IT研修 デジタルとは何か
digit2024
内容更新2024/5
このページはインターネットを知る前に、デジタルの本質を知るタイパ最強のHPにします。
福井県工業技術センターで自動化を担当してきた経験を凝縮したいと思います。独自解釈なので学術的でないのはご容赦を。
基本編・・・ まずは前菜から
Ｑ１ アナログとデジタルは何が違うか？
Ａ デジタルが出る前は全てアナログでした。アナログは数直線のように、連続な値を示します。
一方、デジタルは１，２，３・・・の自然数のように、飛び飛びの値を示します。
１と２の間には値は存在しません。
１−２ アナログの電子回路とデジタルの電子回路はどう違うのか？
アナログの電子回路は電圧の値を一定比率で拡大したり、縮小したりして電圧を伝えます。スピーカーのアンプが例です。
一方、デジタルは１か０かの論理を伝えます。実際には、例えば直流５Ｖと０Ｖを論理１と論理０にあてはめ、それを伝えます。
ノイズ等で０Ｖより高くなっても２．５Ｖまでは論理０、それ以上は論理１とします。
この幅があるため、多少ノイズがあっても、正確に論理を伝えることができます。
１−３ 論理を正確に伝えるだけで何ができるの？
ここからがデジタルのすごいところです。
デジタル回路（出力０か１）を複数並べると、２進数の整数になります。８個並べると８ビット（０から２５５までの整数）になります。
例えば、色をデジタルで表現して、Ｒｅｄ＝８ビット、Green＝８ビット、Blue＝８ビットの16777216色で表現したりします。
００００００００＝ ０
０００００００１＝ １
００００００１０＝ ２
００００００１１＝ ３
０００００１００＝ ４
０００００１０１＝ ５
１１１１１１１１＝ ２５５
１−４ 足し算や引き算はできるの？
整数ならできます。デジタル回路編で説明するアダーという回路で加算と減算ができます。
デジタル回路には２入力のものがあり、そのＡＮＤやＯＲやＸＯＲを出力するものがあります。
これらを下図のように組み合わせて、１ビットの加算器が作られます。
キャリーCoutを次のビットのキャリーCinに入れて行けば複数ビットの加算器になります。
１−５ 小数点以下がある場合はどうするの？
小数点以下がある場合は、〇．〇〇×１０＾△という指数表現に変えて計算することができます。
〇．〇〇のところをどこまで細かくするかにより、単精度と倍精度と４倍精度があります。
Ｑ２ デジタル回路ってどんなもの？・・・ここからが面白い
２−１ 論理を伝えるデジタル回路はどんなものがあるの？
デジタル回路は入力が２つ持つことができます。
すると、論理積ANDや論理和ORや排他的論理和XORをつくることができます。
また、１が入ったら１を、０が入ったら０を出力するデジタル回路のことをバッファーと言います
逆に１が入ったら０を、０が入ったら１を出力するデジタル回路のことをインバーターと言います。
ＡＮＤは両方１の時に１、それ以外は０
ＯＲはどうちらかが１なら１、両方０なら０
ＸＯＰは両方が違うなら１、同じなら０
２−２ デジタル回路の内部は？
内部はトランジスタとダイオードと抵抗でできた回路です。規格化されていて、ＴＩ社の７４００シリーズが有名です。
NANDはAND回路＋インバーターです。
Ｑ３ デジタル回路はどう発展してきたの？ メモリーへの道
メモリーはＰＣやスマホでおなじみの記憶装置ですが、その基本は記憶回路から始まります。
３−１ 双安定回路
出力をまた入力へ戻せば、論理０か１の双方が成り立ちます。これが基本の双安定回路です。
３−２ ＲＳフリップフロップ
双安定回路に入力ピンを作ります。SET信号とRESET信号です。
SETとRESETともに１の時は双安定になります。
SETだけが０ですと、出力は１となり、SETが１に戻っても、１を保持します。
RESETだけが０ですと、出力は０となり、RESETが１に戻っても、０を保持します。
つまり、記憶することになります。
３−３ Ｄフリップフロップ ここがポイント！
ＲＳフリップフロップの記録方法は最後にSETかRESETが０になったか決まりますが、これでは使いづらいです。
そこで、クロック信号（ＣＬＫとします）が立ち上がった瞬間の入力信号Ｄ値を記憶する回路が以下になります。
これをＣＬＫ同期とか単に同期を呼びます。大切な技術です。
左側の原理図を見て、ＣＬＫが０か１、Ｄが０か１の場合を追いかけて下さい。
すごいでしょう。これが記憶回路の基本です。
出力はＱで、Ｑのバーはｎｏｔ（Ｑ）です。
