能1
機能1
機能1
機能1 … アラーム鳴動を停止させる。
メインモード状態遷移表
電源 ON 直後の状態は「カレンダー・時刻調整」モードとする。
メインモードの状態切替には B0 を使用する。
但しアラームが鳴動中の場合、 B0 での状態遷移は行わない。
その際にはアラームの停止ボタンとして機能する。
6 / 32
2. 各モード状態遷移 - c. 時間単位モード状態
7 / 32
時間単位モード状態遷移図
時間単位モードの状態として、
アイドル状態とそれぞれの桁選択状態がある。
時間単位モードの状態は　カレンダー・時刻調整モード、
キッチンタイマモード、アラーム設定モード　で共通に使用する。
上記以外のメインモードが選択中は常にアイドル状態となる。
2. 各モード状態遷移 - c. 時間単位モード状態
要因 [E]
状態 [S]
アイドル
年(yyxx)
年(xxyy)
月
日
時
分
秒
0
1
2
3
4
5
6
7
8 / 32
ボタン1押下…　選択メインモード(mm)で動作が異なる。
mm[カレンダー・時刻調整] mm[キッチンタイマ], 共通 ※1
mm[アラーム設定]
0
1
2
3
S1
S5
S2
S0
S3
S0
S4
S0
S5
S0
S6
S0
S7
S0
S0
S0
※1 … mm[カレンダー・時刻調整], mm[キッチンタイマ], mm[アラーム設定]の状態以外。
時間単位モード状態遷移表
時間単位モードの状態切替には B1 を使用する。
時間単位の桁選択が発生しないメインモード選択中は
時間単位モードは常にアイドル状態となる。
2. 各モード状態遷移 - d. 時計表示
9 / 32
時計表示モード状態遷移図
時計表示モードとして、以下①～⑤の状態を持つ。
① 時分表示（初期）
時計の時分を表示する。
④ 月日表示
時計の月日を表示する。
② 分秒表示
時計の分秒を表示する。
⑤ 曜日表示
時計の曜日を表示する。
③ 年表示
時計の年を表示する。
2. 各モード状態遷移 - d. 時計表示
要因 [E]
状態 [S]
時分表示
分秒表示
年表示
月日表示
曜日表示
0
1
2
3
4
ボタン2押下
0
S1
S2
S3
S4
S0
※時間単位モードは常にアイドル
時計表示モード状態遷移表
現在時刻を表すメインモード。
状態により、 7 セグ LED に対応した表示を行う。 ( 後述する )
LCD には年月日、時分秒、曜日の全ての表示を常に行う。
10 / 32
2. 各モード状態遷移 - e. キッチンタイマ
11 / 32
時計表示モード状態遷移表
設定した時分秒のダウンカウントするキッチンタイマ機能。
設定は 23:59:59 まで設定可能。
時間単位モードのアイドル状態時にはサブモードの状態で
ダウンカウント、停止、リセットの状態で動作する。
時間単位モードの選択状態では B2 がアップ、 B3 でダウンカウント
する。
2. 各モード状態遷移 - g. アラーム設定
12 / 32
設定時刻になったら LED を点滅させ、
ユーザに通知するアラームのアラーム設定を行うモード。
時間単位モードのアイドル状態時に
B3 を押下することでアラーム ON/OFF を切り替える。時間単位
モードの選択状態では B2 がアップ、 B3 でダウンカウントする。
2. 各モード状態遷移 - h. カレンダー・時刻調整
24 時間時計のカレンダー・時刻を調整するモード。
時間単位モードのアイドル状態では時分の時計表示とする。時間単
位モードの選択状態では B2 がアップ、 B3 でダウンカウントする。
時間単位モードの選択状態から
抜けた段階の年月日時分秒が現在時刻として設定される。
設定前の状態に戻すキャンセル処理は実装しない。
3. 表示制御 - a. 出力 LED
13 / 32
LED 出力割当
LED では選択中のメインモードと、
アラーム状態を表示する。 (LED2,1 は予約 )
LED7-3 までは選択中のメインモードを示す。 ( 選択モード部が点灯 )
LED7 :
LED6 :
LED5 :
LED4 :
LED3 :
時計表示
キッチンタイマ
ストップウォッチ
アラーム設定
カレンダー・時刻調整
LED0 はアラーム設定の現在状態 (ON= 点灯 /OFF= 消灯 ) を示す。
