deepseek でRTL開発 -FFT-

// lcd_wave.sv
//  ILI9341 SPI LCD コントローラ + 波形描画PMOD-TFTLCD v1.1
//
//  画面構成 (横向き: MADCTL = 0x28)
//
//   描画方式:
//     フレーム開始時に書き込みポインタ (wr_ptr) をラッチし、
//     その (LCD_W * TB_SPP) サンプル前から現在までのデータを
//     左→右に描画する。tb_sel で 1 列あたりのサンプル数 (TB_SPP) を切り替えることで、波形の時間軸を動的に変えられる。
//
//   時間軸 (tb_sel):
//     tb_sel を上げるほど 1 列あたりのサンプル数が増える
//     = より長い時間を表示する (波形は細かく見える)。
//     フレーム開始時にラッチするので、切り替えは次フレームから反映される。
//
//   棒グラフ:
//     bar_n 番目のバーを横幅 BAR_W px で描く。
//     bar_ram は spectrum.sv が持つため、ここでは
//       アドレスを出して 1 クロック後に値を読む (bar_data)。
//     バーの高さは下辺 (LCD_H-1) から上方向に bar_data px。
//
//     棒グラフの表示時間は spectrum 側の BAR_LIFE が決める。
//     ここ (lcd_wave) の BAR_HOLD は、スペクトラム更新 (bar_fresh) が
//     完全に止まったときだけバーを消すための安全網であり、
//     通常動作では表示時間に影響しない。
//     実機では bar_fresh が 6.4 ms ごとに来るので、LCD のフレーム
//     開始 (約 148 ms ごと) には必ず bar_seen = 1 となり
//     bar_hold は BAR_HOLD に戻り続ける。
//
//     bar_fresh はspectrum 側が1クロック幅のパルスで出すため、
//     フレーム開始でサンプルすると取りこぼす。bar_seen に
//     ラッチしてフレーム開始時に見る。
//
//   SPI : Mode 0, SCK = CLK_HZ / 4 (= 12.5 MHz @ 50 MHz)

module lcd_wave #(
    parameter int CLK_HZ = 50_000_000,
    parameter int BUF_AW = 12,           // 波形 RAM アドレス幅
    parameter int LCD_W  = 320,
    parameter int LCD_H  = 240,
    parameter int AMP_GAIN_SHIFT = 0,    // 振幅スケール (2 の冪)
                                         //   > 0 : 2^n 倍に拡大
                                         //   = 0 : 等倍
                                         //   < 0 : 1/2^|n| に縮小
    parameter int FRAME_WAIT = 2_500_000, // フレーム間隔 (50MHz -> 50ms)
    parameter int POWERON_WAIT = 7_500_000, // 電源ON後待機 (50MHz -> 150ms)
    parameter int SWRST_WAIT   = 250_000,   // SWRESET 後待機 (5ms)
    parameter int SLPOUT_WAIT  = 6_000_000, // SLPOUT 後待機 (120ms)
    parameter bit BAR_EN  = 1'b1,       // 棒グラフを描く
    parameter int BAR_W   = 5,          // 1 本の横幅 (px)
    parameter int BAR_N   = 64,         // 表示する本数
    parameter int BAR_HOLD = 20,        // 棒グラフの寿命 (LCD フレーム数)
    parameter int TB_SEL  = 0,          // 時間軸の初期値 (0..TB_N-1)
    parameter int TB_N    = 8,          // 時間軸の段数
    parameter int TB_SPP0 = 1,          // tb_sel = 0 のサンプル数/列
    parameter int BAR_GAIN_SH = 1       // バー表示高さの左シフト量
                                        // (1 で表示高さ 2 倍、0 で等倍)
                                        // 画面高を超えた分はクリップされる
) (
    input  logic               clk,
    input  logic               rst_n,   // 非同期リセット (Low 有効)

    // --- PMOD-TFTLCD ---
    output logic               lcd_cs,  // CS (Low 有効)
    output logic               lcd_dc,  // RS (1=Data, 0=Command)
    output logic               lcd_mosi,// MOSI
    output logic               lcd_sck, // SCK

    // --- 波形 RAM 読み出し ---
    output logic [BUF_AW-1:0]  rd_addr,
    input  logic signed [15:0] rdata,
    input  logic [BUF_AW-1:0]  wr_ptr,  // RAM 書き込みポインタ

    // --- スペクトラム RAM 読み出し ---
    output logic [5:0]         bar_addr, // 表示する bin
    input  logic [7:0]         bar_data, // バーの高さ (1 クロック遅れ)

    // --- 時間軸 / 棒グラフの制御 ---
    input  logic [2:0]         tb_sel,      // 波形の時間軸 (0..TB_N-1)
    input  logic               bar_fresh,   // スペクトラムが更新された (パルス)

    // --- ステータス ---
    output logic               init_done,
    output logic               frame_tick    // 1 フレーム描画完了パルス
);

    // ========================================================
    // 定数
    // SPI バイト送信器は 1 ビットあたり 4 クロック使うため
    // SPI クロック = CLK_HZ / 4 = 12.5 MHz となる。
    localparam int TOTAL_PIX = LCD_W * LCD_H;      // 76800
    localparam int CNT_W     = $clog2(TOTAL_PIX);  // 17

    localparam int Y_CENTER = LCD_H / 2;       // 120
    localparam int Y_OFFSET = Y_CENTER - 1;    // 119 (振幅 0の行)
    localparam int Y_MAXROW = LCD_H - 1;       // 239

    // 定数 (比較用は int のままにしておくとビット幅の切捨て警告が出ない)
    localparam int LAST_PIX = TOTAL_PIX - 1;
    localparam int LAST_COL = LCD_W - 1;
    localparam int LAST_ROW = LCD_H - 1;

    // サイズ付き定数 (演算に使うものだけ幅を明示する)
    localparam logic [23:0]        POWERON_CNT  = POWERON_WAIT;
    localparam logic [23:0]        FRAME_WAIT_C = FRAME_WAIT;
    localparam logic [23:0]        SWRST_CNT    = SWRST_WAIT;
    localparam logic [23:0]        SLPOUT_CNT   = SLPOUT_WAIT;
    localparam logic [8:0]         Y_OFFSET_C   = Y_OFFSET;
    localparam logic [7:0]         Y_MAXROW_C   = Y_MAXROW;

    localparam logic [15:0] COL_BG   = 16'h0000;   // 黒
    localparam logic [15:0] COL_GRID = 16'h1082;   // 暗い緑 (グリッド)
    localparam logic [15:0] COL_AXIS = 16'h4208;   // グレー (中央線)
    localparam logic [15:0] COL_WAVE = 16'h07E0;   // 緑 (波形)
    localparam logic [15:0] COL_BAR  = 16'hFD20;   // 橙 (スペクトラム)

    // ---- 棒グラフのジオメトリ ----
    localparam int BAR_PITCH = (BAR_W > LCD_W / BAR_N) ? BAR_W : LCD_W / BAR_N;
    localparam int BAR_BOT   = LCD_H - 1;      // バーの下辺

    localparam logic [8:0] BAR_W_C  = BAR_W;
    localparam logic [8:0] BAR_P_C  = BAR_PITCH;
    localparam logic [8:0] BAR_BOT_9 = BAR_BOT[8:0];
    localparam logic [7:0] BAR_SHF_C = BAR_GAIN_SH[7:0];
    localparam logic [5:0] BAR_LAST_C = (BAR_N - 1);   // 最後に読み込む bin

    // バーを波形 / 中央線より手前に描くか。
    //   1 : バーが最優先。バーが途切れない (高さを上げても崩れない)
    //   0 : 従来の順 (波形 > 中央線 > バー)。バーの高さが中央線を
    //       超えると波形と中央線がバーを横切って見える
    localparam bit BAR_OVER_WAVE = 1'b1;

    // ---- 時間軸 ----
    //   tb_sel は 0..TB_N-1。値が大きいほど 1 列あたりのサンプル数が
    //   増える (= 長い時間を表示する)。
    //     spp = TB_SPP0 << tb_sel
    //   spp は RAM 深さ / LCD_W 以下にクランプする
    //   (BUF_AW = 12, LCD_W = 320 -> 最大 12)。
    localparam int MAX_SPP_I = (1 << BUF_AW) / LCD_W;
    localparam logic [7:0] MAX_SPP_C = MAX_SPP_I[7:0];

    // ---- 棒グラフの寿命 ----
    localparam int BAR_HOLD_C = BAR_HOLD;

