(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第４８回］
●ダイオードＯＲ
［第４５回］のＲＳフリップフロップの回路図にダイオードＯＲがありました。
もう一度、回路図をお見せします。
７４ＨＣ００のｐｉｎ２の入力のところです。
ダイオードでつくったＯＲ回路です。
今回のように、改造のために、あとからＯＲを追加しなければならない場合には重宝します。
しかし、はじめからこれを使うのは余り感心しません。
本来はきちんとロジックＩＣを使うべきです。
ダイオードＯＲは、ワイヤードＯＲと同じものだといえる、と思います。
ワイヤードＯＲは、この「つくるＣＰＵ」回路でめちゃめちゃ多用しています。
すると、ワイヤードＯＲも使っちゃいかんのではないか、というお話になってしまいそうですが…。
●ワイヤードＯＲ
そこで、話の順序から、まず、ワイヤードＯＲについて、説明をしなければなりません。
普通のＯＲ回路は下の形をしています。
左は正論理（Ｈ信号に意味がある）で右は負論理（Ｌ信号に意味がある）のＯＲ回路です。
ところが、今回の「つくるＣＰＵ」回路では、このスタンダードのＯＲ回路は使えないのです。
●なぜ普通のＯＲ回路は使えないのか？
今まで説明してきた、ＭＯＶ命令のタイミングチャートには命令の最後にＭｃｌｒという信号がありました。
Ｔ、Ｍ、Ｗのマシンクロックを作り出す、バイナリカウンタ７４ＨＣ１６１をクリアする信号です。
命令の最後のタイミングでこの信号を出すことによって、命令のクロックパルスがゼロクリアされるので、またＯＰコードフェッチサイクルから始めることができます。
ということは、このＭｃｌｒ信号は、命令の数だけ、出力されるということになります。
これを全部ＯＲで受けていたら、大変なことになります。
ＯＲ入力が５０とか１００とかというお化けのようなＯＲゲートが必要になってしまいます。
そんなＯＲゲートなどありませんし、仮にあったとしても、どうやって配線すればよいのでしょう。
Ｍｃｌｒの配線だけで基板を占領してしまいます。
Ｍｃｌｒ信号だけではありません。
ｒｅｇＲＤも、ｒｅｇＷＲも、いろんな命令によって、いろんなタイミングで出力されることは、多分想像がつくと思います。
このようにやたら信号線が多くなるのがＣＰＵ回路の特徴です。
●ＣＰＵ回路のほとんどは、いつも止まっている
しかしＣＰＵ回路の特徴はそれだけではありません。
もうひとつの、大きな特徴は、あるタイミングで見てみると、「ほとんどの回路は動いていない」ということです。
ある命令を実行しているときは、その命令のための回路は動いていますが、それ以外の命令回路は全く動いていないのです。
ということは、たとえばＭｃｌｒの配線が１００本あったとしても、ある瞬間で見てみると、アクティブになるのは１本だけか、あるいは全くアクティブにならないかのいずれかだけで、その間は残りのＭｃｌｒの配線は全く使われていないのです。
●ワイヤードＯＲは複数の出力線を１本にしてしまう
それなら、いっそ１本の線にしてしまえるのではないか、という考えから、ワイヤードＯＲという発想に行きつきます。
ワイヤードＯＲとは、複数のゲートの出力をたばねて１本の線にしてしまう接続法です。
こんな感じです。
いや。だめ。これはだめです。
ＬＳでもＨＣでもこの接続法は許されません。
●ゲートの出力同士はつなぐことができません
たとえば上の図で、７４ＨＣ０４の上側のゲートの出力がＨ、下側のゲートの出力がＬだったとします。
するとＨの出力からＬの出力（Ｌは実際には電流が流れ込む）に出力ショート電流が流れてしまいます。
７４ＨＣ０４の場合、多分２０ｍＡ以上流れてしまうと思います。
最悪の場合、ゲートが焼き切れてしまいます。
そうならないとしても、回路としては使い物になりません。
出力がショートすると、その出力ラインは、ＨとＬの中間電位に近くなります。Ｖｃｃが５Ｖの場合、２〜３Ｖです。これでは、使えませんね。