また、アラーム通知時には当 LED が点滅してユーザに通知を行う。
3. 表示制御 - b. 出力 7 セグ LED
14 / 32
7 セグ LED の表示制御は各モード状態、フラグで行う。
表記内容
○:点灯, (x):点滅x秒, ●:消灯
HH:時, mm:分, ss:秒, ff:1/100秒, 2YYY:2YYY年, MM:月, dd:日, Nx:N部2桁目, xN:N部1桁目
L-NN:ラップタイマN部,
"x"...固定値x, W:曜日(0:日～6:土), ddd:曜日(Sun:日~Sat:土)
※1... 曜日表示(0～6)を、DP4～2をビットに見立て表示する。例）月曜(1):{DP4～2:●●○},
b
土曜(6):{DP4～2:○○○}など
LED出力判定条件
メインモード
カレンダー・
時刻調整
時計表示
7セグLED
[時間単位]/
サブモード
[アイドル]
[年(YYxx)]
[年(xxYY)]
[月]
[日]
[時]
[分]
[秒]
時分表示
分秒表示
年表示
月日表示
曜日表示
汎用フラグ
4桁目
DP4
3桁目
DP3
2桁目
DP2
1桁目
DP1
-
Hx
"2"(0.5)
"2"
Mx(0.5)
Mx
Hx(0.5)
Hx
mx
●
●
●
●
●
●
●
●
xH
2Yxx(0.5)
2Yxx
xM(0.5)
xM
xH(0.5)
xH
xm
●
●
●
○
○
●
●
○
Mx
2xYx
2xYx(0.5)
dx
dx(0.5)
mx
mx(0.5)
sx(0.5)
●
●
●
●
●
●
●
●
xM
2xxY
2xxY(0.5)
xd
xd(0.5)
xm
xm(0.5)
xs(0.5)
(1)
●
●
●
●
○
○
●
-
Hx
mx
"2"
Mx
●
●
●
●
●
※1
xH
xm
2Yxx
xM
●
●
(1)
●
○
※1
mx
sx
2xYx
dx
●
●
●
●
●
※1
xm
xs
2xxY
xd
W
(1)
●
●
●
●
7 セグ LED 出力パターン (1/2)
3. 表示制御 - b. 出力 7 セグ LED
LED出力判定条件
メインモード
7セグLED
[時間単位]/
サブモード
汎用フラグ
[アイドル]
リセット状態
4桁目
DP4
3桁目
DP3
2桁目
DP2
1桁目
DP1
カウントゼロ=ON
カウントゼロ=OFF
"0"(0.5)
"0"
●
●
"0"(0.5)
"0"
●
●
"0"(0.5)
"0"
●
●
"0"(0.5)
"0"
●
●
[アイドル]
停止
(Hx | xH)!=0
(Hx | xH)==0
Hx(0.5)
Hx
mx
Hx
mx
●
●
●
●
●
xH(0.5)
xH
xm
xH
xm
●
●
●
●
○
mx
mx(0.5)
sx(0.5)
mx
sx
●
●
●
●
●
xm
xm(0.5)
xs(0.5)
xm
xs
○
○
●
○
●
[アイドル]
カウントダウン
(Hx | xH)!=0
(Hx | xH)==0
Hx
mx
●
●
xH
xm
●
(0.5)
mx
sx
●
●
xm
xs
(0.5)
●
リセット状態
カウントアップ
ラップ状態
停止
-
"0"
sx
L-sx
sx
●
●
●
●
"0"
xs
L-xs
xs
○
○
(0.5)
○
"0"
fx
L-fx
fx
●
●
●
●
"0"
xf
L-xf
xf
●
●
●
●
[アイドル]
ON/OFFフラグ=ON
ON/OFFフラグ=OFF
"o"
"o"
●
●
"n"
"f"
●
●
●
"f"
●
●
●
●
●
●
[時]
[分]
[秒]
-
Hx(0.5)
Hx
mx
●
●
●
xH(0.5)
xH
xm
●
●
○
mx
mx(0.5)
sx(0.5)
●
●
●
xm
xm(0.5)
xs(0.5)
○
○
●
[時]
[分]
[秒]
キッチンタイマ
ストップウォッチ
アラーム設定
15 / 32
7 セグ LED 出力パターン (2/2)
3. 表示制御 - b. 出力 7 セグ LED
16 / 32
時計表示 (2011/09/26 月曜 07:58:12)
時分表示
分秒表示
0 .7 .: 5 .8 .
5 .8 .: 1 .2 .