    // ==================================================
    // 初期化シーケンス ROM
    //   bit[8] = 0 : CMD (DC = 0)
    //   bit[8] = 1 : DAT (DC = 1)

    localparam [6:0] ROM_DEPTH = 7'd64;

    localparam [8:0]
        R00=9'h001, R01=9'h011,                // SWRESET, SLPOUT
        R02=9'h03A, R03=9'h155,                // COLMOD  = 0x55
        R04=9'h036, R05=9'h128,                // MADCTL  = 0x28 (横)
        R06=9'h0B1, R07=9'h100, R08=9'h118,    // FRMCTR1
        R09=9'h0C0, R10=9'h123,                // PWCTR1
        R11=9'h0C1, R12=9'h110,                // PWCTR2
        R13=9'h0C5, R14=9'h13E, R15=9'h128,    // VMCTR1
        R16=9'h0C7, R17=9'h186,                // VMCTR2
        R18=9'h026, R19=9'h101,                // GAMMASET = 1
        R20=9'h0E0,                            // GMCTRP1
        R21=9'h10F, R22=9'h131, R23=9'h12B, R24=9'h10C,
        R25=9'h10E, R26=9'h108, R27=9'h14E, R28=9'h1F1,
        R29=9'h137, R30=9'h107, R31=9'h110, R32=9'h103,
        R33=9'h10E, R34=9'h109, R35=9'h100,
        R36=9'h0E1,                            // GMCTRN1
        R37=9'h100, R38=9'h10E, R39=9'h114, R40=9'h103,
        R41=9'h111, R42=9'h107, R43=9'h131, R44=9'h1C1,
        R45=9'h148, R46=9'h108, R47=9'h10F, R48=9'h10C,
        R49=9'h131, R50=9'h136, R51=9'h10F,
        R52=9'h02A, R53=9'h100, R54=9'h100,    // CASET (0..319)
        R55=9'h101, R56=9'h13F,
        R57=9'h02B, R58=9'h100, R59=9'h100,    // PASET (0..239)
        R60=9'h100, R61=9'h0EF,
        R62=9'h029,                            // DISPON
        R63=9'h02C;                            // Memory Write

    function automatic [8:0] rom_read(input [6:0] addr);
        case (addr)
            7'd0:  rom_read = R00;  7'd1:  rom_read = R01;
            7'd2:  rom_read = R02;  7'd3:  rom_read = R03;
            7'd4:  rom_read = R04;  7'd5:  rom_read = R05;
            7'd6:  rom_read = R06;  7'd7:  rom_read = R07;
            7'd8:  rom_read = R08;  7'd9:  rom_read = R09;
            7'd10: rom_read = R10;  7'd11: rom_read = R11;
            7'd12: rom_read = R12;  7'd13: rom_read = R13;
            7'd14: rom_read = R14;  7'd15: rom_read = R15;
            7'd16: rom_read = R16;  7'd17: rom_read = R17;
            7'd18: rom_read = R18;  7'd19: rom_read = R19;
            7'd20: rom_read = R20;  7'd21: rom_read = R21;
            7'd22: rom_read = R22;  7'd23: rom_read = R23;
            7'd24: rom_read = R24;  7'd25: rom_read = R25;
            7'd26: rom_read = R26;  7'd27: rom_read = R27;
            7'd28: rom_read = R28;  7'd29: rom_read = R29;
            7'd30: rom_read = R30;  7'd31: rom_read = R31;
            7'd32: rom_read = R32;  7'd33: rom_read = R33;
            7'd34: rom_read = R34;  7'd35: rom_read = R35;
            7'd36: rom_read = R36;  7'd37: rom_read = R37;
            7'd38: rom_read = R38;  7'd39: rom_read = R39;
            7'd40: rom_read = R40;  7'd41: rom_read = R41;
            7'd42: rom_read = R42;  7'd43: rom_read = R43;
            7'd44: rom_read = R44;  7'd45: rom_read = R45;
            7'd46: rom_read = R46;  7'd47: rom_read = R47;
            7'd48: rom_read = R48;  7'd49: rom_read = R49;
            7'd50: rom_read = R50;  7'd51: rom_read = R51;
            7'd52: rom_read = R52;  7'd53: rom_read = R53;
            7'd54: rom_read = R54;  7'd55: rom_read = R55;
            7'd56: rom_read = R56;  7'd57: rom_read = R57;
            7'd58: rom_read = R58;  7'd59: rom_read = R59;
            7'd60: rom_read = R60;  7'd61: rom_read = R61;
            7'd62: rom_read = R62;  7'd63: rom_read = R63;
            default: rom_read = 9'h000;
        endcase
    endfunction

    // ================================================
    // 電源 ON 後 150ms 待機
    // ================================================
    logic [23:0] poweron_cnt;
    logic        init_start;

    always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            poweron_cnt <= '0;
            init_start  <= 1'b0;
        end else if (poweron_cnt == POWERON_CNT) begin
            init_start <= 1'b1;
        end else begin
            poweron_cnt <= poweron_cnt + 24'd1;
        end
    end

    // ================================================
    // SPI バイト送信器 (Mode 0, MSB ファースト)
    //   tx_cnt[1:0] : 0=MSB 出力, 1=SCK 立上, 2=保持, 3=SCK 立下
    //   tx_cnt[5:2] : ビット番号 0..7
    // ================================================
    logic [7:0] tx_byte;
    logic       tx_dc_reg;
    logic       tx_start;
    logic       tx_busy;
    logic [5:0] tx_cnt;

    always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            lcd_cs   <= 1'b1;
            lcd_sck  <= 1'b0;
            lcd_mosi <= 1'b0;
            lcd_dc   <= 1'b0;
            tx_busy  <= 1'b0;
            tx_cnt   <= '0;
        end else if (tx_start && !tx_busy) begin
            tx_busy  <= 1'b1;
            tx_cnt   <= '0;
            lcd_cs   <= 1'b0;
            lcd_dc   <= tx_dc_reg;
            lcd_sck  <= 1'b0;
            lcd_mosi <= tx_byte[7];
        end else if (tx_busy) begin
            tx_cnt <= tx_cnt + 6'd1;
            case (tx_cnt[1:0])
                2'b00: lcd_mosi <= tx_byte[7 - tx_cnt[5:2]];
                2'b01: lcd_sck  <= 1'b1;
                2'b10: ; // 半周期保持
                2'b11: begin
                    lcd_sck <= 1'b0;
                    if (tx_cnt[5:2] == 4'd7) begin
                        tx_busy <= 1'b0;
                        lcd_cs  <= 1'b1;
                    end
                end
            endcase
        end
    end

    // ===============================================
    // ステートマシン
    // ===============================================
    // ステートマシン (typedef enum古いシミュレータで扱いにくいため
    // localparam の整数で表現する)
    localparam [3:0]
        S_WAIT       = 4'd0,
        S_INIT_TX    = 4'd1,
        S_INIT_WAIT  = 4'd2,
        S_SWRST_DLY  = 4'd3,
        S_SLPOUT_DLY = 4'd4,
        S_FRAME_START= 4'd5,
        S_PIX_CALC   = 4'd6,
        S_PIX_RD     = 4'd7,
        S_PIX_HI_TX  = 4'd8,
        S_PIX_HI_W   = 4'd9,
        S_PIX_LO_TX  = 4'd10,
        S_PIX_LO_W   = 4'd11,
        S_FRAME_END  = 4'd12,
        S_NEXT_FRAME = 4'd13,
        S_BAR_LD     = 4'd14;

    logic [3:0]  state;
    logic [6:0]  init_idx;
    logic [23:0] dly_cnt;
    logic [23:0] frm_cnt;
    logic [CNT_W-1:0] pix_cnt;
    logic [8:0]  col_cnt;
    logic [7:0]  row_cnt;
    logic [15:0] cur_color;
    logic [BUF_AW-1:0] rd_base;

    // ---- 時間軸 ----
    logic [7:0]  spp_r;        // ラッチした 1 列あたりのサンプル数
    logic [2:0]  tb_r;         // 前フレームの tb_sel (変化検出用)
    logic        tb_clr;       // 時間軸が変わった直後の 1 フレームだけ 1

    // ---- 棒グラフの寿命 ----
    logic [7:0]  bar_hold;
    logic        bar_seen;     // bar_fresh をラッチした (更新あり)

