ロジックICで作った演算器、命令デコーダ、レジスタ、カウンタなどを組み合わせればCPUが出来上がります。1970前後のミニコンはこのような部品で作られたコンピュータでした。
ならば複数のICを一つにまとめようとするのは自然の流れです。ディスクリート部品で作られたコンピュータを使ってICを作り、ICで作られたコンピュータを使ってLSIを作る。
このようにして画期的な集積回路マイクロプロセッサが誕生しました。
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コンピュータの仕組み19
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コンピュータの仕組み18
論理回路で使われるICをいくつか見てみましょう。
74シリーズの00番は4bitのNANDです。最初にICにしたいのはNAND回路だったのですね。
次に末尾一桁の番号のICは6個入りNOT回路です。インバータと呼ばれます。
フリップフロップが二つ入ったICです。だんだん複雑な論理回路がICになってきました。
4bitのカウンターということは最低でもFFが4つ入っています。もうディスクリート部品で組むのが大変な回路になってきました。
これは7セグメントLEDを制御するためのICです。このように特定の用途の論理回路も汎用化されICになっています。
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コンピュータの仕組み17
他コンピュータの重要な演算機能としてシフト演算があります。ビットの列を右や左にずらしていく回路でFFで構成されます。
このように基本的な論理回路である、NOT、NAND、NORを組み合わせて様々なビット演算を回路で作り、それをまとめて集積するとCPUやメモリー等のコンピュータ部品になります。
今まで実験でリレーや真空管、ディスクリートトランジスタを使って仕組みの理解を進めてきました。これからはもっと実用的な装置にしようと思いますのでICを使っていきます。
初期のコンピュータはリレーや真空管が実際に使われていました。その頃は軍や国家レベルの大きな事業でしたので個人で最低限であっても実用的なコンピュータを作ることは現代であっても不可能です。
その後トランジスタが発明され電子装置が徐々にトランジスタに置き換わっていきます。トランジスタであれば個々の電力消費が少なく現代では部品単価も廉価なので個人でも手が出せます。実際にディスクリートトランジスタを使ってCPUを作っている方がネットを探すと出てきます。ただ、数千、数万単位の部品で装置を組み上げていくには強靭な気力を要しますので命懸けの仕事と思へ諦めざるを得ません。
そこで登場するのがICです。1960年前後にアメリカで発明されたこの部品はコンピュータを個人にもたらした偉大な発明だと思います。
TTLやマイコンを使って色々実験しようとしている中でポケコンがあったらもっと実験の幅が広がると思いネットで購入しようとしたのですがとっくに製造中止になっていました。
ネットで調べているうちにデジタル回路を関数電卓で制御できるようなことが解りました。
いつ頃何の目的で買ったか忘れましたが関数電卓を持っていたのを思い出しました。
HP 50gは値段の割に随分高性能でTTL信号を出力できるようです。この電卓も既に製造中止ですがネット上に情報が豊富にあります。
回路制御に使うには乗り越えなければならないハードルがいくつもありますが死蔵させるにはもったいないので少しずつでも動かしていきたいです。
2023.05.15
ChatGPTに聞いてみた。
User
HP 50g Graphing Calculatorは何ですか。
ChatGPT
HP 50g Graphing Calculatorは、ヒューレット・パッカード（HP）が製造しているグラフ電卓です。この電卓は、高度な計算、グラフィックス、およびプログラミング機能を備えており、数学、科学、工学、およびその他の分野で広く使用されています。HP 50gは、逆ポーランド記法（RPN）および代数的な入力モードをサポートしており、カスタム関数やプログラムの作成が可能です。また、USBポートやSDカードスロットを搭載しており、ファイルの転送やバックアップも容易に行えます。
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SN74LS181N
ChatGPTに聞いてみた。
User
SN74LS181Nは何ですか。
ChatGPT
SN74LS181Nは、TI（Texas Instruments）が製造する4ビットアリステアック（アリステアック・アリスティック）演算回路ICです。アリステアック演算回路は、数値の加算、減算、論理演算、シフト演算、比較演算など、様々な演算を行うための論理回路です。SN74LS181Nは、4つの2入力論理演算器、2つの4入力データセレクタ、および1つの4ビットのフルアダーを含みます。SN74LS181Nは、高速動作、低消費電力、広い動作電圧範囲などの特徴を持ち、コンピュータや制御システム、セキュリティシステムなど、幅広いアプリケーションに使用されます。
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コンピュータの仕組み16
石川町駅近くのシンコー電機でリールで売っているトランジスタを購入しました。1,000個で1,000円、表面実装用なので小さいですが実験用なので十分です。
