ＴＴＬでＣＰＵを作ろう！

~~標準ＴＴＬ~~だけ（！）でCPUをつくろう！（組立てキットです！）
(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第２６回］

●タイトルを訂正いたしました

正確さがウリのコンピュータがテーマの文章のタイトルがあいまい、というのはやっぱりよくないですねぇ。
そう思いまして、やれやれ、しんどいこっちゃ、とぶつぶつぼやきながら、過去ファイルを全部訂正いたしました。
ま、身から出たサビ、でだれに文句をいうこともできません。
ここまで読んできていただいた方々は、このみっともないタイトルの由来については、すでに先刻ご承知いただいているわけなのですが、はじめて訪問していただく方にとっては、「こりゃ、なんのこっちゃ」というあらぬ疑問をいだかせてしまいますので、ことの次第についてのコメントは［第１回］冒頭に追記いたしました。お暇でしたら、再読を…。

●前回についても少し加筆しました

前回のアドレスバス・データバスの回路図についての説明を今回にしようと思ったのですが、そうすると、今回の説明を読んで、回路図を参照するためにブラウザの戻るボタンで前回に戻って、それからまたブラウザの進むボタンでここに来て、とめまぐるしい操作をしなければならなくなります。
そんなこと、やってられないよ！
はい。その通りです。ですから、そう言われてしまわないために、前回の回路図の下に説明を追加いたしました。
以上、念のため、ご報告申し上げます。

●なぜＬＥＤの接続に２通りを使っているのでしょう？その理由です

スタンダードのＴＴＬや７４ＬＳなどはＨレベルの出力電圧が低く、取り出せる電流値も少なかったために、ＬＥＤのアノードを接続するような、ＬＥＤの表示回路はできなかった、という説明を前回いたしました。
しかし、今回はＣＭＯＳ、７４ＨＣですから、その理由でＬＥＤのアノード接続ができない、ということはないはずです。
それなのに、やっぱりＬＥＤを直接接続できなくて、７４ＨＣ０４を使わなければならない回路があるのです。
なぜなのでしょうか？

前回の回路図に戻ってじっくり考えていただきたいところなのですが、多分、面倒だ、と言われるでしょうから、比較できる回路図をお見せすることにいたします。
ＯＰコードレジスタからの出力ＯＰ０～ＯＰ７（ＬＥＤのアノードが直接出力ラインに接続されている）と、内部データバスラインｉＢ０～ｉＢ７（ＬＥＤが直接接続できないので、７４ＨＣ０４を経由してＬＥＤを接続している）とを比較できるように、前回の回路図の一部を切り取って再編集しました。

さて、では図を良く見て考えてみてください。ＯＰ０～ＯＰ７はＬＥＤを直接接続できるのに、ｉＢ０～ｉＢ７には、なぜＬＥＤを直接接続できないのでしょうか？

接続したくないから？

そうではなくて、本当に接続できないのです。
では、なぜ？

それは、ｉＢ０～ｉＢ７にはプルアップ抵抗がついているから、なのです。
おおお、なぜよ。たかが、抵抗の有り、無しがどうして関係などするのよ？説明してもらおうじゃないの。

●では、まず、そもそもなぜプルアップ抵抗が必要なのか？の説明から

（話し始めると、またまた、長ーいお話に、多分、なってしまいます）

ＯＰ０～ＯＰ７にはプルアップ抵抗がありません。
でもｉＢ０～ｉＢ７にはプルアップ抵抗がついています。
なぜでしょうか？

ＯＰ０～ＯＰ７はＯＰコードレジスタ７４ＨＣ３７３からの出力ラインです。
７４ＨＣ３７３をよく見ると、ＯＥ（１ｐｉｎ）がＧＮＤに接続してあります。つまり７４ＨＣ３７３からの出力は常時出っぱなしなのです。ラインはＨであるかＬであるかは別として常に信号が出ている（ロウインピーダンス）状態です。だからプルアップ抵抗などつける必要がありませんし、つけても意味がありません。

一方、ｉＢ０～ｉＢ７はというと、７４ＨＣ２４５からデータが出力されるときもありますが、逆に７４ＨＣ２４５にデータが入力される向きになることもあります（そのときは、ＣＰＵ内部のレジスタなどからデータが出力されます）。
７４ＨＣ２４５の出力はＧ（１９ｐｉｎ）によってコントロールされますから、ＧがＨのときは、７４ＨＣ２４５からは何も出力されませんし、ＧがＬでも、ＤＩＲ（１ｐｉｎ）がＬのときは、ゲートの向きがＡ←Ｂになるので、やはりどこか別のレジスタからｉＢ０～ｉＢ７に何かデータが出力されない限り、ｉＢ０～ｉＢ７には何も信号が存在しない、ことになります。
そういう場合、たいていはどこか別のレジスタからの信号がｉＢ０～ｉＢ７に出力されているはずですが、絶対に、常にｉＢ０～ｉＢ７に何かのデータが乗っている、という保証はありません。
何もデータがなければ、そのラインはハイインピーダンスになります。