年表示
月日表示
曜日表示
2 .0 .: 1 .1 .
0 .9 .: 2 .6 .
. .: .1 .
カレンダー・時刻調整 (フリッカ動作 )
[分]
選択
0 .7 .: 5 .8 .
←→
0.5秒間隔で
繰り返し
[分]
選択
0 .7 .: . .
アラーム
OFF
o .f .: f . .
アラーム設定
アラーム
ON
o .n .: . .
7 セグ LED 表示サンプル
3. 表示制御 - c. 出力 LCD(16x2 行 )
17 / 32
LCD の表示制御は各モード状態、フラグで行う。
LCD出力判定条件
メインモード
カレンダー・
時刻調整
時計表示
LCD (16x2行)
[時間単位]/
サブモード
汎用フラグ
-
-
[アイドル]
-
[年(YYxx)]
-
[年(xxYY)]
-
[月]
-
[日]
-
[時]
-
[分]
-
[秒]
-
0
1
2
1
2
メインモード基本形
"C"
"G"
">"
"2"
2Yxx
サブモード変更内容
- 変化なし
1
2
(0.5) (0.5)
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
-
-
1
2
時分表示
分秒表示
年表示
月日表示
曜日表示
-
-
メインモード基本形
"C"
"K"
">"
"2"
2Yxx
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
2xYx
2xxY
"/"
Hx
Mx
xH
xM
":"
"/"
mx
dx
xm
xd
"."
-
sx
xdd
xs
dxd
ddx
-
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
sx
xdd
xs
dxd
ddx
-
2xYx
2xxY
"/"
Hx
Mx
サブモード変更内容
変化なし
変化なし
変化なし
変化なし
変化なし
LCD 出力パターン (1/3)
xH
xM
":"
"/"
mx
dx
xm
xd
"."
-
3. 表示制御 - c. 出力 LCD(16x2 行 )
LCD出力判定条件
メインモード
18 / 32
LCD (16x2行)
[時間単位]/
サブモード
-
汎用フラグ
-
0
1
2
1
2
メインモード基本形
"K"
"T"
">"
-
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
-
-
-
Hx
-
xH
-
":"
-
mx
-
xm
-
"."
-
sx
-
xs
-
-
-
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
"e"
"0"
"0"
(0.5)
"R"
"0"
"R"
(0.5)
"s"
"0"
"s"
(0.5)
"e"
"0"
"e"
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
fx
L-fx
xf
L-xf
"0"
"0"
サブモード変更内容
[アイドル]
リセット状態
キッチンタイマ
カウントゼロ=ON
カウントゼロ=OFF
[時]
-
[分]
-
[秒]
-
[アイドル]
停止
-
[アイドル]
カウントダウン
-
-
-
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
"0"
(0.5)
"S"
"t"
メインモード基本形
"S"
"W"
">"
-
"o"
-
"e"
-
カウントアップ
-
ラップ状態
-
停止
-
ストップウォッチ
1
2
1
2
1
2
1
2
"p"
-
"L"
"R"
"u"
"n"
"A"
"P"
-
"R"
"R"
"t"
(0.5)
sx
L-sx
xs
L-xs
"0"
"0"
"."
"."
サブモード変更内容
リセット状態
"t"
(0.5)
(0.5)
"S"
LCD 出力パターン (2/3)
(0.5)
-
-
3. 表示制御 - c. 出力 LCD(16x2 行 )
LCD出力判定条件
メインモード
アラーム設定
LCD (16x2行)
[時間単位]/
サブモード
汎用フラグ
-
-
[アイドル]
-
[時]
-
[分]
-
[秒]
ON/OFFフラグ=ON
ON/OFFフラグ=OFF
0
1
2
1
2
メインモード基本形
"A"
"L"
">"
-
サブモード変更内容
- 変化なし
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
-
-
-
Hx
-
xH
-
":"
-
mx
-
xm
-
"."