ChatGPTに聞いてみた。
2SD1119-Qは、オーディオアンプ、スイッチング回路、および電源回路など、幅広い用途に使用できるNPNのシリコントランジスタです。最大電力は1.2Wまで、最大コレクタ-エミッタ電圧は60V、最大コレクタ電流は1Aまで扱えるため、低～中電力のアプリケーションに適しています。また、SOT-89パッケージに収められているため、小型化が可能であり、スペースの制約のあるアプリケーションでも使用できます。
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コンピュータの仕組み15
フリップフロップのことをFFと略します。。上図のように四角い記号で描かれます。今後は呼び名はFF、記号は四角いのをを使用します。
FFは以前記憶する回路として登場していますが、その状態を記憶する性質を使って数を数えることができます。コンピュータの中ではこれをカウンターと呼びます。
カウンターは最初の図のRS型のFFではできません。JK型のFFを使います。JK型のFFにはクロック信号を入力する端子があり、クロック信号毎にカウンターをアップします。
ですが、少し回路が複雑で大変そうなのでもう少し調べました。
JK型より簡単なD型フリップフロップという回路がありました。これでもカウンターを作れます。
D型フリップフロップは4個のトランジスタで作れるので4ビットのカウンターを作るためには16個のトランジスタが必要です。チップタイプの2SD1119が1000個もあるので今度実験してみます。
と言う訳で早速実験してみました。取り敢えず手持ちのNPNトランジスタを並べて4個のFFを作ります。同じトランジスタがないのでバラバラで格好は良くありませんがなんとかFFが4個できました。型が同じトランジスタでも結構hfeにばらつきがあり調整が面倒でしたが手持ち抵抗と勘案して抵抗値を低めに寄せてあります。
しかしカウンターとしては全くダメな結果でした。FFとしては4個それぞれ動いたのですがFFどうしをつなぐと全然ダメでした。部品数を減らすためになるべく簡単な回路で挑んだのですが失敗に終わったのです。
それでもう一度NAND回路から見直し少し本格的にしました。NAND一つでこれだけの部品になります。
一つのFFでこの規模になってしまいました。これではとても4ビットカウンターには辿り着けそうもありません。
実用的な回路図をネットで探して見つけたのが「TTLアプリケーションマニュアル」テキサスインスツルメンツアジアリミテッド、昭和47年9月15日発行です。そこにFFやカウンターの回路図が載っています。上にあるような単純な代物ではありません。雑音や温度、不良な電源をも考慮された回路なのでしょう。
でも二つ大きなことが解りました。
一つはトランジスタのhfeにはかなりばらつきがありスイッチングだからといってギリギリで設計してはいけない。
もう一つはネットや書籍に載っている論理回路は動作を説明するために抽象化されているので実用性は無いと言うことです。
アナログ回路に比べるとデジタル回路が簡単に見えるのはONとOFFのスイッチングだけだからではなく調整が必要なことをICが中で殆どこなしているいるからだと気付かされました。
ディスクリート部品で組み立てようと思ったらアナログ回路に負けない程に難しい実装が待ち受けています。
だからコンピュータを作るためには集積回路がどうしても必要になります。
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コンピュータの仕組み14
NANDのみで構成した排他的論理和です。排他的論理和は二つの入力の状態が同じであればLow、異なればHighを出力します。早速、追ってみましう。
入力A、Bが共に0の時、
NandA=1
NandBa=0
NandBb=1
NandB=1
NandCa=1
NandCb=0
NandC=1
NandDの入力が共に1になるので
Q=0
入力A、Bが共に1の時、
NandA=0
NandBa=1
NandBb=0
NandB=1
NandCa=0
NandCb=1
NandC=1
NandDの入力が共に1になるので
Q=0
入力A=0、B=1の時、
NandA=1
NandBa=0
NandBb=1
NandB=1
NandCa=1
NandCb=1
NandC=0
NandDの入力が1と0なので
Q=1
入力A=1、B=0の時、
NandA=1
NandBa=1
NandBb=1
NandB=0
NandCa=1
NandCb=0
NandC=1
NandDの入力が0と1なので
Q=1
排他的論理和は論理演算の勉強をしていると必ず出てきますが具体的に何に使うかわかっていません。この機会に明らかにしようと思います。
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コンピュータの仕組み13
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コンピュータの仕組み12
実際の半導体電子部品で論理回路を作ってみました。一番部品数の少ないNot回路を二つ作り連結します。一つのNot回路で電子部品での論理回路の作り方を学びそれを連結することにより論理回路から論理回路へ状態を伝える方法も同時に学びます。