●ＣＭＯＳの入力端子をオープンにしてはいけません！

スタンダードのＴＴＬや７４ＬＳでしたら、ハイインピーダンスでもそのままにしておいても良かったのですが（本当は、ＴＴＬでもハイインピーダンスのままにするのは、余り良くありません）、７４ＨＣなどのＣＭＯＳ回路では、ラインをハイインピーダンスにしてはいけません。
絶対に、絶対に、絶対に！禁止です。

バスラインに限らずＣＭＯＳゲートの入力をハイインピーダンスのままにしておく（入力に何もつながないで、入力端子オープンの状態にしておく）と、どうなるか？
最悪の場合、ＩＣが焼けて破損してしまいます。

●だけど、ＣＭＯＳはほとんど電流を消費しないＩＣだったのではないの？

そんな、焼け焦げてしまうほどの電流が流れることなど、本当にあるの？

ＣＭＯＳのＩＣは通常は消費電流はきわめて少ないとされています。
ＬＥＤの表示回路などはＬＥＤの点灯時に当然電流が流れますが、ＣＭＯＳゲートの出力に、別のＣＭＯＳゲートがつながっている、というような、ごく普通の回路では、後ろにつながったＣＭＯＳゲートを駆動するための電流は原理的には０です。

余談ですが、ＴＴＬ回路は後ろにつながったゲート回路の入力トランジスタを駆動するために、前のゲートの出力トランジスタに電流が流れ込みます。

上の図の回路で、ＴＴＬの場合には、出力ＡがＬのときにＢからＡに矢印の向きに電流が流れます。
どのくらいの電流値かというと、これが意外に大きくて、７４ＬＳの場合には０．４ｍＡも流れます。
ＡがＨのときにはほとんど電流は流れません（２０μＡ）。

●ファンアウトということ

ついでながら、参考までに、では７４ＬＳの場合に、上の図の回路で、前のゲート（図の例ではＡＮＤゲート）の出力がＬのときに、後ろに何個のゲートをつなぐことができるかというと、７４ＬＳゲートでは、出力Ｌのときに流し込むことができる電流値は８ｍＡということになっているので、８／０．４＝２０になりますから、最大２０ゲートを接続することができます。
この接続可能ゲート数のことをファンアウトといいます。ですからＬＳＴＴＬではファンアウトは２０ということになります。

●ＣＭＯＳのファンアウトはン百？

話をもとに戻しまして、ＬＳＴＴＬではそのように、後ろにつないだゲートを駆動するために、前のゲートの出力に駆動電流が流れます。
しかしＣＭＯＳ回路はＦＥＴで構成されていて、電流で駆動するのではなく、電圧のみで動作しますから、後ろにつながったＣＭＯＳゲートを駆動するために、前のゲートの出力ＦＥＴはＨまたはＬの電圧のみを出力すればよく、電流は必要ありません。
さきほどのゲート出力の図で、ＣＭＯＳゲートの場合には、ＡがＨであってもＬであっても矢印の向きにもその逆の向きにも電流は流れません。
したがって理屈の上ではＬＳＴＴＬのようにファンアウト２０のような、接続可能数の制限は無く、いくつつないでも駆動電流は０である、ということになります。
じっさいにはゲートをたくさんつなぐと回路の容量負荷（浮遊コンデンサ容量が負荷になる）なども無視できなくなりますから、無制限ということはありませんが、まあ、いくつ接続可能か、などと思い悩むほどきびしくは無いと思います（多分）。

●ＣＭＯＳでは流れないはずの電流が流れてしまう？

それじゃあ、ＣＭＯＳは駆動電流が必要ないのだから、回路がハイインピーダンスであっても、ＩＣが焼き切れるほどの電流が流れるはずはないではないか？という当然の疑問がでてきます。

そのようなＣＭＯＳなのですが、じつは現実には、そうであるのに、なぜか電流が流れてしまうのです。
面倒なので詳しく確かめてはいません。想像です。推測に過ぎません。
多分、出力がＨからＬに、ＬからＨにと変わる過程で、上のＦＥＴも下のＦＥＴも、両方のＦＥＴが過渡的にＯＮになってしまう期間があるのでは？と思います。

●ＣＭＯＳは出力がスイッチするときに電流が流れる（らしい）

ＨならＨ、ＬならＬで出力がどちらかに固定していれば、電流は流れない。しかし、出力がスイッチすると、その出力が切り替わる瞬間だけ、上のＦＥＴから下のＦＥＴに、つまり後ろにつながっている回路の有り無しに関係なく、自分自身の出力回路の中だけで電流が流れてしまうことになるのでは、と想像しています。
もしそうなら、スイッチする回数が多ければ多いだけ、つまり動作周波数が高くなれば、高くなるだけ、より多く電流が流れることになります。