右図は７４７４という型番のＩＣです。ＳＥＴのバーとＣＬのバーが追加され、０の時にセットおよびクリアするという意味です。
３−４カウンター
ＣＬＫが立ち上がった数を数える回路です。先ほどのＤフリップフロップを４つ並べます。
下図はクロックが立ち上がる度に、0000⇒0001⇒0010⇒0011⇒0100⇒0101⇒0110⇒0111⇒1000⇒1001・・・とカウントアップします。
ただ、４ビットは五月雨式に変化しますから、Ｄフリップフロップの出力時間（10ns程度）づつ遅れが生じます。
それを改良したのが、同期式カウンターと呼ばれ、７４１６３とかが有名です。
３−５ 発振回路 クロックとも呼ばれます。１と０を一定時間ごとに繰り返します。
トランジスタと抵抗とコンデンサで作れる発振回路が以下の左図です。トランジスタはベース電流が流れるとコレクタ電流が流れるスイッチです。
２つあるトランジスタのどちらかが先にＯＮすると、反対側が強制的にＯＦＦになります。
ＯＮ側のコンデンサが充電されると、それ以上電流が流れなくなりＯＦＦします。すると、反対側のトランジスタがＯＮします。
よって、一定時間ごとにＯＮ・ＯＦＦを繰り返し、出力も１ー０を繰り返します。ＰＣでは、右側の図のように、水晶の圧電効果を使って正確なクロックを作っています。
３−６ データセレクタ 入力データを入れ替える回路です。
上側の図で、信号S＝０のとき出力Y＝A、S＝１のとき出力Y＝B
切り替え信号Ｓで出力が切り替わります。下側はNANDに置き換えた場合で同じです。
３−７ デコーダー コードを分解するという意味
２進数コードを入力し、それに相当するビットだけを１にします。
下図で（A1,A0）＝（０，０）⇒Y0＝１、 （A1,A0）＝（０，１）⇒Y1＝１、・・・以下同様
３−８ ＲＯＭ（ReedOnlyMemory）
１度書き込んだら、読みしかできない記憶回路です。
ＰＣの起動用ＢＩＯＳなど、消えては困るものを書き込みます。
ダイオードがマトリックス状に並んだ部分がデータです。ダイオード通電なら１、ダイオード切断すれば０になります。
例えば、A＝00なら、Y0＝１となり、左端の列のデータがD7〜D0になります。
一方、ＲＡＭ（RandomAccessMemory）は何回でも読み書きできる記憶回路です。
作業用なので、電源を切るとデータは失われます。
ＰＣの8GBメモリーとかのスペックはＲＡＭの容量です。（８ギガバイトと呼びます）回路は割愛
(作業中)Ｑ４ デジタルの頂点ＣＰＵはどんな設計なの？
メインディッシュ登場。ＣＰＵはＰＣの心臓部（CentralProcessingUnit)です。
これがわかっている人は情報の学者さん、システムエンジニアでも極一部。まさに神のみぞ知る？
(作業中)４−１ ハンガリー出身アメリカ人のジョン・フォン・ノイマンという方が考えたノイマン型コンピューター方式というのがあります。
ＲＯＭに書き込んだマイクロプログラムという制御コードをクロックごとに読み出します。
制御コードの各ビットはCPU内のレジスタを選択する信号であったり、書き込むタイミング信号であったりします。
マイクロプログラムROMのアドレスはＣＬＫの度に＋１されますが、最後にリセットすることで０番からの命令フェッチサイクルに入ります。
参考本＝マイクロコンピュータアーキテクチャ オーム社 1982/2/20
(作業中)４−２ デザート１ シーケンス回路とシーケンサー
シーケンス回路はリレーやタイマーを使った電気回路です。信号機の制御であったり、工場の分電盤の中がこれです。
シーケンサーはシーケンス回路をマイコンに置き換えたものです。コンパクトになりますし、プログラムで書き換えできるので汎用的です。
シーケンサーのプログラムはラダープログラムと呼ばれ、シーケンス回路を置き換えたものですが、ノイマン型ライクな記述法を紹介します。
(作業中)４−３ デザート２ ＦＰＧＡとＲＡＭでもマイクロプログラム制御
ロボット言語も作れてしまいます。
参考＝トランジスタ技術２００１年５月号 やってみようディジタル回路 第９章
または、下記リンクの近藤幸治のHP に記事全文を掲載しております。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ りんく ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
IT研修 インターネットはなぜつながるか
作者：近藤幸治のHP
