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DNET_AdvancedAMHardware

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nishi_74322014 edited this page Sep 11, 2026 · 1 revision

高度午前 - コンピューター・システム - ハードウェア

概要

色々なハードウェア（高度：午前Ⅰ、午前Ⅱ）

詳細

論理回路

論理ゲート

RSフリップ・フロップ回路

  • 以下の特性を利用して、SRAMやレジスタ
    （高度午前 - コンピューター・システム - コンピュータの該当節を参照）に1ビットの情報を保存する。

  • NANDで組んだりNORで組んだりする（ここではNAND型RS-FFを説明）。

  • 負論理で2状態を表す
    0Vに近い電圧（Low=L）、電源電圧に近い電圧（High=H）とした場合、

    • 0 = L を割り当てるのが正論理（Active High）
    • 1 = L と逆に割り当てるのが負論理（Active Low）★ こちら

  • 状態の変化

    • 電圧をかけると、以下のような出力で安定する。

      • 初期状態：電圧をかけて (0, 0) → (1, 1)。
      • セット状態：初期状態にセット入力 (1, 0) → (0, 1)。
      • リセット状態：初期状態にリセット入力 (0, 1) → (1, 0)。

    • 電圧を抜いても、状態変化しない。

      • (1, 0) → (0, 1)、(1, 1) → (0, 1) ※ 変化しない
      • (0, 1) → (1, 0)、(1, 1) → (1, 0) ※ 変化しない

    • 初回以降、(0, 0)の入力は不定になるのでNG。

論理回路の問題

チャタリング除去

チャタリングとは、機械的な接点が切り替わるときに発生する微小な振動

  • ソフトウェア的な手法を使った対策
    状態が安定して一定時間以上続いてはじめて信号が切り替わったと判定するようにする。

  • 回路での対策

    • RS型フリップフロップ（SRラッチ）を用いると、
      スイッチ変化を遅延なく読み込むことが出来る。

    • 遅延が発生する

      • 出力を二回読む
      • デジタルフィルタで振動成分を除去
      • CR積分回路（ローパスフィルタ）とシュミットトリガ回路などを併用

論理ハザード発生

電磁誘導ノイズ

  • 電線に電流が流れると磁界ができ、近くの他の電線に電圧を誘起することにより発生する。

  • 以下のケースで大きい電圧を誘起し、ノイズも大きくなる。

    • 2本の電線が近い
    • 平行する距離が長い
    • 電流が大きくまたその変化が激しい

  • これを防ぐには、

    • 先ず、
      一次側のノイズを低減することであり、ノイズの元を断つ。

    • 次に、

      • 電線をできるだけ離すか、並行させない
      • ノイズを受ける側にツイストペア線を使用する。

電力喪失

インピーダンスの不整合による反射

マイクロプロセッサ

  • CPU（中央演算処理装置）の同義語
  • 厳密に言えば、CPUは構成要素としての処理装置で、1チップセット化された処理装置
  • PCのCPU、MPUは、初期のころから1チップセットであったため、両者の違いはないに等しい。

供給クロック数

  • 問題

    • クロックを [1 / 2^n] に分周（周波数を1/nにすること）するだけで
      57.6K bit/秒の通信速度を得るには、クロックを何MHzにするのが最適か？

    • ココでは、M -> K なので、2^10 = 1024で分周する。
      （周波数逓倍、分周で生成されるクロックは、2^nになる）

  • 前提

    • マイコンとシリアル通信ポートのクロック精度は5%以内に収まる事
      57.6 K の±5% = 60.48 - 54.72 K

    • マイコンとシリアル通信ポートに使用するクロックを共有するシステム

      [クロック発生器] ─┬→ [マイコン]
                  ↓
               [分周器]
                  │
                  └→ [シリアル通信ポート] → 伝送線路

  • 選択肢

    • 52MHz / 1024 = 50.78KHz
    • 60MHz / 1024 = 58.59KHz 〇
    • 66MHz / 1024 = 64.45KHz
    • 72MHz / 1024 = 70.31KHz

耐タンパ性

２つある。

  • 機密性を高める手法

    • データの暗号化
    • 逆アセンブル防止

  • 「集積回路の構造や動作の仕組みの解析」に対する耐性（★）

    • 脅威

      • 技術情報漏洩
      • セキュリティ上の問題

    • 対応

      • 物理的解析によって内部回路が破壊されるようにする。
      • 検査用パッドが残っていると、解析が行いやすくなる。
      • アドレス・スクランブルでメモリの論理アドレスを複雑/不規則化する。

ESD破壊対策

ESD：Electro-Static Discharge（静電気放電）に対する体制を強化する。

メモリ

SRAM / DRAM

FeRAM

環境発電

環境発電（エネルギーハーベスティング）に用いられる。

光電素子

光起電力効果（物質に光を照射することで起電力が発生する現象）を利用

熱電変換素子

温度センサーとしても利用される。

  • ゼーベック効果

    • 金属棒の両端に温度差があると電位差を生じる。
    • 電位差は金属種類によって異なる。

  • 電流発生

    • 二種類の金属棒の両端を接合してループを造る
    • 両端に温度差を与えるとループ内に電流が発生する。

焦電素子

  • 焦電効果
    圧電セラミックスの一種である焦電セラミックスの焦電効果
    （温度変化によって誘電体の分極（表面電荷）が変化する現象）
    を赤外線検出の原理とした焦電型赤外線センサなどがある。