-
sx
-
xs
-
-
-
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
(0.5)
"o"
"n"
LCD 出力パターン (3/3)
"o"
"f"
"f"
3. 表示制御 - c. 出力 LCD(16x2 行 )
時計表示 (2011/09/26 月曜 07:58:12)
CK>
07: 58: 12
2011/ 09/ 26 Mon
キッチンタイマ (停止状態 )
カレンダー・時刻調整
CG>
07: 58: 12
2011/ 09/ 26 Mon
ストップウォッチ (カウントアップ )
KT>
00: 20: 00
St op
SW>
R
アラーム設定 (アラーム OFF)
AL>
20 / 32
12: 48: 09
of f
LCD 表示サンプル
48. 09
LAP 12. 84
4. 回路図説明 (Schematic) - a. 全体回路図
21 / 32
4. 回路図説明 (Schematic) - b. 各モジュール
回路図の設計に当たって考慮したこと
□ 考慮したこと
・シーケンサ状態を複数モジュールに持たせると、管理や
モジュール間の配線が煩雑になると考え、シーケンサ状態は
一つのモジュール (STATE_TRANS) で持たせ管理するようにした。
・状態遷移と関連が分かるようメインモード毎のモジュールを
用意した。内部カウンタを持ち、状態により変化させる。
・関連のあるカウンタはバスに纏めるなど配線を少なくした。
・入出力デバイスが直接繋がるモジュールは余計な処理を極力
行わないようにした。（信号生成や、受け取った値の表示程度）
□ 出来上がった回路 ( 結果 )
・なるたけ複雑にならないよう考慮して回路設計した甲斐があり、
一目で見て分かりやすい回路になったと思われる。
22 / 32
4. 回路図説明 (Schematic) - b. 各モジュール
23 / 32
① ENAFLK_GEN ／　イネーブル・フリッカ信号生成
各モジュールが動作するために必要な信号
( イネーブル信号 ) と、 LED や LCD の点滅表示
を行うため一定周期で H/L を繰り返す信号
( フリッカ信号 ) の生成を行う。
入力信号
・ iCLK ／　クロック
出力信号
・ oENA_10ms
・ oENA_1sec
・ oENA_kHz
・ oFLK_500ms
・ oFLK_1sec
／　1/100 秒イネーブル
／　1 秒イネーブル
／　kHz イネーブル
／　0.5 秒フリッカ
／　1 秒フリッカ
…ストップウォッチ用
…時計、キッチンタイマ用
…チャタリング対策・ 7 セグ表示用
…点滅用
…点滅用
クロックを基に、上記イネーブル信号・フリッカ信号を生成する。
4. 回路図説明 (Schematic) - b. 各モジュール
24 / 32
① ENAFLK_GEN ／　イネーブル・フリッカ信号生成
＜桁上げ信号受け渡し・イネーブル生成＞
・クロック→ 50 万進カウンタ→ 1/100 秒イネーブル
→ 100 進カウンタ→ 1 秒イネーブル
・ 50 万進カウンタ [14:0] →　kHz イネーブル
＜フリッカ生成＞
・ 0.5 秒フリッカ： 100 進カウンタが 0-49 の間 H 、以外は L を出力
・ 1 秒フリッカ： 1 秒イネーブルが H になるたび信号を反転出力
'd 4999999
==
==
'd 99
oENA_10ms
oENA_kHz
'h 7fff
XOR
F/F
oFLK_1sec
＞
100
進ｶｳﾝﾀ
(1sec)
==
500000
進ｶｳﾝﾀ
(10ms)
ｶｳﾝﾀ [14:0]
iCLK
'd50
oENA_1sec
oFLK_500ms
4. 回路図説明 (Schematic) - b. 各モジュール
② CLOCK_SW ／　時計使用スイッチ入力フィルタリング
本時計で使用するボタン B0-B3 がソフト側
で適切に使用出来るようフィルタリング
処理を行う。
ⅰ. メタステーブル対策
ⅱ. チャタリング防止
ⅲ. 立ち上がり検出
入力信号
・ iCLK ・ iENA_kHz
・ iSW_IN
／　クロック
／　kHz イネーブル
／　スイッチ入力
… B0-B3 を割当
出力信号
・ oCHAT
／　チャタリング防止済スイッチ入力
・ oUEDGE ／　立ち上がり検出スイッチ入力
メタステーブル対策とは
入力をクロックに合わせるため、通常は F/F 回路を入力前に入れる。その際、
F/F 回路の Setup/Hold 時間に入力が来てしまうと出力が不定値となってしまう。
そこで出力に F/F 回路をもう 1 段挟むことで Setup/Hold 時間の入力を回避する対策。
25 / 32
4. 回路図説明 (Schematic) - b. 各モジュール
③ STATE_TRANS ／　状態遷移管理
本時計の心臓部となるモジュール。
各モードの状態遷移 ( メインモード、
サブモード、時間単位モード ) 、
各フラグ状態を管理する。
