演算回路を書く

1. 組み合わせ回路によるシフト回路

シフト回路や乗算回路みたいに「計算する回路」は、1行で書けちゃうから簡単に見えるよね？🐾
でも、実は裏でとんでもなく巨大な回路ができているかもしれないから要注意だよ！

シフト回路は入力信号dinをsftで指定したビット数だけ左シフトしてdoutに出力する回路です。左シフトして空になった下位ビットには0が入ります。

シフト動作の例

シフト回路（8ビット入出力・3ビットシフト量）

module shift( din, sft, dout );
input  [7:0]  din;
input  [2:0]  sft;
output [7:0]  dout;

assign  dout = din << sft;

endmodule

2. 乗算回路

2つの入力a、bを掛け合わせた結果をqに出力します。4ビット入力 × 4ビット入力の場合、出力は最大8ビット幅が必要です。

module multi( a, b, q );
input  [3:0]  a, b;
output [7:0]  q;

assign  q = a * b;

endmodule

3. 大小比較回路と一致比較回路

2つの入力を比較し、その結果を1ビットの値として出力します。どちらもassign文1行で記述できます。

大小比較回路（a > b）

module comp_GT( a, b, a_gt_b );
input  [7:0]  a, b;
output        a_gt_b;

assign a_gt_b = (a > b) ? 1'b1 : 1'b0;

endmodule

一致比較回路（a == b）

module comp_EQ( a, b, a_eq_b );
input  [7:0]  a, b;
output        a_eq_b;

assign a_eq_b = (a == b);

endmodule

4. 組み合わせ回路で作るROM

入力としてアドレスが与えられ、そのアドレスに対応するあらかじめ決められた値dataを出力する回路です。functionを使って記述しますが、always文でも記述可能です。

以下は4ビットアドレス入力、8ビットデータ出力のROM（アドレス0〜15に0の二乗値を格納）の例です。

module rom( addr, data );
input  [3:0]  addr;
output [7:0]  data;

function [7:0] romout;
input [3:0]  addr;
begin
    case( addr )
         0:  romout =   0;
         1:  romout =   1;
         2:  romout =   4;
         3:  romout =   9;
         4:  romout =  16;
         5:  romout =  25;
         6:  romout =  36;
         7:  romout =  49;
         8:  romout =  64;
         9:  romout =  81;
        10:  romout = 100;
        11:  romout = 121;
        12:  romout = 144;
        13:  romout = 169;
        14:  romout = 196;
        15:  romout = 225;
        default: romout = 8'hxx;
    endcase
end
endfunction

assign data = romout( addr );
endmodule

5. 修了判定：論理合成結果の確認

実際に論理合成した「ゲート数（回路規模）」を見てみよう🐾
乗算回路（掛け算）がどれだけ巨大な回路になるか、その目で確かめてみてね！

各回路の論理合成レポート詳細

シフト回路（shift）

*************************************
レポート ： area
回路    ： shift
*************************************

ポート数:           19
ネット数:           49
セル数:             38
セル種類:            8

組み合わせ回路:     54
非組み合わせ回路:    0

合計:               54

一致比較回路（comp_eq）

*************************************
レポート ： area
回路    ： comp_eq
*************************************

ポート数:           17
ネット数:           27
セル数:             11
セル種類:            3

組み合わせ回路:     29
非組み合わせ回路:    0

合計:               29

乗算回路（multi）

*************************************
レポート ： area
回路    ： multi
*************************************

ポート数:           33
ネット数:          330
セル数:            306
セル種類:           17

組み合わせ回路:    615
非組み合わせ回路:    0

合計:              615