フリップフロップを書く

1. HDLによるフリップフロップ記述の概要

昔は「JKフリップフロップ」などのIC部品を組み合わせて回路を作っていたけど、今はHDLで好きなように書けるんだ🐾
便利な時代になったからこそ、中身の仕組みをしっかり理解して書くのが大事だよ！

フリップフロップはいろいろな種類があります。HDLで記述したらどうなるか試してみると面白いと思います。

標準IC時代の設計手法

HDLが論理回路の設計に使用されるようになる前は、標準ICである74HCシリーズ・74LSシリーズを使用して論理回路の設計の大半を行っていました。

この時代の設計者は、標準ICに使用されているフリップフロップから仕様に近いものを選択し、足りない機能は他のゲートICを組み合わせて仕様を満足する設計を行っていました。

2. always文によるFF記述の基本構造

HDLでフリップフロップを記述する場合はalways文を使用します。

FF記述の基本テンプレート

// ① 非同期リセット付きFF（アクティブLow リセット）
always @( posedge CK or negedge RB )
begin
    if ( RB == 1'b0 )      // リセット条件を最初に記述
        Q <= 1'b0;
    else                    // リセット条件以外の動作をelse項に記述
        Q <= D;
end

// ② 同期リセット付きFF
always @( posedge CK )
begin
    if ( RB == 1'b0 )
        Q <= 1'b0;
    else
        Q <= D;
end

// ③ リセットなしFF
always @( posedge CK )
begin
    Q <= D;                 // beginの直後から動作記述を始める
end

3. TフリップフロップのHDL記述

TフリップフロップはクロックCKが入力するたびに出力Qが反転する回路で、「トグルフリップフロップ」とも呼ばれます。

T-FFの真理値表

module TFF ( CK, Q, RB );
input  CK, RB;
output Q;
reg    Q;

always @( posedge CK or negedge RB )
begin
    if ( RB == 1'b0 )
        Q <= 1'b0;       // 非同期リセット: RBが0でQを0に
    else
        Q <= ~Q;         // CKの立ち上がりで出力を反転
end
endmodule

4. JKフリップフロップのHDL記述

JKフリップフロップは、標準ICを使ってデジタル回路を設計していた時代に多く利用されたフリップフロップです。わずかなゲートを付加するだけで容易にカウンタその他の順序回路を作成できます。

JK-FFの真理値表

クロックCKの立ち上がりで変化する出力Qは、二つの入力JとKの値により4通りの異なる動作をします。

module JKFF ( CK, J, K, Q, RB, SB );
input  CK, J, K, RB, SB;
output Q;
reg    Q;

// イベント式: クロック + 非同期リセット + 非同期セットをorで接続
always @( posedge CK or negedge RB or negedge SB )
begin
    if ( RB == 1'b0 )           // RBが0: 非同期リセット（優先）
        Q <= 1'b0;
    else if ( SB == 1'b0 )      // RB以外でSBが0: 非同期セット
        Q <= 1'b1;
    else begin
        case ( {J, K} )         // JとKを連接して2ビット条件
            2'b00: Q <= Q;      // 保持
            2'b01: Q <= 1'b0;   // リセット
            2'b10: Q <= 1'b1;   // セット
            2'b11: Q <= ~Q;     // トグル
            default: Q <= Q;    // 不定値対策（必ず記述）
        endcase
    end
end
endmodule

5. QB出力付きDFFの記述

反転出力（QB）を作る時、一つのalways文の中で一緒に書いちゃうと、論理合成ツールが「FFが2つ必要だ！」って勘違いしちゃうことがあるんだ🐾
「FFは1つ！反転はassignで！」って覚えておいてね！

フリップフロップには、クロック立ち上がりで入力Dの値を出力するQと、Dの値の反転を出力するQBの両方を持つものがあります。

✅ 推奨：assign文でQBを記述

module DFF_QB ( CK, D, Q, QB );
input  CK, D;
output Q, QB;
reg    Q;

always @( posedge CK )
begin
    Q <= D;                 // Qはalways文で記述
end

assign QB = ~Q;             // QBはassign文でQの反転を代入（推奨）
endmodule

❌ 非推奨：always文でQBも記述

module DFF_QB_NG ( CK, D, Q, QB );
input  CK, D;
output Q, QB;
reg    Q, QB;

always @( posedge CK )
begin
    Q  <= D;
    QB <= ~D;   // NG: 論理合成ツールはFFが2つあると解釈する
end
endmodule