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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「[[.NET 開発基盤部会 Wiki>http://dotnetdevelopmentinfras...
-[[戻る>高度午前 - コンピューター・システム]]
*目次 [#p47c86e7]
#contents
*概要 [#r85ddf5f]
色々なハードウェア(高度:午前Ⅰ、午前Ⅱ)
*詳細 [#o40edda8]
**論理回路 [#de884e63]
***論理ゲート [#v7eff175]
-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...
---フリップフロップ~
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%83%AA%E3%83%83...
---ラッチ回路~
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%83%83%E3%83%81...
---ANDゲート~
https://ja.wikipedia.org/wiki/AND%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83...
---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...
---NORゲート~
https://ja.wikipedia.org/wiki/NOR%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83...
---NANDゲート~
https://ja.wikipedia.org/wiki/NAND%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%8...
---XORゲート~
https://ja.wikipedia.org/wiki/XOR%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83...
***RSフリップ・フロップ回路 [#n5791550]
-以下の特性を利用して、[[SRAMやレジスタ>高度午前 - コンピ...
-NANDで組んだりNORで組んだりする(ここではNAND型RS-FFを説...
-負論理で2状態を表す~
0Vに近い電圧(Low=L)、電源電圧に近い電圧(High=H)とした...
--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)★ こちら
-状態の変化
--電圧をかけると、以下のような出力で安定する。
---初期状態:電圧をかけて (0, 0) → (1, 1)。
---セット状態:初期状態にセット入力 (1, 0) → (0, 1)。
---リセット状態:初期状態にリセット入力 (0, 1) → (1, 0)。
--電圧を抜いても、状態変化しない。
---(1, 0) → (0, 1)、(1, 1) → (0, 1) ※ 変化しない
---(0, 1) → (1, 0)、(1, 1) → (1, 0) ※ 変化しない
--初回以降、(0, 0)の入力は不定になるのでNG。
**論理回路の問題 [#rfcd4463]
***チャタリング除去 [#gbba266f]
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...
-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...
-回路での対策
--[[RS型フリップフロップ(SRラッチ)>#qea864c5]]を用いる...
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...
***論理ハザード発生 [#lbab7acd]
-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...
-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...
***電磁誘導ノイズ [#j3392192]
-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...
-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 [#heb59a84]
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...
**マイクロプロセッサ [#eacfbb9e]
-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...
-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...
***供給クロック数 [#td75dd89]
-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...
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...
--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...
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...
[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 [#zcfd4690]
2つある。
-機密性を高める手法
--データの暗号化
--逆アセンブル防止
-「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...
***ESD破壊対策 [#y5c7d1de]
ESD:Electro-Static Discharge(静電気放電)に対する体制を...
**[[メモリ>高度午前 - コンピューター・システム - コンピュ...
***[[SRAM / DRAM>高度午前 - コンピューター・システム - コ...
***[[FeRAM>高度午前 - コンピューター・システム - コンピュ...
-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 [#bd2519ec]
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 [#p1378c56]
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...
***熱電変換素子 [#v0e284f5]
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 [#k521d200]
-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 [#ufea671b]
-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...
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 [#odfdcc5e]
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>高度午前 - 基礎...
***インクリメンタル形(インクリメンタルエンコーダ [#h9982...
-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...
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...
-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...
***アブソリュート形(アブソリュートエンコーダ [#xab16f5b]
-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...
-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...
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...
-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 [#o7b10728]
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...
-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 [#cf6c2e83]
-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 [#z6de0a39]
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...
-RC積分回路〇~
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A9%8D%E5%88%86%E5%9B%9E...
-RC微分回路~
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E5%88%86%E5%9B%9E...
**その他 [#i3d9e1aa]
***位相同期回路 [#o246ff93]
位相同期回路(PLL :Phase Locked Loop)
***RFタグ(RFID) [#m342a64b]
-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...
