フリップフロップ回路まとめてみた

2023年5月24日 12:26

授業でフリップフロップ回路を学んだが、モヤモヤが残ったので、色々調べてまとめてみた。

イントロダクション

パソコンは二つの方法で情報を記憶してます。コンデンサーを使う方法と回路を使う方法です。

コンデンサーで記憶する場合は、0/1の情報を電気のON/OFFの関係に対応させます。半導体メモリのDRAM(Dynamic RAM)と呼ばれるものです。

一方、回路で記憶する場合は、電圧の高低を情報の0/1の関係と対応させます。半導体メモリのSRAM(Static RAM)と呼ばれるものです。
そして、この時に使われる回路を記憶回路と言います。

記憶回路

記憶するとは、ある(物理的な)状態を保持することだと言い換えられるでしょう。

これを実現するために記憶回路では、出力を再び入力(フィードバック)することで回路に高電圧/低電圧が流れている状態をつくります。

状態を保持するために電流が絶えず流れているのです。

これは入力の組み合わせによって出力が変わる一般的な回路と違う点です。

次に一般的な記憶回路の仕様を確認しましょう。

図１に最も基本的なフリップフロップである、RSフリップフロップを構成する記憶回路を描きました。

ご自分で(S,R)に０,１の入力値をいれて、動作確認をしてみてください。

図２のような真理表になったはずです。

情報が記憶されていることが確認できたでしょうか。これで2進数を表すことができますね。

このように真理表（動作表）を使うと、回路の動作を分かりやすくまとめることができます。

ここで(0,0)が禁止である理由を説明します。入力を（０,０）にすると、出力が前の状態に依らず（１,１）になります。

しかし、記憶回路は両出力が互いに逆であって初めて機能するので、出力を同じにしてしまうのは設計上許容し難いです。

この（１,１）の状態は非安定状態とも呼ばれています。非安定状態とは、Qが高電圧でも低電圧でもなく（電圧の高低は相対的なものでQ=_Qの時、区別ができない）、どのような入力でもこの状態を壊すことができる状態です。

~~記憶回路としては役に立ちませんが、「チャージ増幅器」として実際はとても有効です。~~

なお、NANDゲートをNORゲートに置き換えて同じ回路を作れますが、その場合は結果が反転することに注意しましょう。

クロックパルス

さて、これで情報を記憶することはできましたが、マルチプロセッサのように記憶した情報を使って複雑な計算する場合は、入力・出力の動きを同期させる必要があります。

例えば、三つの入力を加算する回路において、本来(0,1,1)であるはずが、一部の入出力の遅れで(0,0,1)となったら大変ですよね。

そこで、クロックパルスの登場です。

クロックパルスは、高電圧と低電圧の２値をとる周期的なパルス信号です。

単にクロックとも呼ばれます。図３にクロックパルスのつくる方形波を載せました。

さて、クロックパルスが指揮者のように振る舞い、他の回路がタイミングを合わせるわけですが、そうなるとクロックパルスのどこにタイミングを合わせるかが悩ましいところです。

一つの方法としては、ゲート型というものがあります。ゲート型はクロックが1の時は任意の出力を受け入れます。

あたりまえですが、これは同期が難しいのであまり使われません。

実際には、電圧が変化する瞬間に合わせることが多いです。

これをエッジトリガ動作(edge-triggered action)と呼びます。

これらはさらに、立上がり(ポジティブエッジ)か、立下り(ネガティブエッジ)かで、ポジティブエッジ型とネガティブエッジ型に分けられます。

余談ですが、パソコンの性能を表す指標であるクロック数もここからきています。

前述の通り、クロックパルスに同期して情報の取り出しや演算が行われるため、「クロック数が高い＝同じ時間でもより多く演算ができる」ということになり、パソコンの能力に直結するのです。

このクロックパルスによって駆動される記憶回路をフリップフロップと言います。

ただ一部、記憶回路だけをRSフリップフロップと呼ぶ場合もありますが、説明がしやすいので今回は記憶回路とクロックパルスを合わせてフリップフロップと呼ぶことにします。