    // ---- 棒グラフの高さのスナップショット ----
    //   bar_ram は spectrum 側が約 6.4 ms ごとに書き換えるが、
    //   LCD のフレームは約 148 ms かかる上に走査が行優先
    //   (col_cnt が速い) のため、1 本のバーのピクセルは
    //   フレーム全体に散らばって描かれる。
    //   bar_data を描画中に生で見ると、1 本のバーがフレーム中に
    //   何度も高さを変えて「途中で途切れた」ように見えてしまう。
    //   -> フレーム開始時に全 bin の高さを取り込み、描画はその値だけを使う。
    logic [7:0]  bar_snap [0:BAR_N-1];
    logic [7:0]  bar_cur;      // この列で使うスナップショット値
    logic [5:0]  ld_bin;       // スナップショット読み込み中の bin
    logic [1:0]  ld_ph;        // 0 = アドレス設定, 1 = 待ち, 2 = 取り込み

    // フレーム開始 (S_FRAME_START) の 1 クロック
    wire frame_start_evt = (state == S_FRAME_START);

    // bar_fresh は 1 クロックパルスなので、LCD のフレーム開始
    // (約 160 ms 間隔) でそのままサンプルすると取りこぼす。
    // ここでラッチし、フレーム開始時に消費する。
    //   ※ 消費と同じクロックで来た bar_fresh は残す
    always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n)               bar_seen <= 1'b0;
        else if (frame_start_evt) bar_seen <= bar_fresh;  // 消費
        else if (bar_fresh)       bar_seen <= 1'b1;       // ラッチ
    end

    // フレーム開始時に更新する時間軸 (1 列あたりのサンプル数)
    //   tb_sel = 0 -> 1, 1 -> 2, 2 -> 4, 3 -> 8, ...
    wire [7:0] spp_calc = (TB_SPP0 > 0) ? (8'd1 << tb_sel) : 8'd1;
    wire [7:0] spp_next = (spp_calc > MAX_SPP_C) ? MAX_SPP_C : spp_calc;

    // 読み出したサンプルから波形の Y 座標を求める
    //  16bit 符号付き-> 振幅スケールを掛け、振幅1ビット = 1 px
    //  として中央 (Y_OFFSET) からの変位に変換する。
    //
    //   スケールは 2 の冪で指定する:
    //     AMP_GAIN_SHIFT > 0 : 左シフト (拡大)
    //     AMP_GAIN_SHIFT < 0 : 右シフト (縮小、算術シフトで符号を保持)
    //
    //   左シフト量と右シフト量を分けておくことで、負のシフト量という
    //   未定義動作 (Verilog では禁止) を避けている。
    localparam int AMP_LSH = (AMP_GAIN_SHIFT > 0) ?  AMP_GAIN_SHIFT : 0;
    localparam int AMP_RSH = (AMP_GAIN_SHIFT < 0) ? -AMP_GAIN_SHIFT : 0;

    wire signed [31:0] samp_gain = $signed(rdata) <<< AMP_LSH;
    wire signed [31:0] samp_off  = samp_gain >>> AMP_RSH;
    wire signed [31:0] y_raw    = $signed({23'd0, Y_OFFSET_C}) - samp_off;
    wire        [7:0]  y_wave   = (y_raw < 32'sd0)                        ? 8'd0 :
                                  (y_raw > $signed({24'd0, Y_MAXROW_C}))  ? Y_MAXROW_C :
                                                                           y_raw[7:0];

    // 波形は 1 サンプル = 1 列で描画する。
    // 隣接列とのつながりを良くするため WAVE_THICK px の太さで描く。
    localparam int WAVE_THICK = 3;    // 奇数 (1 = 1px 幅)
    localparam int WAVE_HALF  = WAVE_THICK / 2;
    localparam logic [7:0] WAVE_HALF_C = WAVE_HALF;
    wire [7:0] y_lo = (y_wave < WAVE_HALF_C) ? 8'd0
                                             : (y_wave - WAVE_HALF_C);
    wire [7:0] y_hi = ((y_wave + WAVE_HALF_C) > Y_MAXROW_C) ? Y_MAXROW_C
                                                            : (y_wave + WAVE_HALF_C);

    // 現在の列を描画するサンプル位置
    //   rd_base は「最新サンプル + 1」の位置。
    //   spp = 1 列あたりのサンプル数 (時間軸により変わる)
    //
    //     rd_idx = rd_base - 1 - (spp * LCD_W) + (col * spp)
    //
    //   つまり「最新の (LCD_W * spp) サンプル」を左→右に描画する。
    //   spp = 1 のときは従来と同じ 1 サンプル = 1 列になる。
    //   1 列に複数サンプルがある場合は先頭サンプルを代表値として使う。
    //
    //   col_cnt は 9bit 固定なので BUF_AW 幅へゼロ拡張する。
    //   spp * LCD_W が RAM の深さを超えないよう TB_SEL を選ぶこと
    //   (BUF_AW = 12 -> 4096, LCD_W = 320 なので spp <= 12)。
    wire [BUF_AW-1:0] col_off;
    generate
        if (BUF_AW <= 9) begin : g_col_off
            assign col_off = col_cnt[BUF_AW-1:0];
        end else begin : g_col_off
            assign col_off = {{(BUF_AW-9){1'b0}}, col_cnt};
        end
    endgenerate

    // 描画範囲の幅 (サンプル数) と、列ごとの読み出し間隔
    wire [15:0] spp_span_w = spp_r * LCD_W;
    wire [15:0] col_step_w = col_off * spp_r;

    wire [BUF_AW-1:0] spp_span = spp_span_w[BUF_AW-1:0];
    wire [BUF_AW-1:0] col_step = col_step_w[BUF_AW-1:0];

    wire [BUF_AW-1:0] rd_idx = rd_base - 1'b1 - spp_span + col_step;

    assign rd_addr = rd_idx;

    // ---- 棒グラフの位置 ----
    //   col_cnt は 0..319 なので、商と剰余からバー番号とバー内位置を得る。
    //   BAR_PITCH は 2 の冪でなくても動くよう除算器を使う (合成時に
    //   定数除算として最適化される)。
    wire [8:0] bar_off = col_cnt % BAR_P_C;   // バー内の x 位置
    wire [8:0] bar_n   = col_cnt / BAR_P_C;   // バー番号 (0..)

    // 棒グラフは bar_hold フレームの寿命を持つ。
    //   bar_seen (スペクトラム更新をラッチ) で BAR_HOLD にリセットし、
    //   フレームごとに 1 つ減らして 0 になったら表示しない (消去)。
    //   ※ どのバーを描くかは spectrum 側の bar_ram が 0 かどうかで決まる。
    wire       bar_alive = (bar_hold != 8'd0);
    wire       bar_vis   = BAR_EN && bar_alive && (bar_n < BAR_N);

    // スナップショット配列の安全なインデックス
    //   bar_n が BAR_N 以上のときは 0 を見る (bar_vis が 0 なので使われない)
    wire [5:0] bar_ix = bar_vis ? bar_n[5:0] : 6'd0;

    // ピクセル色 (S_PIX_RD で rdata / bar_data が有効)
    //   重ね順 : BAR_OVER_WAVE = 1 なら
    //              バー > 波形 > 中央線 > グリッド > 背景
    //            BAR_OVER_WAVE = 0 なら
    //              波形 > 中央線 > バー > グリッド > 背景
    //   b_data = 0 のビンはバーを描かない。
    function automatic [15:0] pixel_color(
        input [8:0] x,
        input [7:0] y,
        input [7:0] wy_lo,
        input [7:0] wy_hi,
        input       in_bar,
        input [7:0] b_data
    );
        logic [8:0] h;          // 表示する高さ (BAR_GAIN_SH で増幅)
        logic       in_bar_region;
        begin
            // 内部の高さを表示用に増幅し、画面高以上はクリップする
            //   9bit で扱うことで y >= (BAR_BOT - h) の引き算が
            //   アンダーフローしないようにする。
            h = b_data << BAR_SHF_C;
            if (h > BAR_BOT_9) h = BAR_BOT_9;

