高度午前 - コンピューター・システム - ハードウェア

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目次 †

概要 †

ハードウェア関連

詳細 †

論理回路 †

論理ゲート †

• 基本となる論理演算を行うもの。
  • AND
  • OR
  • NOT
  • NOR
  • NAND
  • XOR
    片方が真でもう片方が偽の時には結果が真

• 回路記号
  • MIL記号
    • AND
      ビート版
    • OR
      木の実
    • NOT
      三角形の先端に〇
    • NOR
      ORの先端に〇
    • NAND
      ANDの先端に〇
    • XOR
      ORの末端が二重線

• JIS記号

• 参考
  • Wikipedia
    • 論理回路
      https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%AB%96%E7%90%86%E5%9B%9E%E8%B7%AF
    • フリップフロップ
      https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%83%AA%E3%83%83%E3%83%97%E3%83%95%E3%83%AD%E3%83%83%E3%83%97
    • ラッチ回路
      https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%83%83%E3%83%81%E5%9B%9E%E8%B7%AF
    • ANDゲート
      https://ja.wikipedia.org/wiki/AND%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83%88
    • ORゲート
      https://ja.wikipedia.org/wiki/OR%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83%88
    • NOTゲート
      https://ja.wikipedia.org/wiki/NOT%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83%88
    • NORゲート
      https://ja.wikipedia.org/wiki/NOR%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83%88
    • NANDゲート
      https://ja.wikipedia.org/wiki/NAND%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83%88
    • XORゲート
      https://ja.wikipedia.org/wiki/XOR%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83%88

フリップ・フロップ回路 †

• S=セット入力、R=リセット入力

  S┬→ANDゲート→NOTゲート┬→ X
   └←──┐  ┌────←┘
           └─│─┐
   ┌←────┘  └──←┐
  R┴→ANDゲート→NOTゲート┴→ Y

• 初期状態（定常状態）
  • S=1, R=1, （X=0, Y=1）

    10
    11

    1┬→ANDゲート→ 1→NOTゲート┬ 0→ 0
     └← 1──┐  ┌──── 0←┘
               └─│─┐
     ┌← 0────┘  └── 1←┐
    1┴→ANDゲート→ 0→NOTゲート┴ 1→ 1

• セット入力（S=1→0）

• 順次変化１
  • S=0, R=1, X=0, Y=1

    00
    11

    *0┬→ANDゲート→*0→NOTゲート┬ 0→ 0
      └← 1──┐  ┌──── 0←┘
                └─│─┐
      ┌← 0────┘  └── 1←┐
     1┴→ANDゲート→ 0→NOTゲート┴ 1→ 1

• 順次変化２
  • S=0, R=1, X=1, Y=1

    01
    11

    0┬→ANDゲート→ 0→NOTゲート┬*1→ 1
     └← 1──┐  ┌────*1←┘
               └─│─┐
     ┌←*1────┘  └── 1←┐
    1┴→ANDゲート→*1→NOTゲート┴ 1→ 1

• 順次変化３
  • S=0, R=1, （X=1, Y=0）

    01
    10

    0┬→ANDゲート→ 0→NOTゲート┬ 1→ 1
     └←*0──┐  ┌──── 1←┘
               └─│─┐
     ┌← 1────┘  └──*0←┐
    1┴→ANDゲート→ 1→NOTゲート┴*0→*0

• S=1に戻した場合、XYは変化しない。
  • S=1, R=1, X=1, Y=0

    11
    10

    *1┬→ANDゲート→ 0→NOTゲート┬ 1→ 1
      └← 0──┐  ┌──── 1←┘
                └─│─┐
      ┌← 1────┘  └── 0←┐
     1┴→ANDゲート→ 1→NOTゲート┴ 0→ 0

• リセット入力（R=1→0）

• 順次変化１
  • S=1, R=0, X=1, Y=0

    11
    00

     1┬→ANDゲート→ 0→NOTゲート┬ 1→ 1
      └← 0──┐  ┌──── 1←┘
                └─│─┐
      ┌← 1────┘  └── 0←┐
    *0┴→ANDゲート→*0→NOTゲート┴ 0→ 0

• 順次変化２
  • S=1, R=0, X=1, Y=1

    11
    01

     1┬→ANDゲート→*1→NOTゲート┬ 1→ 1
      └←*1──┐  ┌──── 1←┘
                └─│─┐
      ┌← 1────┘  └──*1←┐
     0┴→ANDゲート→ 0→NOTゲート┴*1→*1