IC内ではFETが主なのでFETで作ろうと思い実験を重ねたのですが手持ちのFETがPチャンネルだけったのでマイナスの電圧を扱うのが難しいのとOFFの時の電圧がどうしてもあまり低くならないので諦めトランジスタに切り替えました。素人の私にはNPNトランジスタが使いやすくて良いです。
S1をHighとLowに切り替えると各電圧測定ポイントに接続されたテスターで読み取れる回路です。
電流を極力流さないで実験したかったので動作ギリギリの4.7kと47kを使い電源電圧は5Vとします。
S1がGNDに落ちている時の計測結果です。右から入力Low、Not1出力High、Not2入力High、Not2出力Lowとなっています。
S1が5Vの時の計測結果です。右から入力High、Not1出力Low、Not2入力Low、Not2出力Highとなりました。
トランジスタを使えばすごく簡単に論理回路ができ一つの論理回路から次の論理回路へ状態を伝達することができました。
ChatGPTに聞いてみた。
User
TC4069UBPは何ですか。
ChatGPT
TC4069UBPは、東芝（Toshiba）が製造するCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）ファミリーのロジックIC（Integrated Circuit）の1つで、6個のNOTゲートが内蔵されています。
TC4069UBPは、入力レベルの電圧範囲が0V～15Vであり、動作電圧は3V～15Vであるため、広範囲な電源電圧で使用できます。また、消費電力が低く、ノイズ耐性が高いことが特徴です。
TC4069UBPは、各NOTゲートの入力端子に1つの入力を持ち、その出力は入力の否定（NOT）を出力します。そのため、論理回路の基本的な構成要素の1つであり、デジタル回路設計において広く使用されています。また、TC4069UBPは、スイッチング回路や波形整形回路などのアプリケーションにも適しています。
ChatGPTに聞いてみた。
User
SN74S00Nは何ですか。
ChatGPT
SN74S00Nは、テキサス・インスツルメンツ（Texas Instruments）が製造する、TTL（Transistor-Transistor Logic）ファミリーのロジックIC（Integrated Circuit）の1つで、4個のNANDゲートが内蔵されています。
SN74S00NのSは、高速（Schottky）の意味で、シュミットトリガ機能を持ち、高速動作が可能であることが特徴です。また、入力レベルの電圧範囲は0V～5.5Vで、動作電圧は4.5V～5.5Vであるため、5Vのデジタル回路に最適です。
SN74S00Nは、各NANDゲートの入力端子に2つの入力を持ち、その出力は2つの入力の論理積（AND）の否定（NOT）を出力します。そのため、論理回路の基本的な構成要素の1つであり、デジタル回路設計において広く使用されています。
ChatGPTに聞いてみた。
User
2SK40は何ですか。
ChatGPT
2SK40は、NチャネルMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）の1つで、スイッチング回路やアンプ回路など、さまざまな用途で使用されます。
このMOSFETは、ゲート電圧によってドレインとソース間の電気抵抗が変化することで、電流を制御します。また、2SK40は、最大ドレインソース電圧が60V、最大ドレイン電流が600mA、最大パワーが625mWという特性を持っています。
2SK40は、TO-92と呼ばれるパッケージに収められており、取り扱いが容易で、実装もしやすいため、広く使用されています。なお、MOSFETは、バイポーラトランジスタと比較して、入力インピーダンスが高く、消費電力が低く、スイッチング速度が速いという特性を持っています。
ホームセンターでもアナログテスターが売っているのを最近見たのですが今時誰がアナログテスターを買うのだろうと少し不思議に感じていました。
小さなデジタルテスター一つしか持っていなかったのでもう一つ買おうと思い少しグレードの高い真の実効値が測れるデジタルテスターを手に入れました。業務用にはもっと高級な測定器がありますが私には不相応と思い安めのものにしました。
どうせ配送されるならついでにアナログテスターも一緒に買いました。数十年振りに手にしたこのアナログテスターは無骨感溢れる中、繊細な針で状態を指し示すことができる優れものに違いありません。
早速トランジスタでNot回路を作っている時に使ってみましたところ、デジタルにはない良さに改めて気付かされました。電圧を測っている時はテスターの内部電源を使わないのでオートパワーオフを気にしなくて良いのです。たったそれだけですが作業中はとてもありがたいです。
なぜ今でもアナログテスターが使われているのか理由の一つがわかりました。電圧・電流の測定にテスターの内部電源を使わないので使いやすいからです。
http://www.mothertool.co.jp/products/detail/164
マザーツールの製品情報や販売店の商品説明には232Cでパソコンと接続できるとありますが実際にはUSBでつなぐケーブルが付属していました。まだ実際に接続していませんが良かったです。
今時232Cが付いているPCは普通持っていないと思います。変換ケーブルを買わなくて済みました。人によっては大事な機能なので製品情報の更新をお願いしたいです。
この価格帯でパソコン接続できる機種は国産には無いので結構差別化になると思うのですがあまり関心がないのでしょうか。