論理回路と制御を読む

フリップフロップは、二つの安定した状態をもち、1ビットの情報を保持できる基本回路です。入力やクロックなどの条件に応じて状態が変化し、その状態を出力として保持します。

複数のフリップフロップを組み合わせることで、レジスタやカウンタなどの順序回路を構成できます。組合せ回路が現在の入力で出力を決めるのに対し、順序回路は保持した過去の状態も出力に影響する点が違います。

フリップフロップは1ビットの状態を保持。

半加算器は、2個の1ビット入力A、Bを加算し、和Sと桁上がりCを出力する回路です。和SはA XOR B、桁上がりCはA AND Bで求めます。

例えばA=1、B=1なら、S=0、C=1となり、2進数の「10」に相当します。XORをANDと取り違えると、AとBが両方1のときの和を誤るため、和と桁上がりの役割を分けます。

半加算器は和=XOR、桁上がり=AND。

フィードバック制御は、出力を測定して目標値との差を求め、その差を小さくするよう入力を調整する制御です。温度を測りながらヒータ出力を変える制御などが例です。

シーケンス制御は、あらかじめ定めた順序や条件に従って動作を進めます。PWM制御は、一定周期などでパルスのオン時間の割合を変え、モータなどへ与える平均的な電力を調整します。出力を戻す、手順を進める、パルス幅を変えるという違いで見分けます。

戻り値・手順・パルス幅で制御を区別。

FPGAは、製造後に利用者が内部の論理回路の構成を設定できる集積回路です。論理ブロックや配線資源などを設定し、用途に応じたディジタル回路を実現できます。

専用回路を固定的に作る方式に比べ、開発後も設計変更へ対応しやすく、試作や少量製品、更新が必要な装置などで利用されます。FPGAはソフトウェアだけを実行する汎用CPUそのものではなく、論理回路の構成を設定して処理を実現する点を押さえます。

FPGAは製造後に論理構成を設定できる。