            // このピクセルがバー本体の範囲に入っているか
            //   y + h >= BAR_BOT ならバーの中 (下辺からの高さ h 以内)
            in_bar_region = in_bar && (b_data != 8'd0) &&
                            (({1'b0, y} + h) >= BAR_BOT_9);

            if (BAR_OVER_WAVE && in_bar_region)             pixel_color = COL_BAR;
            else if ((y >= wy_lo) && (y <= wy_hi))          pixel_color = COL_WAVE;
            else if (y == Y_OFFSET_C[7:0])                  pixel_color = COL_AXIS;
            else if (in_bar_region)                         pixel_color = COL_BAR;
            else if (x[4:0] == 5'd0)                        pixel_color = COL_GRID;
            else if (y[4:0] == 5'd0)                        pixel_color = COL_GRID;
            else                                             pixel_color = COL_BG;
        end
    endfunction

    always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            state      <= S_WAIT;
            init_idx   <= '0;
            dly_cnt    <= '0;
            frm_cnt    <= '0;
            pix_cnt    <= '0;
            col_cnt    <= '0;
            row_cnt    <= '0;
            cur_color  <= '0;
            tx_start   <= 1'b0;
            tx_byte    <= '0;
            tx_dc_reg  <= 1'b0;
            rd_base    <= '0;
            spp_r      <= 8'd1;
            tb_r       <= '0;
            tb_clr     <= 1'b0;
            bar_hold   <= '0;
            bar_addr   <= '0;
            bar_cur    <= '0;
            ld_bin     <= '0;
            ld_ph      <= 2'd0;
            // bar_seen は専用の always_ff でリセットする
            // (ここで駆動すると multiple driver になる)
            init_done  <= 1'b0;
            frame_tick <= 1'b0;
        end else begin
            tx_start   <= 1'b0;
            frame_tick <= 1'b0;

            case (state)

                // ---- 電源 ON 待機 ----
                S_WAIT: begin
                    if (init_start) begin
                        init_idx <= '0;
                        state    <= S_INIT_TX;
                    end
                end

                // ---- 初期化コマンド/データ送信 ----
                S_INIT_TX: begin
                    if (init_idx < ROM_DEPTH) begin
                        if (!tx_busy && !tx_start) begin
                            {tx_dc_reg, tx_byte} <= rom_read(init_idx);
                            tx_start <= 1'b1;
                            state    <= S_INIT_WAIT;
                        end
                    end else begin
                        init_done <= 1'b1;
                        state     <= S_FRAME_START;
                    end
                end

                S_INIT_WAIT: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        case (tx_byte)
                            8'h01: begin dly_cnt <= '0; state <= S_SWRST_DLY;  end
                            8'h11: begin dly_cnt <= '0; state <= S_SLPOUT_DLY; end
                            default: begin
                                init_idx <= init_idx + 7'd1;
                                state    <= S_INIT_TX;
                            end
                        endcase
                    end
                end

                // SWRESET 後 5ms
                S_SWRST_DLY: begin
                    if (dly_cnt == SWRST_CNT) begin
                        init_idx <= init_idx + 7'd1;
                        state    <= S_INIT_TX;
                    end else begin
                        dly_cnt <= dly_cnt + 24'd1;
                    end
                end

                // SLPOUT 後 120ms
                S_SLPOUT_DLY: begin
                    if (dly_cnt == SLPOUT_CNT) begin
                        init_idx <= init_idx + 7'd1;
                        state    <= S_INIT_TX;
                    end else begin
                        dly_cnt <= dly_cnt + 24'd1;
                    end
                end

                // ---- フレーム開始 ----
                // 書き込みポインタをラッチして描画範囲を固定する。
                // 時間軸 (spp_r) もここでラッチするので、tb_sel の変更は
                // 次フレームから反映される。棒グラフの寿命もここで減らす。
                S_FRAME_START: begin
                    rd_base <= wr_ptr;
                    spp_r   <= spp_next;
                    // 時間軸が変わったら表示が乱れるので、このフレームは
                    // 画面全体をクリアする (tb_clr は 1 フレームだけ 1)
                    tb_clr  <= (tb_r != tb_sel);
                    tb_r    <= tb_sel;

                    // スペクトラムが新しければ寿命を延ばし、
                    // そうでなければ 1 フレーム分減らす。
                    //   bar_seen は bar_fresh をラッチしたものなので、
                    //   FFT (約 5.6 ms) の更新を取りこぼさない。
                    if (bar_seen)       bar_hold <= BAR_HOLD_C[7:0];
                    else if (bar_alive) bar_hold <= bar_hold - 8'd1;

                    pix_cnt <= '0;
                    col_cnt <= '0;
                    row_cnt <= '0;
                    // このフレームで使うバーの高さを取り込む
                    ld_bin   <= '0;
                    ld_ph    <= 2'd0;
                    bar_addr <= '0;
                    state    <= S_BAR_LD;
                end

                // ---- バーの高さのスナップショット ----
                //   bar_addr も bar_data も 1 クロック遅れのレジスタなので、
                //   アドレスを出してから値が返るまで 2 サイクルかかる。
                //     位相 0 : bar_addr に bin を出す
                //     位相 1 : bar_addr -> bar_ram の読み出しを待つ
                //     位相 2 : bar_data が有効。配列に取り込む
                //   1 bin あたり 3 サイクル。64 bin でも 192 サイクル
                //   (≒ 3.8 us) なのでフレーム時間には影響しない。
                //
                //   ここで取り込んだ値をこのフレームの描画にだけ使う。
                //   これでフレーム中に bar_ram が変わっても、1 フレーム内
                //   では 1 つの値だけが使われ、バーが途中で途切れない。
                S_BAR_LD: begin
                    case (ld_ph)
                        2'd0: begin
                            bar_addr <= ld_bin;
                            ld_ph    <= 2'd1;
                        end
                        2'd1: begin
                            ld_ph <= 2'd2;
                        end
                        default: begin
                            bar_snap[ld_bin] <= bar_data;
                            ld_ph <= 2'd0;
                            if (ld_bin == BAR_LAST_C)
                                state <= S_PIX_CALC;
                            else
                                ld_bin <= ld_bin + 6'd1;
                        end
                    endcase
                end

                // ---- 読み出しアドレス設定 ----
                // 時間軸が変わった直後の 1 フレームは画面全体をクリアする。
                //
                // この列で使うバーの高さもここでラッチする。
                //   bar_n = col_cnt / BAR_P_C は除算 (定数除算だが
                //   パイプライン化される) で遅延が大きく、さらに
                //   64 エントリのバー高さ選択が続くため、これらを
                //   pixel_color と同じサイクルに入れるとタイミングが
                //   厳しくなる。ここで 1 度レジスタに取ることで
                //   経路を 2 サイクルに分割する。
                S_PIX_CALC: begin
                    bar_cur <= bar_snap[bar_ix];
                    state   <= S_PIX_RD;
                end

                // ---- 波形 RAM 読み出し待ち (1 サイクル) ----
                S_PIX_RD: begin
                    if (tb_clr) cur_color <= COL_BG;
                    else        cur_color <= pixel_color(col_cnt, row_cnt,
                                                         y_lo, y_hi,
                                                         bar_vis && (bar_off < BAR_W_C),
                                                         bar_cur);
                    state <= S_PIX_HI_TX;
                end

                // ---- 上位バイト送信 ----
                S_PIX_HI_TX: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        tx_byte   <= cur_color[15:8];
                        tx_dc_reg <= 1'b1;
                        tx_start  <= 1'b1;
                        state     <= S_PIX_HI_W;
                    end
                end

                S_PIX_HI_W: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) state <= S_PIX_LO_TX;
                end

                // ---- 下位バイト送信 ----
                S_PIX_LO_TX: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        tx_byte   <= cur_color[7:0];
                        tx_dc_reg <= 1'b1;
                        tx_start  <= 1'b1;
                        state     <= S_PIX_LO_W;
                    end
                end

                // ---- カウンタ更新 ----
                S_PIX_LO_W: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        if (col_cnt == LAST_COL) begin
                            col_cnt <= '0;
                            row_cnt <= row_cnt + 8'd1;
                        end else begin
                            col_cnt <= col_cnt + 9'd1;
                        end

                        if (pix_cnt == LAST_PIX) begin
                            frame_tick <= 1'b1;
                            frm_cnt    <= '0;
                            state      <= S_FRAME_END;
                        end else begin
                            pix_cnt <= pix_cnt + 1'b1;
                            state   <= S_PIX_CALC;
                        end
                    end
                end

                // ---- フレーム間待機 ----
                S_FRAME_END: begin
                    if (frm_cnt == FRAME_WAIT_C)
                        state <= S_NEXT_FRAME;
                    else
                        frm_cnt <= frm_cnt + 24'd1;
                end