そこで登場するのが、オープンコレクタ（オープンドレイン）ゲートなのです。
●ＣＰＵ回路では７４ＨＣ０３と７４ＨＣ０５が大活躍
オープンコレクタ（オープンドレイン）出力とは、ゲート出力回路の、Ｈ出力とＬ出力をそれぞれ分担している２個のトランジスタ（ＨＣの場合にはＦＥＴ）のうち、上側（Ｈ出力）のトランジスタ（ＦＥＴ）が無いような出力のことをいいます（７４ＨＣゲートの出力構造については［第２５回］で説明しています）。
７４ＨＣ００のオープンドレインタイプが７４ＨＣ０３です。
７４ＨＣ０４のオープンドレインタイプが７４ＨＣ０５です。
Ｈ出力用のＦＥＴ回路がありませんから、Ｈ出力はできません。できるのはＬ出力だけです。
Ｈ出力のときはどうなるか、というとハイインピーダンスになります。つまり、Ｈ出力のときは、ラインに出力がつながっていないのと同じことになります。
これなら、出力同士をつないでしまっても大丈夫です（下図）。
この「つくるＣＰＵ」回路では普通のゲートとオープンドレインのゲートを区別するために、オープンドレインのゲートには、図のように、出力端子に＊をつけて示すことにしました。
●ワイヤードＯＲにはプルアップ抵抗が必要
出力ラインに抵抗がついています。プルアップ抵抗です。
オープンコレクタ（オープンドレイン）出力回路はＬアクティブにはなりますが、Ｈ出力がありません。ラインにつながっているすべての出力ゲートが非アクティブのとき、ラインはハイインピーダンスになってしまいます。
ＨＣなどのＣＭＯＳ回路ではラインをハイインピーダンスにすることは許されません。
ラインがハイインピーダンスになると、そこにつながっている入力ゲートＩＣが、最悪の場合破損してしまいます。
それを防いで、アクティブなＬ出力がないときに、Ｈレベルを維持するけれど、出力がＬになっても、Ｌ出力のゲートに対して許容量以内の電流しか流さない程度の抵抗値のプルアップ抵抗をつけます。
その目的から考えると、プルアップ抵抗は、出力側よりも、できるだけ入力側の近くにつけることが望ましいと思います。
抵抗値はＨＣなどのＣＭＯＳ回路では、電圧さえあればよいわけですから、極端なことをいうと１ＭΩでもよいことになります。
しかし、余り抵抗値が大きいと、ノイズに弱くなりますし、ラインの浮遊容量などのＣが無視できなくなって、ＬからＨへの立ち上がりが遅くなってしまう可能性がでてきます。
常識的にいうと、１ＫΩ〜１００ＫΩ程度の値がよいのではないか、と思います。
「つくるＣＰＵ」回路では、１ＫΩでプルアップしています。
●やっと、ダイオードＯＲの説明です
以上の説明の通り、ワイヤードＯＲ回路にするには、普通のゲートＩＣである７４ＨＣ００や７４ＨＣ０４は使うことができません。
しかし、ちょうど今回のＭＯＶ回路の改造のように、予期しない事情で回路を変更する必要が生じたとき、ＯＲ回路が必要なのだけれど、基板上には利用できるＯＲゲートが無い、などという場合に、窮余の一策として登場するのが、ダイオードＯＲなのです。
あくまで窮余の一策ですから、正攻法ではない、と心得ておいてください。
先に説明したように、
という回路は許されませんでしたが、
ダイオードを使って下のようにすると、立派なワイヤードＯＲになります。
このようにすると、出力がＬの場合にはライン（抵抗）から、その出力に向かって、ダイオードを通して電流が流れますから、ラインはＬになります。
しかし出力がＨの場合には、Ｈ出力からＬを出力するゲートに対して流れ込もうとする電流は、ダイオードのために止められてしまうので、オープンコレクタ（オープンドレイン）と全く同じ働きをすることになります。
しかし全く同じか、というとそうは言えないのです。
こういう使い方にはまことに重宝な１Ｎ６０というゲルマニウムダイオードがありましたが、今はゲルマニウムダイオードは特殊な用途にしか使われなくなってしまい、みんなシリコンダイオードになってしまいました。
シリコンダイオードは、上の図で出力がＬの場合に、抵抗からゲートに流入する電流のために、アノードとカソードの間に電圧差が生じます。