さてそこで、もしもＣＭＯＳゲートの入力に何もつながないで、ハイハンピーダンスにしておくと、どういうことがおきるか（これも想像ですけれど）？

多分、すると、ＣＭＯＳを構成しているＦＥＴは入力インピーダンスが非常に高いので、無信号でもノイズによって簡単に動作してしまいます。入力がハイインピーダンスということでスレッショルド付近でふらふらするとなれば、出力はやはりＨでもＬでもない中間的な出力になって、その結果上のＦＥＴも下のＦＥＴも両方ともＯＮになって、両方のＦＥＴの間に過電流が流れてしまうかもしれません。

あるいは、外来のノイズによって、入力ラインにＶＤＤ以上の電圧やＧＮＤ以下のマイナスの電圧がかかってしまうかもしれません。
ＣＭＯＳのＩＣの入力に、ＧＮＤ～ＶＤＤの範囲を超える電圧を加えると、ＩＣ内部になんだか逆バイアスされた電流だとかなんだとか、よくは知りませんが、そのような電流が流れて、止まらなくなってしまう（ラッチアップというのだそうです）現象がおきて、それで最後にはＩＣが焼き切れてしまいます。

話が非常に長くなってしまいましたが、そういうわけなので、７４ＨＣやその他のＣＭＯＳのＩＣを使う回路では、ラインをハイインピーダンスにしてはいけません。
ならば、どうするか？

●ラインをハイインピーダンスにしてはいけないので、プルアップ（またはプルダウン）

そこで、ハイインピーダンスにしないためにプルアップ抵抗をつけて、ラインに信号が無いときには、強制的にラインをＨレベルにするのです。
ハイインピーダンスにしない、という目的のためならば、プルダウン抵抗をつけることもできます。その場合には、ラインに信号が無いときには、ラインがプルダウン抵抗によってＬになります。

あ。プルアップ抵抗というのは、ラインとＶ＋の間に適当な値の抵抗（１ＫΩ～１００ＫΩ）を入れる、その抵抗のことで、プルダウン抵抗というのは、ラインとＧＮＤとの間に入れる抵抗のことです。

で、普通はプルアップ抵抗でもプルダウン抵抗でも、どちらでもよいのですが、今回の、「つくるＣＰＵ」回路の場合には、またあとで説明する理由によって、必要なラインには全てプルアップ抵抗をつけることで統一してあります。
以上が、ｉＢ０～ｉＢ７にプルアップ抵抗がついている理由です。

●それでは、プルアップ抵抗があると、なぜＬＥＤのアノード接続ができなくなるのか？その理由です

もう、おわかりの方もおいでのことと思います。

上の左の回路では、ラインが無信号の時は、プルアップ抵抗によって、Ａ点の電圧は電源電圧になります。つまりＨレベルです。
右の回路ではどうでしょうか？
２個の抵抗の値によって電源電圧（＋５Ｖ）が分圧された電圧がＡにかかります。当然Ｈレベルではありません。
もしも上の抵抗と下の抵抗＋ＬＥＤの抵抗値が同じになったとすると、Ａには電源電圧の１／２の２．５Ｖがかかることになります。
このような電圧がＣＭＯＳゲートの入力にかかると、出力段のＦＥＴが上下両方ともＯＮになって、過電流が流れてしまうかもしれません。
したがって、このようなＨでもなくＬでもない中間の電位の信号をＣＭＯＳゲートに加えることは危険ですから、避けなければいけません。

これが、プルアップ抵抗がついたラインには、ＬＥＤを直接接続することができない、という理由です。

●いや、それでもＬＥＤを直接接続できるはず

たしかにプルアップのついたラインにＬＥＤのアノードを接続することはできません。
しかし！カソードなら接続できるではありませんか！（下図）

どうです。賢いでしょう、と得意になっておりましたら、このページをお読みになった方から、おかしいではないか？というご指摘をいただいてしまいました（［第３３回］）。
ご指摘をいただくまで、うかつにも全く気がつきませんでした。

ご指摘の通り、図の回路はプルアップ抵抗の代用としては使えませんでした。
ここは、下図のようにしなければなりません。

図のように、本来のプルアップ抵抗は省略できません。
ＬＥＤ点灯用のＲ２は１ＫΩ～２ＫΩくらいですから、出力側のゲートにさらに負担をかけない程度のプルアップ抵抗をつけなければならない、というところから、Ｒ１は５ＫΩ～１０ＫΩというあたりの値が妥当だと思います。

それでは、プルアップ抵抗さえつければ、これでいいか、というと、残念ながらこの使い方には、まだなお、欠点があって、いつでも使えるというわけにはいきません。

●欠点とは？

この接続方法だと、ラインのＨ、ＬとＬＥＤの点灯、消灯が逆になってしまうのです。
ＡがＨのときに、ＬＥＤは消えてしまいます。逆にＡがＬのときにＬＥＤが点灯してしまいます。
これは、データバスなどの表示には全く困ります。
感覚的に、Ｈのときに点灯、Ｌのときに消灯してほしいですものね。

そういうわけで、データバスやその他のバスラインなどには、７４ＨＣ０４のゲートをＬＥＤの数だけ消費してしまうという、まことに残念な回路を選択せざるを得なかったのです。
２００８．８．３ｕｐｌｏａｄ
２００８．８．１１加筆訂正

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