                // ---- Memory Write 再発行 -> 次フレーム開始 ----
                // ILI9341 は 0x2C を送るとアドレスポインタが先頭に戻る
                S_NEXT_FRAME: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        tx_byte   <= 8'h2C;
                        tx_dc_reg <= 1'b0;
                        tx_start  <= 1'b1;
                        state     <= S_FRAME_START;
                    end
                end

                default: state <= S_WAIT;
            endcase
        end
    end

endmodule

// lcd_wave.sv
//  ILI9341 SPI LCD コントローラ + 波形描画PMOD-TFTLCD v1.1
//
//  画面構成 (横向き: MADCTL = 0x28)
//
//   描画方式:
//     フレーム開始時に書き込みポインタ (wr_ptr) をラッチし、
//     その (LCD_W * TB_SPP) サンプル前から現在までのデータを
//     左→右に描画する。tb_sel で 1 列あたりのサンプル数 (TB_SPP) を切り替えることで、波形の時間軸を動的に変えられる。
//
//   時間軸 (tb_sel):
//     tb_sel を上げるほど 1 列あたりのサンプル数が増える
//     = より長い時間を表示する (波形は細かく見える)。
//     フレーム開始時にラッチするので、切り替えは次フレームから反映される。
//
//   棒グラフ:
//     bar_n 番目のバーを横幅 BAR_W px で描く。
//     bar_ram は spectrum.sv が持つため、ここでは
//       アドレスを出して 1 クロック後に値を読む (bar_data)。
//     バーの高さは下辺 (LCD_H-1) から上方向に bar_data px。
//
//     棒グラフの表示時間は spectrum 側の BAR_LIFE が決める。
//     ここ (lcd_wave) の BAR_HOLD は、スペクトラム更新 (bar_fresh) が
//     完全に止まったときだけバーを消すための安全網であり、
//     通常動作では表示時間に影響しない。
//     実機では bar_fresh が 6.4 ms ごとに来るので、LCD のフレーム
//     開始 (約 148 ms ごと) には必ず bar_seen = 1 となり
//     bar_hold は BAR_HOLD に戻り続ける。
//
//     bar_fresh はspectrum 側が1クロック幅のパルスで出すため、
//     フレーム開始でサンプルすると取りこぼす。bar_seen に
//     ラッチしてフレーム開始時に見る。
//
//   SPI : Mode 0, SCK = CLK_HZ / 4 (= 12.5 MHz @ 50 MHz)

module lcd_wave #(
    parameter int CLK_HZ = 50_000_000,
    parameter int BUF_AW = 12,           // 波形 RAM アドレス幅
    parameter int LCD_W  = 320,
    parameter int LCD_H  = 240,
    parameter int AMP_GAIN_SHIFT = 0,    // 振幅スケール (2 の冪)
                                         //   > 0 : 2^n 倍に拡大
                                         //   = 0 : 等倍
                                         //   < 0 : 1/2^|n| に縮小
    parameter int FRAME_WAIT = 2_500_000, // フレーム間隔 (50MHz -> 50ms)
    parameter int POWERON_WAIT = 7_500_000, // 電源ON後待機 (50MHz -> 150ms)
    parameter int SWRST_WAIT   = 250_000,   // SWRESET 後待機 (5ms)
    parameter int SLPOUT_WAIT  = 6_000_000, // SLPOUT 後待機 (120ms)
    parameter bit BAR_EN  = 1'b1,       // 棒グラフを描く
    parameter int BAR_W   = 5,          // 1 本の横幅 (px)
    parameter int BAR_N   = 64,         // 表示する本数
    parameter int BAR_HOLD = 20,        // 棒グラフの寿命 (LCD フレーム数)
    parameter int TB_SEL  = 0,          // 時間軸の初期値 (0..TB_N-1)
    parameter int TB_N    = 8,          // 時間軸の段数
    parameter int TB_SPP0 = 1,          // tb_sel = 0 のサンプル数/列
    parameter int BAR_GAIN_SH = 1       // バー表示高さの左シフト量
                                        // (1 で表示高さ 2 倍、0 で等倍)
                                        // 画面高を超えた分はクリップされる
) (
    input  logic               clk,
    input  logic               rst_n,   // 非同期リセット (Low 有効)

    // --- PMOD-TFTLCD ---
    output logic               lcd_cs,  // CS (Low 有効)
    output logic               lcd_dc,  // RS (1=Data, 0=Command)
    output logic               lcd_mosi,// MOSI
    output logic               lcd_sck, // SCK

    // --- 波形 RAM 読み出し ---
    output logic [BUF_AW-1:0]  rd_addr,
    input  logic signed [15:0] rdata,
    input  logic [BUF_AW-1:0]  wr_ptr,  // RAM 書き込みポインタ

    // --- スペクトラム RAM 読み出し ---
    output logic [5:0]         bar_addr, // 表示する bin
    input  logic [7:0]         bar_data, // バーの高さ (1 クロック遅れ)

    // --- 時間軸 / 棒グラフの制御 ---
    input  logic [2:0]         tb_sel,      // 波形の時間軸 (0..TB_N-1)
    input  logic               bar_fresh,   // スペクトラムが更新された (パルス)

    // --- ステータス ---
    output logic               init_done,
    output logic               frame_tick    // 1 フレーム描画完了パルス
);

    // ========================================================
    // 定数
    // SPI バイト送信器は 1 ビットあたり 4 クロック使うため
    // SPI クロック = CLK_HZ / 4 = 12.5 MHz となる。
    localparam int TOTAL_PIX = LCD_W * LCD_H;      // 76800
    localparam int CNT_W     = $clog2(TOTAL_PIX);  // 17

    localparam int Y_CENTER = LCD_H / 2;       // 120
    localparam int Y_OFFSET = Y_CENTER - 1;    // 119 (振幅 0の行)
    localparam int Y_MAXROW = LCD_H - 1;       // 239

    // 定数 (比較用は int のままにしておくとビット幅の切捨て警告が出ない)
    localparam int LAST_PIX = TOTAL_PIX - 1;
    localparam int LAST_COL = LCD_W - 1;
    localparam int LAST_ROW = LCD_H - 1;

    // サイズ付き定数 (演算に使うものだけ幅を明示する)
    localparam logic [23:0]        POWERON_CNT  = POWERON_WAIT;
    localparam logic [23:0]        FRAME_WAIT_C = FRAME_WAIT;
    localparam logic [23:0]        SWRST_CNT    = SWRST_WAIT;
    localparam logic [23:0]        SLPOUT_CNT   = SLPOUT_WAIT;
    localparam logic [8:0]         Y_OFFSET_C   = Y_OFFSET;
    localparam logic [7:0]         Y_MAXROW_C   = Y_MAXROW;

    localparam logic [15:0] COL_BG   = 16'h0000;   // 黒
    localparam logic [15:0] COL_GRID = 16'h1082;   // 暗い緑 (グリッド)
    localparam logic [15:0] COL_AXIS = 16'h4208;   // グレー (中央線)
    localparam logic [15:0] COL_WAVE = 16'h07E0;   // 緑 (波形)
    localparam logic [15:0] COL_BAR  = 16'hFD20;   // 橙 (スペクトラム)

    // ---- 棒グラフのジオメトリ ----
    localparam int BAR_PITCH = (BAR_W > LCD_W / BAR_N) ? BAR_W : LCD_W / BAR_N;
    localparam int BAR_BOT   = LCD_H - 1;      // バーの下辺

    localparam logic [8:0] BAR_W_C  = BAR_W;
    localparam logic [8:0] BAR_P_C  = BAR_PITCH;
    localparam logic [8:0] BAR_BOT_9 = BAR_BOT[8:0];
    localparam logic [7:0] BAR_SHF_C = BAR_GAIN_SH[7:0];
    localparam logic [5:0] BAR_LAST_C = (BAR_N - 1);   // 最後に読み込む bin

    // バーを波形 / 中央線より手前に描くか。
    //   1 : バーが最優先。バーが途切れない (高さを上げても崩れない)
    //   0 : 従来の順 (波形 > 中央線 > バー)。バーの高さが中央線を
    //       超えると波形と中央線がバーを横切って見える
    localparam bit BAR_OVER_WAVE = 1'b1;

    // ---- 時間軸 ----
    //   tb_sel は 0..TB_N-1。値が大きいほど 1 列あたりのサンプル数が
    //   増える (= 長い時間を表示する)。
    //     spp = TB_SPP0 << tb_sel
    //   spp は RAM 深さ / LCD_W 以下にクランプする
    //   (BUF_AW = 12, LCD_W = 320 -> 最大 12)。
    localparam int MAX_SPP_I = (1 << BUF_AW) / LCD_W;
    localparam logic [7:0] MAX_SPP_C = MAX_SPP_I[7:0];

    // ---- 棒グラフの寿命 ----
    localparam int BAR_HOLD_C = BAR_HOLD;

