コンピュータアーキテクチャ
第6回
1
基本的な回路

論理回路 (logic circuit)
– 順序回路 * (sequential circuit)
– 組み合せ回路 * (combinational circuit)

今回のテーマ
– クロック: コンピュータの動作のタイミングを与える
– レジスタ(順序回路)の構成

ラッチ,フリップフロップ
– データの選択/解読回路(組み合せ回路)の構成

マルチプレクサ,3ステートバッファ,デコーダ
2
ハードウェアモデルにおける位置付け
基本的には
フリップフロップ
で構成
*
マルチプレクサ,
3ステートバッファ,
デコーダなど
を用いて構成
*
3
クロック (clock)




コンピュータの動作の基本となる タイミング * を与える信号
ハイレベル * (high level) と ローレベル * (low level) の周期
的なパルス (pulse) を水晶発信器で生成
電圧レベルの確定時刻や電圧の 立ち上がり * (立ち下がり)
に同期して論理回路が動作
クロック周期 = 1 / クロック周波数 *
4
タイムチャート例 (クロックと AND ゲート)
•
clock 波形立ち上がり・立ち下がりはなぜ鋭い?
⇒ 遅れるとシステムの動作タイミングに影響 *
•
その他の波形の立ち上がり,立ち下がりはなぜ緩やか
⇒ ゲートを経由するため遅延が入る *
*
5
D ラッチ (D Latch)


1ビットの 記憶素子 *
1つのデータ入力と,1つまたは2つのデータ出力および
クロック入力を持つ回路 ⇒ 同期式順序回路 *
斜字体:信号
ゴシック体:入出力端子
6
D ラッチの機能


クロックが ハイレベル * のとき,入力データが出力へ伝わる
クロックが ローレベル * のとき,出力はクロックがハイレベル
からローレベルへ換わる直前の出力状態を維持する
*
7
D ラッチの構成

NAND ゲートによる構成 *
8
例題 1
下記のタイムチャートは,D ラッチの機能を表している.
(a), (b), (c), (d) の各時点の状態変化を確認せよ.
9
解答例(1)
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10
解答例(2)
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11
解答例(3)
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解答例(4)
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13
マスタースレイブ型 D フリップフロップ


クロックの 立ち下がり * 時にデータを記憶
次のクロックの立ち下がりまで値を 保持
*
*
14
エッジトリガ型 D フリップフロップ
(edge triggered D flip-flop)


クロックがローレベルからハイレベルに立ち上がる(またはハイレベルか
らローレベルに立ち下がる)瞬間の入力データ値を出力へ伝搬
出力は,クロックの次の立ち上がり(または立ち下がり)まで値を保持する
*
ポジティブエッジトリガのタイムチャート例
15
演習問題 6.1
以下はポジティブエッジトリガ D フリップフロップの構成例である.この構成
によって,クロックの(a)立ち上がり時に入力値が取り込まれ,クロックの(b)
ハイレベル時,(c)立ち下がり時,(d)ローレベル時には出力値が変わらない
ことを確認せよ.ただし,(b), (d) では入力値が変化するものとする.
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書き込み制御・同期リセット機能つき
D フリップフロップ


latch 信号が ハイレベル *のとき入力値が記憶素子に伝播
reset 信号が ハイレベル *のとき記憶値を 0 にリセット
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レジスタ (register)

D フリップフロップ * を複数個使用して構成
4ビットレジスタの構成例
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マルチプレクサ (Multiplexer)



*
複数の信号から1つの信号を選択する 組み合わせ論理回路
各入力が m ビットなら出力も m ビット
別名セレクタ (Selector)
*
19
演習問題 6.2
テキスト p. 115 の演習問題 (2) を参考にして,制御信号 x, y, z について,
以下のような真理値表を持つ 7 入力マルチプレクサを設計せよ.ただし,
ここではインバータと AND ゲートと OR ゲートだけを用いること.
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3 ステートバッファ (tri-state buffer)

出力がハイレベル,ローレベル,高インピーダンス状態をとる
*
21
デコーダ (Decoder)

ある規則にしたがってコード化された値から,コード化する前
の値を取り出す回路
*
デコーダの記号と真理値表
22
演習問題 6.3
テキスト p. 115 の演習問題 (3) を参考にして,以下のような真理値表を
持つ 4 入力 10 出力デコーダを設計せよ.ただし,ここではインバータと
AND ゲートだけを用いること.
23
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パート06