入力信号
・ iCLK ・ iENA_1sec
・ iBTN
・ iKT_TIME0
・ iAL_ON
・ iOA_RUN
／　クロック
／　1 秒イネーブル
／ボタン B0-B3
／　キッチンタイマカウンタゼロ
／　アラーム設定 ON/OFF フラグ
／　アラーム出力鳴動中フラグ
出力信号
・ oMAIN_MODE
／　メインモード状態
・ oSUB_MODE ／　サブモード状態
・ oTIMU_MODE
／　時間単位モード状態
・ oST_LED
／　ステータス LED 出力
・ oALARM
／　アラーム設定 ON/OFF フラグ ( 有効 )
・ oMDFLAG
／　選択モード汎用フラグ
26 / 32
4. 回路図説明 (Schematic) - b. 各モジュール
27 / 32
③ STATE_TRANS ／　状態遷移管理
＜各モード状態管理＞
・「 2. 各モード状態遷移」で記述している状態を表す。
・選択中の各モード状態はメインモードで oMAIN_MODE 、サブ　モー
ドで oSUB_MODE 、時間単位モード oTIMU_MODE に記憶させる。
＜入力フラグ（ iKT_TIME0, iAL_ON, iOA_RUN ）＞
・本モジュールは各モードで使用のカウンタ管理は行っていない。
カウンタ関連フラグの制御は出来ないので、外部より貰う。
＜選択モード汎用フラグ（ oMDFLAG ）＞
・選択メインモードに対応した入力フラグの値を出力する。
iAL_ON
GND
oMAIN_MODE
MUX
キッチンタイマ： iKT_TIME0
アラーム設定：
iAL_ON
上記以外：
GND(1'b0)
iKT_TIME0
oMDFLAG
4. 回路図説明 (Schematic) - b. 各モジュール
④ MD_xxxxxx ／　メインモード対応モジュール
各メインモードに対応したカウンタを持つ。
STATE_TRANS モジュールからの入力である各モード状態、
ボタン入力などを基にカウンタ値の制御処理を行う。
また、カウンタ値に左右されるフラグの出力を行う。
28 / 32
4. 回路図説明 (Schematic) - b. 各モジュール
29 / 32
⑤ OUT_xxxxxx ／　出力デバイス制御モジュール
出力デバイスを制御する。
( 左からアラーム LED 、 LCD 、 7 セグ LED)
STATE_TRANS モジュールからの入力である各モード状態、フラグ
と、各モード用のカウンタ値を基に出力デバイスの制御を行う。
5. まとめ - a. 作成状況
■ 各メインモードの動作処理
カレンダー・時刻調整
時計表示
キッチンタイマ
ストップウォッチ
アラーム設定
：作成済、テスト済
：作成済、テスト済
：作成済、テスト未完
：作成済、テスト未完
：作成済、テスト未完
■ 出力デバイスの表示・制御処理
LED
7 セグメント LED
LCD (16x2 行 )
VGA
：作成済、テスト済
：作成済、テスト済
：作成済、テスト済
：未着手
■ 課題
・ VGA 出力機能の仕様設定、ソース作成
・テストの効率化 (modelSim の操作を熟知する )
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5. まとめ - a. 作成状況
■ 各メインモードの動作処理
カレンダー・時刻調整
時計表示
キッチンタイマ
ストップウォッチ
アラーム設定
：作成済、テスト済
：作成済、テスト済
：作成済、テスト未完
：作成済、テスト未完
：作成済、テスト未完
■ 出力デバイスの表示・制御処理
LED
7 セグメント LED
LCD (16x2 行 )
VGA
：作成済、テスト済
：作成済、テスト済
：作成済、テスト済
：未着手
■ 課題
・ VGA 出力機能の仕様設定、ソース作成
・テストの効率化 (modelSim の操作を熟知する )
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5. まとめ - b. 思ったこと・反省点など
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● 思ったこと
・ Verilog-HDL と C 言語の違い。
⇒文法上の構文などは似ているが、
Verilog-HDL はハード、 C 言語はソフトという認識を持ち
全く異なる思想でコーディングを行うべきだと痛感した。
● 反省点、今後の課題
・テストをもっとするべきだった。
⇒開発当初、テストベンチの記述が面倒で実機による動作確認を
行っていた。結果的にバグに悩まされ時間を浪費してしまった。
・設計に時間をかけるべきだった。
⇒ Verilog-HDL ソース記述に慣れておらず、コーディングを
早く行いたいという気持ちから設計が疎かになった。
結果、コーディング後に設計に戻る形になってしまった。

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