  • 電圧発生
    また、焦電素子発電にも応用されているらしい。

圧電素子

  • 圧電効果（ピエゾ効果）
    物質（特に水晶や特定のセラミックス）に圧力（力）を加えると、
    圧力に比例した分極（表面電荷）が現れる現象。

  • 電圧発生
    機械エネルギーから、電圧が発生する。

ロータリエンコーダ

入力軸の回転の変位を内蔵した格子円盤を基準として
デジタル信号として出力する角位置センサ
（高度午前 - 基礎理論の該当節を参照）

インクリメンタル形（インクリメンタルエンコーダ

  • 一様なスリットが入った格子円盤を用いたもの。

  • 2組の光電素子で検出された信号（A相、B相）が出力される。

  • カウンターなどに接続して波形の高低の数を回転方向に応じて加減算することで
    回転の角度を測る。途中に誤動作があれば、誤差はそのまま残る。

  • 分解能は、90パルスで1パルス 4度、1パルスはA相、B相で4つに分解できるので1度

アブソリュート形（アブソリュートエンコーダ

  • 格子円盤のスリットに各位置ごとで異なる符号を割り当てたもの。

  • その時点時点で経過に関係なく絶対的な角度位置を出力されるのでノイズに強い。
    しかし、分解能を高めるためには桁数（信号線本数）を増やさなければならない。

  • 分解能は、10ビットで、2^10 = 1024、360度/1024 = 0.351度

ブラシ付DCモータ

一般的な構造は、ブラシ付DCモータは、ミニ四駆のモータのような、

  • ステータとロータ

    • 固定している側をステータ
      2つの永久磁石が固定されている。

    • 回転する側をロータ
      3つのコイルが内部中心で回転する。

  • 整流子とブラシ
    ブラシには、外部のDC電源が接続され、
    ブラシ → 整流子 → コイル → ブラシの経路で電流が流れる。

    • 回転軸の回りに、3枚の整流子が配置される。
      2つのコイル端に接続された状態で120度（＝ 360°÷3枚）毎
      3つの整流子と3つのコイルは回路網としては環状になっている。

    • 2つのブラシは、0°と180°の位置に固定され、
      整流子と接触するようになっている。

回転速度を制御

  • パルス幅変調（PWM :Pulse Width Modulation）

    • パルス幅を変更することで、回転速度を制御する方式。
    • 制御周期が短い程、安定したモータ駆動が出来る。
      しかし、スイッチングノイズが発生し易くなる。

  • リニア制御

    • 抵抗値を変えて、電流を変化させ、回転速度を制御する方式。
    • パルス幅変調（PWM）より電力損失が大きい。

アナログ電圧復調回路

パルス幅変調（PWM）で変調された信号をアナログ電圧として復調する回路。

その他

位相同期回路

位相同期回路（PLL :Phase Locked Loop）

RFタグ（RFID）

  • パッシブ方式RFタグ（RFID）

    • リーダ・ライタの電波をアンテナで受信して電力源とするRFタグ（RFID）
    • 電源を持たないので、小型化、低コスト化でき、半永久的に利用できる。

  • アクティブ方式RFタグ（RFID）

    • 電源を内蔵し、自ら電波を放射できるRFタグ（RFID）。
    • 長距離の無線通信に適し、数十mの通信も可能だが、大型で高コスト、要交換。

移行メモ

  • 熱電変換素子の「ベーゼック効果」→「ゼーベック効果」に正した。
  • チャタリング除去の「RS型フリップフロップ（SRラッチ）」は、 元 Wiki のページ内アンカ（#qea864c5）がページ内に存在しなかったため、 同ページの「RSフリップ・フロップ回路」へのリンクに直した。
  • 元 Wiki の行頭空白によるクロック構成図は、 フェンス付きコードブロックにした。
  • 元 Wiki で見出しそのものが他ページへのリンクになっていた箇所 （「メモリ」「SRAM / DRAM」「FeRAM」）は、 GitHub Wiki では見出しからアンカが生成されるため、 見出しをプレーン・テキストとし、リンクは直下の本文に置いた。
  • PukiWiki のページ内アンカ（#xxxxxxxx）は GitHub Wiki では再現できないため、 同一ページ内のアンカは見出しから生成されるアンカに張り替え、 他ページのアンカを指すリンクは「〜（ページ名 の該当節を参照）」の形に置き換えた。
  • 未移行のページはファイル名を予約し、TODO.md に記録した。

Tags: 移行, 資格, 高度午前, ハードウェア, 論理回路, 論理ゲート, フリップフロップ, チャタリング, 耐タンパ性, 環境発電, ロータリエンコーダ, DCモータ, PWM, RFID

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