    // ==================================================
    // 初期化シーケンス ROM
    //   bit[8] = 0 : CMD (DC = 0)
    //   bit[8] = 1 : DAT (DC = 1)

    localparam [6:0] ROM_DEPTH = 7'd64;

    localparam [8:0]
        R00=9'h001, R01=9'h011,                // SWRESET, SLPOUT
        R02=9'h03A, R03=9'h155,                // COLMOD  = 0x55
        R04=9'h036, R05=9'h128,                // MADCTL  = 0x28 (横)
        R06=9'h0B1, R07=9'h100, R08=9'h118,    // FRMCTR1
        R09=9'h0C0, R10=9'h123,                // PWCTR1
        R11=9'h0C1, R12=9'h110,                // PWCTR2
        R13=9'h0C5, R14=9'h13E, R15=9'h128,    // VMCTR1
        R16=9'h0C7, R17=9'h186,                // VMCTR2
        R18=9'h026, R19=9'h101,                // GAMMASET = 1
        R20=9'h0E0,                            // GMCTRP1
        R21=9'h10F, R22=9'h131, R23=9'h12B, R24=9'h10C,
        R25=9'h10E, R26=9'h108, R27=9'h14E, R28=9'h1F1,
        R29=9'h137, R30=9'h107, R31=9'h110, R32=9'h103,
        R33=9'h10E, R34=9'h109, R35=9'h100,
        R36=9'h0E1,                            // GMCTRN1
        R37=9'h100, R38=9'h10E, R39=9'h114, R40=9'h103,
        R41=9'h111, R42=9'h107, R43=9'h131, R44=9'h1C1,
        R45=9'h148, R46=9'h108, R47=9'h10F, R48=9'h10C,
        R49=9'h131, R50=9'h136, R51=9'h10F,
        R52=9'h02A, R53=9'h100, R54=9'h100,    // CASET (0..319)
        R55=9'h101, R56=9'h13F,
        R57=9'h02B, R58=9'h100, R59=9'h100,    // PASET (0..239)
        R60=9'h100, R61=9'h0EF,
        R62=9'h029,                            // DISPON
        R63=9'h02C;                            // Memory Write

    function automatic [8:0] rom_read(input [6:0] addr);
        case (addr)
            7'd0:  rom_read = R00;  7'd1:  rom_read = R01;
            7'd2:  rom_read = R02;  7'd3:  rom_read = R03;
            7'd4:  rom_read = R04;  7'd5:  rom_read = R05;
            7'd6:  rom_read = R06;  7'd7:  rom_read = R07;
            7'd8:  rom_read = R08;  7'd9:  rom_read = R09;
            7'd10: rom_read = R10;  7'd11: rom_read = R11;
            7'd12: rom_read = R12;  7'd13: rom_read = R13;
            7'd14: rom_read = R14;  7'd15: rom_read = R15;
            7'd16: rom_read = R16;  7'd17: rom_read = R17;
            7'd18: rom_read = R18;  7'd19: rom_read = R19;
            7'd20: rom_read = R20;  7'd21: rom_read = R21;
            7'd22: rom_read = R22;  7'd23: rom_read = R23;
            7'd24: rom_read = R24;  7'd25: rom_read = R25;
            7'd26: rom_read = R26;  7'd27: rom_read = R27;
            7'd28: rom_read = R28;  7'd29: rom_read = R29;
            7'd30: rom_read = R30;  7'd31: rom_read = R31;
            7'd32: rom_read = R32;  7'd33: rom_read = R33;
            7'd34: rom_read = R34;  7'd35: rom_read = R35;
            7'd36: rom_read = R36;  7'd37: rom_read = R37;
            7'd38: rom_read = R38;  7'd39: rom_read = R39;
            7'd40: rom_read = R40;  7'd41: rom_read = R41;
            7'd42: rom_read = R42;  7'd43: rom_read = R43;
            7'd44: rom_read = R44;  7'd45: rom_read = R45;
            7'd46: rom_read = R46;  7'd47: rom_read = R47;
            7'd48: rom_read = R48;  7'd49: rom_read = R49;
            7'd50: rom_read = R50;  7'd51: rom_read = R51;
            7'd52: rom_read = R52;  7'd53: rom_read = R53;
            7'd54: rom_read = R54;  7'd55: rom_read = R55;
            7'd56: rom_read = R56;  7'd57: rom_read = R57;
            7'd58: rom_read = R58;  7'd59: rom_read = R59;
            7'd60: rom_read = R60;  7'd61: rom_read = R61;
            7'd62: rom_read = R62;  7'd63: rom_read = R63;
            default: rom_read = 9'h000;
        endcase
    endfunction

    // ================================================
    // 電源 ON 後 150ms 待機
    // ================================================
    logic [23:0] poweron_cnt;
    logic        init_start;

    always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            poweron_cnt <= '0;
            init_start  <= 1'b0;
        end else if (poweron_cnt == POWERON_CNT) begin
            init_start <= 1'b1;
        end else begin
            poweron_cnt <= poweron_cnt + 24'd1;
        end
    end

    // ================================================
    // SPI バイト送信器 (Mode 0, MSB ファースト)
    //   tx_cnt[1:0] : 0=MSB 出力, 1=SCK 立上, 2=保持, 3=SCK 立下
    //   tx_cnt[5:2] : ビット番号 0..7
    // ================================================
    logic [7:0] tx_byte;
    logic       tx_dc_reg;
    logic       tx_start;
    logic       tx_busy;
    logic [5:0] tx_cnt;

    always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            lcd_cs   <= 1'b1;
            lcd_sck  <= 1'b0;
            lcd_mosi <= 1'b0;
            lcd_dc   <= 1'b0;
            tx_busy  <= 1'b0;
            tx_cnt   <= '0;
        end else if (tx_start && !tx_busy) begin
            tx_busy  <= 1'b1;
            tx_cnt   <= '0;
            lcd_cs   <= 1'b0;
            lcd_dc   <= tx_dc_reg;
            lcd_sck  <= 1'b0;
            lcd_mosi <= tx_byte[7];
        end else if (tx_busy) begin
            tx_cnt <= tx_cnt + 6'd1;
            case (tx_cnt[1:0])
                2'b00: lcd_mosi <= tx_byte[7 - tx_cnt[5:2]];
                2'b01: lcd_sck  <= 1'b1;
                2'b10: ; // 半周期保持
                2'b11: begin
                    lcd_sck <= 1'b0;
                    if (tx_cnt[5:2] == 4'd7) begin
                        tx_busy <= 1'b0;
                        lcd_cs  <= 1'b1;
                    end
                end
            endcase
        end
    end

    // ===============================================
    // ステートマシン
    // ===============================================
    // ステートマシン (typedef enum古いシミュレータで扱いにくいため
    // localparam の整数で表現する)
    localparam [3:0]
        S_WAIT       = 4'd0,
        S_INIT_TX    = 4'd1,
        S_INIT_WAIT  = 4'd2,
        S_SWRST_DLY  = 4'd3,
        S_SLPOUT_DLY = 4'd4,
        S_FRAME_START= 4'd5,
        S_PIX_CALC   = 4'd6,
        S_PIX_RD     = 4'd7,
        S_PIX_HI_TX  = 4'd8,
        S_PIX_HI_W   = 4'd9,
        S_PIX_LO_TX  = 4'd10,
        S_PIX_LO_W   = 4'd11,
        S_FRAME_END  = 4'd12,
        S_NEXT_FRAME = 4'd13,
        S_BAR_LD     = 4'd14;

    logic [3:0]  state;
    logic [6:0]  init_idx;
    logic [23:0] dly_cnt;
    logic [23:0] frm_cnt;
    logic [CNT_W-1:0] pix_cnt;
    logic [8:0]  col_cnt;
    logic [7:0]  row_cnt;
    logic [15:0] cur_color;
    logic [BUF_AW-1:0] rd_base;

    // ---- 時間軸 ----
    logic [7:0]  spp_r;        // ラッチした 1 列あたりのサンプル数
    logic [2:0]  tb_r;         // 前フレームの tb_sel (変化検出用)
    logic        tb_clr;       // 時間軸が変わった直後の 1 フレームだけ 1

    // ---- 棒グラフの寿命 ----
    logic [7:0]  bar_hold;
    logic        bar_seen;     // bar_fresh をラッチした (更新あり)