• 順次変化３
  • S=1, R=0, X=0, Y=1

    10
    01

     1┬→ANDゲート→ 1→NOTゲート┬*0→*0
      └← 1──┐  ┌──── 1←┘
                └─│─┐
      ┌← 1────┘  └── 1←┐
     0┴→ANDゲート→ 0→NOTゲート┴ 1→ 1

RS-FF †

上記のセット・リセット・フリップ・フロップ（RS-FF）回路の
特性を利用して、SRAMやレジスタに1ビットの情報を保存する。

• いずれも負論理で2状態を表す方式が前提。
  0Vに近い電圧（Low=L）、電源電圧に近い電圧（High=H）とした場合、
  • 0 = L を割り当てるのが正論理（Active High）
  • 1 = L と逆に割り当てるのが負論理（Active Low）

• 電圧をかけて、セット入力（S=1→0）、リセット入力（R=1→0）とする。
  • セット入力（S=1→0）を行うと、X=1, Y=0（セット状態）となる。
  • リセット入力（R=1→0）を行うと、X=0, Y=1（リセット状態）となる。

• 1ビットの情報を保存する。
  • XとYは常に反転した値となる。
  • 電圧を抜いて（S=0→1、R=0→1を行っても）XとYは変化しない。

論理回路の問題 †

チャタリング除去 †

チャタリングとは、機械的な接点が切り替わるときに発生する微小な振動

• ソフトウェア的な手法を使った対策
  状態が安定して一定時間以上続いてはじめて信号が切り替わったと判定するようにする。

• 回路での対策
  • RS型フリップフロップ（SRラッチ）を用いると、
    スイッチ変化を遅延なく読み込むことが出来る。

• 遅延が発生する
  • 出力を二回読む
  • デジタルフィルタで振動成分を除去
  • CR積分回路（ローパスフィルタ）とシュミットトリガ回路などを併用

論理ハザード発生 †

• 論理回路において、理論的に予測される出力とは異なる出力が得られる現象。

• 実際の電子回路では、以下の様な物理条件によって、
  電気信号の伝播時間が遅延して、タイミングが入れ替わる
  • 配線長
  • 周囲の温度
  • 論理素子（NOT, AND, ORゲート）の特徴
  • , etc.

• 参考
  • ハザード (論理回路) - Wikipedia
    https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8F%E3%82%B6%E3%83%BC%E3%83%89_(%E8%AB%96%E7%90%86%E5%9B%9E%E8%B7%AF)

電磁誘導ノイズ †

• 電線に電流が流れると磁界ができ、近くの他の電線に電圧を誘起することにより発生する。

• 以下のケースで大きい電圧を誘起し、ノイズも大きくなる。
  • 2本の電線が近い
  • 平行する距離が長い
  • 電流が大きくまたその変化が激しい

• これを防ぐには、

• 先ず、
  一次側のノイズを低減することであり、ノイズの元を断つ。

• 次に、
  • 電線をできるだけ離すか、並行させない
  • ノイズを受ける側にツイストペア線を使用する。

電力喪失 †

インピーダンスの不整合による反射

• 参考
  • インピーダンス整合 - Wikipedia
    https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%BC%E3%83%80%E3%83%B3%E3%82%B9%E6%95%B4%E5%90%88

マイクロプロセッサ †

• CPU（中央演算処理装置）の同義語
• 厳密に言えば、CPUは構成要素としての処理装置で、1チップセット化された処理装置
• PCのCPU、MPUは、初期のころから1チップセットであったため、両者の違いはないに等しい。

供給クロック数 †

• 問題

• クロックを [1 / 2^n] に分周（周波数を1/nにすること）するだけで
  57.6K bit/秒の通信速度を得るには、クロックを何MHzにするのが最適か？

• ココでは、M -> K なので、2^10 = 1024で分周する。
  （周波数逓倍、分周で生成されるクロックは、2^nになる）

• 前提

• マイコンとシリアル通信ポートのクロック精度は5%以内に収まる事
  57.6 K の±5% = 60.48 - 54.72 K

• マイコンとシリアル通信ポートに使用するクロックを共有するシステム

  [クロック発生器] ─┬→ [マイコン]
                     ↓
                  [分周器]
                     │
                     └→ [シリアル通信ポート] → 伝送線路

• 選択肢
  • 52MHz / 1024 = 50.78KHz
  • 60MHz / 1024 = 58.59KHz 〇
  • 66MHz / 1024 = 64.45KHz
  • 72MHz / 1024 = 70.31KHz

耐タンパ性 †

「集積回路の構造や動作の仕組みの解析」に対する耐性

• 脅威
  • 技術情報漏洩
  • セキュリティ上の問題

• 対応
  • 物理的解析によって内部回路が破壊されるようにする。
  • 検査用パッドが残っていると、解析が行いやすくなる。
  • アドレス・スクランブルでメモリの論理アドレスを複雑/不規則化する。

