(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第１４４回］
●あれま。ヒゲがある…
本日はＣＰＵクロック回路のお話です。
ＣＰＵクロックについては［第１３７回］で説明をしました。
そのあと、続きを書くつもりだったのですが、だんだん軌道がずれていってしまって、なかなか戻ることができませんでした。
ＣＰＵクロックについては、回路としては、［第１３７回］で説明をした内容が全てなのですが、出力されるクロック波形について、お話しておかなければならないことがあります。
それが、今回のテーマ、「ヒゲ」について、です。
ヒゲがある、と言いますと、その昔の、「ウチの女房にゃヒゲがある」などという歌を思い出します。
想像するだに、身の毛がよだつ、まことに恐ろしい歌で…（ンなわけはないです。お若い方はご存知ないかと思いますが、お年を召した方なら一度や二度はお聞きになったことがお有りかと思います。コミカルな歌です）。
歌はコミカルなものなのですが、こちらのヒゲは、ときとして誤動作の原因ともなるやっかいなものです。
下の写真の矢印が問題のヒゲです。
スイープを拡大してみました。
うーん。１０ｎｓ近くはありそうですね。
どうしてこんなヒゲが出来てしまったのでしょうか。
マシンクロック発生回路です。［第１３７回］でもお見せした回路図です。
オシロスコープの写真の上側（ＣＨ１）の波形は、回路図の①です。
下側（ＣＨ２）のヒゲのある波形は、回路図の②～⑥で見られました。
●同期カウンタと非同期カウンタ
「つくるＣＰＵ」では、このマシンクロック回路で使っているカウンタ７４ＨＣ１６１のほかにも、ＰＣ（プログラムカウンタ）回路では７４ＨＣ１９３を、そしてＩＮＣ／ＤＣＲ回路では７４ＨＣ１９１というカウンタを使っていますが、いずれも同期（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ）カウンタといわれる種類のカウンタです。
参考までに、７４ＨＣ１６１のｄａｔａｓｈｅｅｔをお見せします。
●７４ＨＣ１６１のデータシート（部分）です
［出典］Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社ＳＮ７４ＨＣ１６１ｄａｔａｓｈｅｅｔ
●非同期カウンタと「ヒゲ」
これらの同期カウンタに対して、その昔の定番だった１０進カウンタ７４ＬＳ９０や１６進（バイナリ）カウンタ７４ＨＣ９３は非同期カウンタです。
かってカウンタＩＣの代表格だった、この２つのＩＣも今では定番から外れてしまいました。
時代が変わったなあ、としみじみ感じます。
実はこの同期、非同期と「ヒゲ」とは深い関わりがあります。
同期カウンタは出力のビット信号が同時に変化します。ですから「同期」カウンタです。
非同期カウンタは、出力にわずかな遅延があって、同時には変化しません。
非同期カウンタは単なるカウンタとして使う分には問題はないのですが、クロック周波数の高いロジック回路で使うときには注意が必要になります（そういうこともあって、７４ＨＣ９３などが使われなくなったのかも知れません）。
どういうことなのか、その説明は、今は使われなくなった７４ＨＣ９３などを引き合いに出すよりも、今回のマシンクロック回路で説明する方が、より具体的でよいと思います。
ちょっと待ったぁ。
ついさっき、「つくるＣＰＵ」の回路では同期カウンタを使っているって、言ったじゃないのぉ？
どこに非同期カウンタが出てくるって言うの？
もう一度、さきほどの、「マシンクロックの回路図」を見てください。
７４ＨＣ１６１は同期カウンタですけれど、出力ビットが４ビットしかありません。
今回の回路としてはもう１ビット欲しいので、不足する１ビットをＤフリップフロップ７４ＨＣ７４を利用して追加しています。
７４ＨＣ７４の出力（Ｑｅ）は、７４ＨＣ１６１の出力（Ｑａ～Ｑｄ）とは同期がとれていません。
７４ＨＣ１６１の出力を受けて、それから出力するために、どうしてもほんのわずか、遅れてしまいます。
ですから、ここが非同期なのです。
同期カウンタを使って４ビット以上の出力を「同期」して得るための回路方法もあるのですが、今回はわずか１ビットの追加なので、「ま、いいか」てな感じで、手抜き回路です。
やっぱり、余り良くはなかったみたい、です。
「非同期」だと、なぜ、ヒゲが出てしまうのか？
タイミングチャートで説明します。
下のタイミングチャートは、「マシンクロック回路」の７４ＨＣ１９１からの出力Ｑａ～Ｑｄと７４ＨＣ７４からの出力Ｑｅと、それを受けて７４ＨＣ２３８から出力される、Ｔ０～Ｔ２３、Ｍ０～Ｍ７、Ｗ０～Ｗ７の各波形を示したものです。
ＱｅはＱａ～Ｑｄよりも少しだけ遅れて変化します。その様子を強調して示してあります（青色矢印の部分）。
ＱｅがＱａ～Ｑｄよりも遅れることによって発生するヒゲを赤矢印で示してあります。
またヒゲではありませんが、逆にＱｅの遅れによって、本来の出力パルス幅よりも幅が狭くなってしまう部分を緑矢印で示しました。
たとえばＴ０はＱｅ～Ｑａが０００００のときにＨになります。それ以外のタイミングではＨ出力はないはずです。
ところが、本当はＱｅ～Ｑａが１００００なので出力されないタイミングなのに、Ｑｅが遅れて立ち上がるために、ほんのわずか０００００の期間が発生してしまい、そのときヒゲが出力されてしまいます。
同様に、Ｔ１６はＱｅ～Ｑ０が１００００のときにＨになります。それ以外のタイミングではＨ出力はないはずです。
ところが、本当は０００００なので出力されないはずなのに、Ｑｅが少し遅れて立ち下がるために、ほんのわずか１００００の期間が発生してしまい、そのときにヒゲが出力されてしまいます。
どんな場合でもヒゲが出てしまうかというと、そんなことは無くて、Ｑｅの遅れの影響を受けない出力もあります。
上のタイミングチャートの出力波形で、赤矢印がついていない出力ラインはＱｅの遅れの影響をうけない出力です。
２番目の７４ＨＣ２３８の出力である、Ｔ８～Ｔ１５はＱｅの遅れの影響をうけない期間に信号を出力するために、このＩＣの出力にはヒゲは発生していません。
では、このようなヒゲは「つくるＣＰＵ」の回路の動作に影響を与えるのでしょうか？
普通の命令回路などでは、まず問題はありません。
しかし、カウンタやフリップフロップをセット、リセットしたり、レジスタにデータをＷＲＩＴＥするタイミングで、このようなヒゲがあると、ひょっとすると、それらの動作に影響を与えてしまうかも知れません。
幸いヒゲが出ているラインはわかっています。
Ｔ０、Ｔ１６、Ｍ０、Ｗ０、Ｗ４です。
様子によっては、ヒゲをつぶしてしまう方が安心できます。たかだか１０ｎｓていどの幅の狭いパルスですから、多分、小さなセラミックコンデンサで十分つぶしてしまえると思います。
２００９．１．２０ｕｐｌｏａｄ
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