    // ---- 棒グラフの高さのスナップショット ----
    //   bar_ram は spectrum 側が約 6.4 ms ごとに書き換えるが、
    //   LCD のフレームは約 148 ms かかる上に走査が行優先
    //   (col_cnt が速い) のため、1 本のバーのピクセルは
    //   フレーム全体に散らばって描かれる。
    //   bar_data を描画中に生で見ると、1 本のバーがフレーム中に
    //   何度も高さを変えて「途中で途切れた」ように見えてしまう。
    //   -> フレーム開始時に全 bin の高さを取り込み、描画はその値だけを使う。
    logic [7:0]  bar_snap [0:BAR_N-1];
    logic [7:0]  bar_cur;      // この列で使うスナップショット値
    logic [5:0]  ld_bin;       // スナップショット読み込み中の bin
    logic [1:0]  ld_ph;        // 0 = アドレス設定, 1 = 待ち, 2 = 取り込み

    // フレーム開始 (S_FRAME_START) の 1 クロック
    wire frame_start_evt = (state == S_FRAME_START);

    // bar_fresh は 1 クロックパルスなので、LCD のフレーム開始
    // (約 160 ms 間隔) でそのままサンプルすると取りこぼす。
    // ここでラッチし、フレーム開始時に消費する。
    //   ※ 消費と同じクロックで来た bar_fresh は残す
    always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n)               bar_seen <= 1'b0;
        else if (frame_start_evt) bar_seen <= bar_fresh;  // 消費
        else if (bar_fresh)       bar_seen <= 1'b1;       // ラッチ
    end

    // フレーム開始時に更新する時間軸 (1 列あたりのサンプル数)
    //   tb_sel = 0 -> 1, 1 -> 2, 2 -> 4, 3 -> 8, ...
    wire [7:0] spp_calc = (TB_SPP0 > 0) ? (8'd1 << tb_sel) : 8'd1;
    wire [7:0] spp_next = (spp_calc > MAX_SPP_C) ? MAX_SPP_C : spp_calc;

    // 読み出したサンプルから波形の Y 座標を求める
    //  16bit 符号付き-> 振幅スケールを掛け、振幅1ビット = 1 px
    //  として中央 (Y_OFFSET) からの変位に変換する。
    //
    //   スケールは 2 の冪で指定する:
    //     AMP_GAIN_SHIFT > 0 : 左シフト (拡大)
    //     AMP_GAIN_SHIFT < 0 : 右シフト (縮小、算術シフトで符号を保持)
    //
    //   左シフト量と右シフト量を分けておくことで、負のシフト量という
    //   未定義動作 (Verilog では禁止) を避けている。
    localparam int AMP_LSH = (AMP_GAIN_SHIFT > 0) ?  AMP_GAIN_SHIFT : 0;
    localparam int AMP_RSH = (AMP_GAIN_SHIFT < 0) ? -AMP_GAIN_SHIFT : 0;

    wire signed [31:0] samp_gain = $signed(rdata) <<< AMP_LSH;
    wire signed [31:0] samp_off  = samp_gain >>> AMP_RSH;
    wire signed [31:0] y_raw    = $signed({23'd0, Y_OFFSET_C}) - samp_off;
    wire        [7:0]  y_wave   = (y_raw < 32'sd0)                        ? 8'd0 :
                                  (y_raw > $signed({24'd0, Y_MAXROW_C}))  ? Y_MAXROW_C :
                                                                           y_raw[7:0];

    // 波形は 1 サンプル = 1 列で描画する。
    // 隣接列とのつながりを良くするため WAVE_THICK px の太さで描く。
    localparam int WAVE_THICK = 3;    // 奇数 (1 = 1px 幅)
    localparam int WAVE_HALF  = WAVE_THICK / 2;
    localparam logic [7:0] WAVE_HALF_C = WAVE_HALF;
    wire [7:0] y_lo = (y_wave < WAVE_HALF_C) ? 8'd0
                                             : (y_wave - WAVE_HALF_C);
    wire [7:0] y_hi = ((y_wave + WAVE_HALF_C) > Y_MAXROW_C) ? Y_MAXROW_C
                                                            : (y_wave + WAVE_HALF_C);

    // 現在の列を描画するサンプル位置
    //   rd_base は「最新サンプル + 1」の位置。
    //   spp = 1 列あたりのサンプル数 (時間軸により変わる)
    //
    //     rd_idx = rd_base - 1 - (spp * LCD_W) + (col * spp)
    //
    //   つまり「最新の (LCD_W * spp) サンプル」を左→右に描画する。
    //   spp = 1 のときは従来と同じ 1 サンプル = 1 列になる。
    //   1 列に複数サンプルがある場合は先頭サンプルを代表値として使う。
    //
    //   col_cnt は 9bit 固定なので BUF_AW 幅へゼロ拡張する。
    //   spp * LCD_W が RAM の深さを超えないよう TB_SEL を選ぶこと
    //   (BUF_AW = 12 -> 4096, LCD_W = 320 なので spp <= 12)。
    wire [BUF_AW-1:0] col_off;
    generate
        if (BUF_AW <= 9) begin : g_col_off
            assign col_off = col_cnt[BUF_AW-1:0];
        end else begin : g_col_off
            assign col_off = {{(BUF_AW-9){1'b0}}, col_cnt};
        end
    endgenerate

    // 描画範囲の幅 (サンプル数) と、列ごとの読み出し間隔
    wire [15:0] spp_span_w = spp_r * LCD_W;
    wire [15:0] col_step_w = col_off * spp_r;

    wire [BUF_AW-1:0] spp_span = spp_span_w[BUF_AW-1:0];
    wire [BUF_AW-1:0] col_step = col_step_w[BUF_AW-1:0];

    wire [BUF_AW-1:0] rd_idx = rd_base - 1'b1 - spp_span + col_step;

    assign rd_addr = rd_idx;

    // ---- 棒グラフの位置 ----
    //   col_cnt は 0..319 なので、商と剰余からバー番号とバー内位置を得る。
    //   BAR_PITCH は 2 の冪でなくても動くよう除算器を使う (合成時に
    //   定数除算として最適化される)。
    wire [8:0] bar_off = col_cnt % BAR_P_C;   // バー内の x 位置
    wire [8:0] bar_n   = col_cnt / BAR_P_C;   // バー番号 (0..)

    // 棒グラフは bar_hold フレームの寿命を持つ。
    //   bar_seen (スペクトラム更新をラッチ) で BAR_HOLD にリセットし、
    //   フレームごとに 1 つ減らして 0 になったら表示しない (消去)。
    //   ※ どのバーを描くかは spectrum 側の bar_ram が 0 かどうかで決まる。
    wire       bar_alive = (bar_hold != 8'd0);
    wire       bar_vis   = BAR_EN && bar_alive && (bar_n < BAR_N);

    // スナップショット配列の安全なインデックス
    //   bar_n が BAR_N 以上のときは 0 を見る (bar_vis が 0 なので使われない)
    wire [5:0] bar_ix = bar_vis ? bar_n[5:0] : 6'd0;

    // ピクセル色 (S_PIX_RD で rdata / bar_data が有効)
    //   重ね順 : BAR_OVER_WAVE = 1 なら
    //              バー > 波形 > 中央線 > グリッド > 背景
    //            BAR_OVER_WAVE = 0 なら
    //              波形 > 中央線 > バー > グリッド > 背景
    //   b_data = 0 のビンはバーを描かない。
    function automatic [15:0] pixel_color(
        input [8:0] x,
        input [7:0] y,
        input [7:0] wy_lo,
        input [7:0] wy_hi,
        input       in_bar,
        input [7:0] b_data
    );
        logic [8:0] h;          // 表示する高さ (BAR_GAIN_SH で増幅)
        logic       in_bar_region;
        begin
            // 内部の高さを表示用に増幅し、画面高以上はクリップする
            //   9bit で扱うことで y >= (BAR_BOT - h) の引き算が
            //   アンダーフローしないようにする。
            h = b_data << BAR_SHF_C;
            if (h > BAR_BOT_9) h = BAR_BOT_9;