--電源を持たないので、小型化、低コスト化でき、半永久的に...
-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...
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*目次 [#p47c86e7]
#contents
*概要 [#r85ddf5f]
色々なハードウェア(高度:午前Ⅰ、午前Ⅱ)
*詳細 [#o40edda8]
**論理回路 [#de884e63]
***論理ゲート [#v7eff175]
-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...
---フリップフロップ~
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%83%AA%E3%83%83...
---ラッチ回路~
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%83%83%E3%83%81...
---ANDゲート~
https://ja.wikipedia.org/wiki/AND%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83...
---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...
---NORゲート~
https://ja.wikipedia.org/wiki/NOR%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83...
---NANDゲート~
https://ja.wikipedia.org/wiki/NAND%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%8...
---XORゲート~
https://ja.wikipedia.org/wiki/XOR%E3%82%B2%E3%83%BC%E3%83...
***RSフリップ・フロップ回路 [#n5791550]
-以下の特性を利用して、[[SRAMやレジスタ>高度午前 - コンピ...
-NANDで組んだりNORで組んだりする(ここではNAND型RS-FFを説...
-負論理で2状態を表す~
0Vに近い電圧(Low=L)、電源電圧に近い電圧(High=H)とした...
--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)★ こちら
-状態の変化
--電圧をかけると、以下のような出力で安定する。
---初期状態:電圧をかけて (0, 0) → (1, 1)。
---セット状態:初期状態にセット入力 (1, 0) → (0, 1)。
---リセット状態:初期状態にリセット入力 (0, 1) → (1, 0)。
--電圧を抜いても、状態変化しない。
---(1, 0) → (0, 1)、(1, 1) → (0, 1) ※ 変化しない
---(0, 1) → (1, 0)、(1, 1) → (1, 0) ※ 変化しない
--初回以降、(0, 0)の入力は不定になるのでNG。
**論理回路の問題 [#rfcd4463]
***チャタリング除去 [#gbba266f]
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...
-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...
-回路での対策
--[[RS型フリップフロップ(SRラッチ)>#qea864c5]]を用いる...
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...
***論理ハザード発生 [#lbab7acd]
-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...
-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...
***電磁誘導ノイズ [#j3392192]
-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...
-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 [#heb59a84]
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...
**マイクロプロセッサ [#eacfbb9e]
-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...
-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...
***供給クロック数 [#td75dd89]
-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...
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...
--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...
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...
[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 [#zcfd4690]
2つある。
-機密性を高める手法
--データの暗号化
--逆アセンブル防止
-「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...
***ESD破壊対策 [#y5c7d1de]
ESD:Electro-Static Discharge(静電気放電)に対する体制を...
**[[メモリ>高度午前 - コンピューター・システム - コンピュ...
***[[SRAM / DRAM>高度午前 - コンピューター・システム - コ...
***[[FeRAM>高度午前 - コンピューター・システム - コンピュ...
-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 [#bd2519ec]
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 [#p1378c56]
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...
***熱電変換素子 [#v0e284f5]
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 [#k521d200]
-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 [#ufea671b]
-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...
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 [#odfdcc5e]
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>高度午前 - 基礎...
***インクリメンタル形(インクリメンタルエンコーダ [#h9982...
-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...
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...
-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...
***アブソリュート形(アブソリュートエンコーダ [#xab16f5b]
-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...
-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...
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...
-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 [#o7b10728]
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...
-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 [#cf6c2e83]
-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 [#z6de0a39]
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...
-RC積分回路〇~
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A9%8D%E5%88%86%E5%9B%9E...
-RC微分回路~
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E5%88%86%E5%9B%9E...
**その他 [#i3d9e1aa]
***位相同期回路 [#o246ff93]
位相同期回路(PLL :Phase Locked Loop)
***RFタグ(RFID) [#m342a64b]
-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...
--電源を持たないので、小型化、低コスト化でき、半永久的に...
-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...
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