ESD破壊対策 †

ESD：Electro-Static Discharge（静電気放電）に対する体制を強化する。

メモリ †

SRAM / DRAM †

FeRAM †

• フラッシュメモリ以外の不揮発性メモリ
• フラッシュメモリより書換回数が多く、書換速度も高速

環境発電 †

環境発電（エネルギーハーベスティング）に用いられる。

光電素子 †

光起電力効果（物質に光を照射することで起電力が発生する現象）を利用

熱電変換素子 †

温度センサーとしても利用される。

• ベーゼック効果
  • 金属棒の両端に温度差があると電位差を生じる。
  • 電位差は金属種類によって異なる。

• 電流発生
  • 二種類の金属棒の両端を接合してループを造る
  • 両端に温度差を与えるとループ内に電流が発生する。

焦電素子 †

• 焦電効果
  圧電セラミックスの一種である焦電セラミックスの焦電効果
  （温度変化によって誘電体の分極（表面電荷）が変化する現象）
  を赤外線検出の原理とした焦電型赤外線センサなどがある。
  

• 電圧発生
  また、焦電素子発電にも応用されているらしい。

圧電素子 †

• 圧電効果（ピエゾ効果）
  物質（特に水晶や特定のセラミックス）に圧力（力）を加えると、
  圧力に比例した分極（表面電荷）が現れる現象。

• 電圧発生
  機械エネルギーから、電圧が発生する。

ロータリエンコーダ †

入力軸の回転の変位を内蔵した格子円盤を基準として
デジタル信号として出力する角位置センサ

インクリメンタル形（インクリメンタルエンコーダ †

• 一様なスリットが入った格子円盤を用いたもの。

• 2組の光電素子で検出された信号（A相、B相）が出力される。

• カウンターなどに接続して波形の高低の数を回転方向に応じて加減算することで
  回転の角度を測る。途中に誤動作があれば、誤差はそのまま残る。

• 分解能は、90パルスで1パルス 4度、1パルスはA相、B相で4つに分解できるので1度

アブソリュート形（アブソリュートエンコーダ †

• 格子円盤のスリットに各位置ごとで異なる符号を割り当てたもの。
• その時点時点で経過に関係なく絶対的な角度位置を出力されるのでノイズに強い。
  しかし、分解能を高めるためには桁数（信号線本数）を増やさなければならない。

• 分解能は、10ビットで、2^10 = 1024、360度/1024 = 0.351度

ブラシ付DCモータ †

一般的な構造は、ブラシ付DCモータは、ミニ四駆のモータのような、

• ステータとロータ

• 固定している側をステータ
  2つの永久磁石が固定されている。

• 回転する側をロータ
  3つのコイルが内部中心で回転する。

• 整流子とブラシ ブラシには、外部のDC電源が接続され、
  ブラシ → 整流子 → コイル → ブラシの経路で電流が流れる。

• 回転軸の回りに、3枚の整流子が配置される。
  2つのコイル端に接続された状態で120度（＝ 360°÷3枚）毎
  3つの整流子と3つのコイルは回路網としては環状になっている。

• 2つのブラシは、0°と180°の位置に固定され、
  整流子と接触するようになっている。

回転速度を制御 †

• パルス幅変調（PWM :Pulse Width Modulation）
  • パルス幅を変更することで、回転速度を制御する方式。
  • 制御周期が短い程、安定したモータ駆動が出来る。
    しかし、スイッチングノイズが発生し易くなる。

• リニア制御
  • 抵抗値を変えて、電流を変化させ、回転速度を制御する方式。
  • パルス幅変調（PWM）より電力損失が大きい。

アナログ電圧復調回路 †

パルス幅変調（PWM）で変調された信号をアナログ電圧として復調する回路。

• RC積分回路〇
  https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A9%8D%E5%88%86%E5%9B%9E%E8%B7%AF
• RC微分回路
  https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E5%88%86%E5%9B%9E%E8%B7%AF

その他 †

位相同期回路 †

位相同期回路（PLL :Phase Locked Loop）

RFタグ（RFID） †

• パッシブ方式RFタグ（RFID）
  • リーダ・ライタの電波をアンテナで受信して電力源とするRFタグ（RFID）
  • 電源を持たないので、小型化、低コスト化でき、半永久的に利用できる。

• アクティブ方式RFタグ（RFID）
  • 電源を内蔵し、自ら電波を放射できるRFタグ（RFID）。
  • 長距離の無線通信に適し、数十mの通信も可能だが、大型で高コスト、要交換。