どのくらいか、というと、これが以外に大きくて、０．６Ｖから０．８Ｖもあります（ゲルマニウムダイオードは０Ｖ）。
ＨＣのスレッショルド電圧はＶｃｃの１／２近辺ですからＶｃｃ＝５Ｖの場合、約２．５Ｖです。
それが上の回路では、入力側がダイオードを介して得られるＬ入力電圧は、０．８Ｖ近くまで浮き上がってしまいます。
ふつうのＨＣゲートのＬ出力電圧はほとんど０Ｖですから、ノイズマージンが２／３になってしまうことになります。
ダイオードＯＲは、通常は使わない方がいい、というのはそういう理由からです。
●ダイオードＯＲをＬＳＴＴＬで使うのはまずい
ＨＣ回路では、ダイオードＯＲは窮余の一策としては、使うことができます（それほど厳格に考える必要がない回路ならば、まあ、いいか、という調子で使ってしまうこともできます。よほどひどい環境でなければ、使っても多分問題はありません）。
しかし、ＬＳＴＴＬ回路では、ちょいと問題です。
なぜならＬＳＴＴＬのスレシッショルド電圧はＨＣよりも１Ｖ近くも低いのです（１．５Ｖ近辺）。
ということは、ダイオードＯＲ回路では、ノイズマージンが１／２に減ってしまい、ダイオードを介したＬ入力電圧とスレッショルド電圧の差が、わずか０．７Ｖ程度になってしまうことを意味します。
これじゃあ、危なくて、使えません。
ＬＳＴＴＬでは、ダイオードＯＲは使わない方が無難です。
●ワイヤードＯＲは負論理にしなければならない
今まで説明してきたダイオードＯＲは、７４ＨＣ０５や７４ＨＣ０３で置き換えができる、ワイヤードＯＲと同じ機能の回路でした。
じつはダイオードＯＲにはもうひとつ別の形の回路があります。
こんな回路です。
今まで説明してきたダイオードＯＲ回路とは、ダイオードの向きや抵抗の接続が逆になっています。
これも立派なダイオードＯＲ回路です。
今まで説明してきたワイヤードＯＲやダイオードＯＲは負論理が前提でした。
無信号はＨ（実はハイインピーダンス）で、信号有りがＬです。
上の回路は、正論理で使えるダイオードＯＲです。
出力がＬのときはダイオードがあるために、入力側には何も伝わりません。つまりハイインピーダンスです。
このとき入力側のゲートには抵抗を通じてＧＮＤレベル、つまりＬが入力されます。
出力がＨのときにはダイオード、抵抗を通して電流がＧＮＤに流れます。この結果、ダイオードと抵抗の交点の電圧は４．２Ｖ程度になるので、Ｈ信号として入力側に伝わります。
ところが、普通のＨＣには、この回路と同じ機能にするための、７４ＨＣ０３や７４ＨＣ０５のようなＩＣが無いのです。
Ｌ出力がハイインピーダンスになるのですから、オープンコレクタ（オープンドレイン）ではなくてオープンエミッタ（オープンソース）ということになるのでしょうか。Ｌ出力のための、下側の出力ＦＥＴが無いようなゲートＩＣは、残念ながらありません。
そこで、どうしても、正論理のワイヤードＯＲ回路が欲しい場合には、図のようなダイオードＯＲ回路にするほかはありません。
しかし、ダイオードＯＲはノイズマージンが低下するので、やむをえない場合を除いて、使うべきではない、というような意味のことを書きました。
その考えを回路設計の原則とするならば、ワイヤードＯＲは、負論理の回路でしか実現できないことになります。
ノイズマージンについては無視したとしても、正論理のワイヤードＯＲはダイオードＯＲにするしかない、となると、ダイオードだらけになってしまって、基板サイズも大きくなってしまいますし、コストも余計にアップしてしまいますから、無理に正論理のワイヤードＯＲにするメリットはなにもありません。
「つくるＣＰＵ」回路では、目的によって、正論理の信号と、負論理の信号をともに使っていますが、ワイヤードＯＲが必要な回路では、全て負論理になっているのは、そういう理由からでもあります。
２００８．８．２６ｕｐｌｏａｄ
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