            // このピクセルがバー本体の範囲に入っているか
            //   y + h >= BAR_BOT ならバーの中 (下辺からの高さ h 以内)
            in_bar_region = in_bar && (b_data != 8'd0) &&
                            (({1'b0, y} + h) >= BAR_BOT_9);

            if (BAR_OVER_WAVE && in_bar_region)             pixel_color = COL_BAR;
            else if ((y >= wy_lo) && (y <= wy_hi))          pixel_color = COL_WAVE;
            else if (y == Y_OFFSET_C[7:0])                  pixel_color = COL_AXIS;
            else if (in_bar_region)                         pixel_color = COL_BAR;
            else if (x[4:0] == 5'd0)                        pixel_color = COL_GRID;
            else if (y[4:0] == 5'd0)                        pixel_color = COL_GRID;
            else                                             pixel_color = COL_BG;
        end
    endfunction

    always_ff @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            state      <= S_WAIT;
            init_idx   <= '0;
            dly_cnt    <= '0;
            frm_cnt    <= '0;
            pix_cnt    <= '0;
            col_cnt    <= '0;
            row_cnt    <= '0;
            cur_color  <= '0;
            tx_start   <= 1'b0;
            tx_byte    <= '0;
            tx_dc_reg  <= 1'b0;
            rd_base    <= '0;
            spp_r      <= 8'd1;
            tb_r       <= '0;
            tb_clr     <= 1'b0;
            bar_hold   <= '0;
            bar_addr   <= '0;
            bar_cur    <= '0;
            ld_bin     <= '0;
            ld_ph      <= 2'd0;
            // bar_seen は専用の always_ff でリセットする
            // (ここで駆動すると multiple driver になる)
            init_done  <= 1'b0;
            frame_tick <= 1'b0;
        end else begin
            tx_start   <= 1'b0;
            frame_tick <= 1'b0;

            case (state)

                // ---- 電源 ON 待機 ----
                S_WAIT: begin
                    if (init_start) begin
                        init_idx <= '0;
                        state    <= S_INIT_TX;
                    end
                end

                // ---- 初期化コマンド/データ送信 ----
                S_INIT_TX: begin
                    if (init_idx < ROM_DEPTH) begin
                        if (!tx_busy && !tx_start) begin
                            {tx_dc_reg, tx_byte} <= rom_read(init_idx);
                            tx_start <= 1'b1;
                            state    <= S_INIT_WAIT;
                        end
                    end else begin
                        init_done <= 1'b1;
                        state     <= S_FRAME_START;
                    end
                end

                S_INIT_WAIT: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        case (tx_byte)
                            8'h01: begin dly_cnt <= '0; state <= S_SWRST_DLY;  end
                            8'h11: begin dly_cnt <= '0; state <= S_SLPOUT_DLY; end
                            default: begin
                                init_idx <= init_idx + 7'd1;
                                state    <= S_INIT_TX;
                            end
                        endcase
                    end
                end

                // SWRESET 後 5ms
                S_SWRST_DLY: begin
                    if (dly_cnt == SWRST_CNT) begin
                        init_idx <= init_idx + 7'd1;
                        state    <= S_INIT_TX;
                    end else begin
                        dly_cnt <= dly_cnt + 24'd1;
                    end
                end

                // SLPOUT 後 120ms
                S_SLPOUT_DLY: begin
                    if (dly_cnt == SLPOUT_CNT) begin
                        init_idx <= init_idx + 7'd1;
                        state    <= S_INIT_TX;
                    end else begin
                        dly_cnt <= dly_cnt + 24'd1;
                    end
                end

                // ---- フレーム開始 ----
                // 書き込みポインタをラッチして描画範囲を固定する。
                // 時間軸 (spp_r) もここでラッチするので、tb_sel の変更は
                // 次フレームから反映される。棒グラフの寿命もここで減らす。
                S_FRAME_START: begin
                    rd_base <= wr_ptr;
                    spp_r   <= spp_next;
                    // 時間軸が変わったら表示が乱れるので、このフレームは
                    // 画面全体をクリアする (tb_clr は 1 フレームだけ 1)
                    tb_clr  <= (tb_r != tb_sel);
                    tb_r    <= tb_sel;

                    // スペクトラムが新しければ寿命を延ばし、
                    // そうでなければ 1 フレーム分減らす。
                    //   bar_seen は bar_fresh をラッチしたものなので、
                    //   FFT (約 5.6 ms) の更新を取りこぼさない。
                    if (bar_seen)       bar_hold <= BAR_HOLD_C[7:0];
                    else if (bar_alive) bar_hold <= bar_hold - 8'd1;

                    pix_cnt <= '0;
                    col_cnt <= '0;
                    row_cnt <= '0;
                    // このフレームで使うバーの高さを取り込む
                    ld_bin   <= '0;
                    ld_ph    <= 2'd0;
                    bar_addr <= '0;
                    state    <= S_BAR_LD;
                end

                // ---- バーの高さのスナップショット ----
                //   bar_addr も bar_data も 1 クロック遅れのレジスタなので、
                //   アドレスを出してから値が返るまで 2 サイクルかかる。
                //     位相 0 : bar_addr に bin を出す
                //     位相 1 : bar_addr -> bar_ram の読み出しを待つ
                //     位相 2 : bar_data が有効。配列に取り込む
                //   1 bin あたり 3 サイクル。64 bin でも 192 サイクル
                //   (≒ 3.8 us) なのでフレーム時間には影響しない。
                //
                //   ここで取り込んだ値をこのフレームの描画にだけ使う。
                //   これでフレーム中に bar_ram が変わっても、1 フレーム内
                //   では 1 つの値だけが使われ、バーが途中で途切れない。
                S_BAR_LD: begin
                    case (ld_ph)
                        2'd0: begin
                            bar_addr <= ld_bin;
                            ld_ph    <= 2'd1;
                        end
                        2'd1: begin
                            ld_ph <= 2'd2;
                        end
                        default: begin
                            bar_snap[ld_bin] <= bar_data;
                            ld_ph <= 2'd0;
                            if (ld_bin == BAR_LAST_C)
                                state <= S_PIX_CALC;
                            else
                                ld_bin <= ld_bin + 6'd1;
                        end
                    endcase
                end

                // ---- 読み出しアドレス設定 ----
                // 時間軸が変わった直後の 1 フレームは画面全体をクリアする。
                //
                // この列で使うバーの高さもここでラッチする。
                //   bar_n = col_cnt / BAR_P_C は除算 (定数除算だが
                //   パイプライン化される) で遅延が大きく、さらに
                //   64 エントリのバー高さ選択が続くため、これらを
                //   pixel_color と同じサイクルに入れるとタイミングが
                //   厳しくなる。ここで 1 度レジスタに取ることで
                //   経路を 2 サイクルに分割する。
                S_PIX_CALC: begin
                    bar_cur <= bar_snap[bar_ix];
                    state   <= S_PIX_RD;
                end

                // ---- 波形 RAM 読み出し待ち (1 サイクル) ----
                S_PIX_RD: begin
                    if (tb_clr) cur_color <= COL_BG;
                    else        cur_color <= pixel_color(col_cnt, row_cnt,
                                                         y_lo, y_hi,
                                                         bar_vis && (bar_off < BAR_W_C),
                                                         bar_cur);
                    state <= S_PIX_HI_TX;
                end

                // ---- 上位バイト送信 ----
                S_PIX_HI_TX: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        tx_byte   <= cur_color[15:8];
                        tx_dc_reg <= 1'b1;
                        tx_start  <= 1'b1;
                        state     <= S_PIX_HI_W;
                    end
                end

                S_PIX_HI_W: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) state <= S_PIX_LO_TX;
                end

                // ---- 下位バイト送信 ----
                S_PIX_LO_TX: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        tx_byte   <= cur_color[7:0];
                        tx_dc_reg <= 1'b1;
                        tx_start  <= 1'b1;
                        state     <= S_PIX_LO_W;
                    end
                end

                // ---- カウンタ更新 ----
                S_PIX_LO_W: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        if (col_cnt == LAST_COL) begin
                            col_cnt <= '0;
                            row_cnt <= row_cnt + 8'd1;
                        end else begin
                            col_cnt <= col_cnt + 9'd1;
                        end

                        if (pix_cnt == LAST_PIX) begin
                            frame_tick <= 1'b1;
                            frm_cnt    <= '0;
                            state      <= S_FRAME_END;
                        end else begin
                            pix_cnt <= pix_cnt + 1'b1;
                            state   <= S_PIX_CALC;
                        end
                    end
                end

                // ---- フレーム間待機 ----
                S_FRAME_END: begin
                    if (frm_cnt == FRAME_WAIT_C)
                        state <= S_NEXT_FRAME;
                    else
                        frm_cnt <= frm_cnt + 24'd1;
                end

                // ---- Memory Write 再発行 -> 次フレーム開始 ----
                // ILI9341 は 0x2C を送るとアドレスポインタが先頭に戻る
                S_NEXT_FRAME: begin
                    if (!tx_busy && !tx_start) begin
                        tx_byte   <= 8'h2C;
                        tx_dc_reg <= 1'b0;
                        tx_start  <= 1'b1;
                        state     <= S_FRAME_START;
                    end
                end

                default: state <= S_WAIT;
            endcase
        end
    end

endmodule