VHDLにおける信号と変数の違いを理解する

前回のチュートリアルでは、プロセス内で変数を宣言する方法を学びました。変数はローカルなアルゴリズム処理に適していますが、そのプロセスの外からは見えません。設計の他の部分と値を共有する必要があるときは 信号（signal） を使います。

信号はアーキテクチャの宣言領域、すなわち architecture <architecture_name> of <entity_name> is と begin キーワードの間で宣言します。

本記事は「Basic VHDL Tutorials」シリーズの一部です。

信号宣言の構文：
signal <name> : <type>;

初期値を与える場合：
signal <name> : <type> := <initial_value>;

演習：信号の宣言と変数との違い

ビデオチュートリアルでは、信号の宣言方法と、変数との本質的な違いを学びます。

本チュートリアルで作成した最終コード：

entity T06_SignalTb is end entity;
architecture sim of T06_SignalTb is
  signal MySignal : integer := 0;
begin
  process is
    variable MyVariable : integer := 0;
  begin
    report "*** Process begin ***";
    MyVariable := MyVariable + 1;
    MySignal   <= MySignal + 1;
    report "MyVariable=" & integer'image(MyVariable) & ", MySignal=" & integer'image(MySignal);
    MyVariable := MyVariable + 1;
    MySignal   <= MySignal + 1;
    report "MyVariable=" & integer'image(MyVariable) & ", MySignal=" & integer'image(MySignal);
    wait for 10 ns;
    report "MyVariable=" & integer'image(MyVariable) & ", MySignal=" & integer'image(MySignal);
  end process;
end architecture;

シミュレータコンソール出力（ModelSim）

VSIM 2> run
# ** Note: *** Process begin ***
# Time: 0 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=1, MySignal=0
# Time: 0 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=2, MySignal=0
# Time: 0 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=2, MySignal=1
# Time: 10 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: *** Process begin ***
# Time: 10 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=3, MySignal=1
# Time: 10 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=4, MySignal=1
# Time: 10 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
# ** Note: MyVariable=4, MySignal=2
# Time: 20 ns Iteration: 0 Instance: /t06_signaltb
...

解説

同じ初期値0で信号と変数を作り、プロセス内で同じように扱いましたが、コンソール出力は明確に異なる振る舞いを示しています。主な違いは以下の通りです。

• 変数は := 演算子で即座に更新されます。
• 信号は <= 演算子を使い、新しい値がスケジュールされ、プロセスが休止（例：wait 文）した時点で反映されます。
• プロセスが休止する前に同じ信号へ複数回代入すると、最後の代入だけが有効になります（先のスケジュール値は上書きされます）。

この例では、最初の2回の MySignal インクリメントは、wait for 10 ns; でプロセスが休止する前に上書きされたため失われました。休止後のインクリメントだけが正しく反映されています。

まとめ

• 即座のローカル更新が必要な一時値には変数を使用。
• 他のプロセスやコンポーネントに変更を通知する必要がある場合は信号を使用。
• 信号代入はスケジュールされ、プロセスが休止するときにのみコミットされる。休止なしで複数回代入すると最後の値だけが生き残る。

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