Dラッチ（D-LATCH）とDフリップフロップ(D-FF)

• クロックを用いる同期型のみ
  教科書（５章）では、１ビットのデータを保持するもの（２安定回路）をフリップフロップと呼んでいるが、現実のデジタル回路ではクロックという制御信号を使用するので、ここではクロックを用いるものだけを取り扱う。

• 最も単純なD型のみ
  教科書（５章）では、SR/JK/Tなどの色々なFFを取り扱っているが、現実には種々のFFを区別して設計する重要性はなくなっているので、ここではもっとも単純なDタイプのラッチおよびDタイプのフリップフロップのみ取り扱う。（以前はSR/JK/T/DのようなFFのタイプを切り替えることで、回路素子数を減らしたりしたが、現在ではFFの変換は自動化されている。）

クロックとは何か？

• 周期的に電圧がハイレベルとローレベルを繰り返す信号
• 通常は水晶発信器で生成され、信号配線にて分配される

• 通常のデジタル回路はこのクロック信号の電圧レベルや、電圧の立ち上がりエッジなどを利用して一斉に動作する。このことを、クロックに同期して動作するという。

• クロックの周期が 10ns （10ナノ時間） であれば、クロック周波数はその逆数であり、100MHzとなる。

• PentiumIII 500MHzのパソコンでは、クロック周期は 2ns であり、2nsごとに新たな命令の実行を開始する。

• 通常のデジタル回路ではクロックに同期して（クロックの立ち上がりエッジごとに）、回路がなんだかの動作を行う。したがって、クロック周波数が高いほど（クロック周期が短いほど）高性能である。

Dラッチ

• Dラッチにはデータ入力とデータ出力端子があり、それをコントロールするクロック入力がある。
• DラッチはクロックがHIGH（高）レベルでデータ入力はデータ出力で伝わり、
• クロックがLOW（低）レベルでは、データの流れは遮断され、以前のデータ出力を保持する。
• したがって、Dラッチのデータ出力はクロックがHIGHの時にしか変化しない。

Dラッチの動作説明図	Dラッチの動作波形 クロックHIGHではデータが転送 クロックLOWではデータ保持
Dラッチのシンボル	Dラッチの回路図の一例

• 実際のDラッチの回路図

Clock＝’１’の時	Clock＝’０’の時

• Dラッチの出力は入力データが遅延したものであり、DラッチのDは遅延（Delay）の意味である。

Dフリップフロップ

Dフリップフロップの構成 Dラッチ２つで作れる	Dフリップフロップの動作説明図

• D-FFにはデータ入力とデータ出力端子があり、それをコントロールするクロック入力がある。
• D-FFはクロックがLOWからHIGH（高）レベルに変化した時の入力データが、出力に伝わり、
• それ以外の時間は、以前のデータ出力を保持する。

クロック＝’０’　LOWレベルの時	クロック＝’１’　HIGHレベルの時

• ということで、クロックの’０’から’１’への変化時の入力データが出力に伝達される。
• この動作を「エッジ　トリガ」という。
• エッジは’０’から’１’への変化、トリガは引き金であり、エッジが引き金を引くという意味。

Dフリップフロップの動作波形 クロック立ち上がりエッジでデータを転送 その他の期間ではデータ保持	Dフリップフロップのシンボル 三角形がエッジトリガを示す

Dフリップフロップの動作タイミング

同期型デジタル回路

• 現実のデジタル回路はほとんどすべてが、クロックを用いる同期型の回路である。
• 今説明した、Dラッチ、Dフリップフロップ、を用いている。
• 今後の講義では、同期型のデジタル回路を取り扱う。特に、最も設計が簡単な、Dフリップフロップを用いたデジタル回路を取り扱う。
• D-FFを使用する同期型デジタル回路は、以下の図のようになり、D-FFを介して、各組み合わせ回路がデータを交換しながら、データ処理を行う。
• この時、D-FFを用いる方式では以下の図のように、自由にデータを交換でき、タイミングの問題も少ない。

宿題６　　学籍番号　名前　日付　を書いて　提出すること。

１）　以下の波形をDラッチと、Dフリップフロップに入力した。それぞれの出力波形を示せ。

２）　上記１）と同じクロック、データ入力波形を以下のような、Dラッチ2段とD-FF2段の回路に入力した場合の出力端LB、FBの波形を示せ。LAとFAは上記１）に対応する。

３）　以下の回路の出力端LOUTとFOUTの動作波形を示せ。
　　　但し、NOT回路の遅延時間は1ns、Dラッチ/D-FFの遅延時間を2ns、
　　　クロックのサイクルタイムを20nsとし、
　　　Dラッチ/D-FFの初期値（初期の出力値）を’０’とする。

４）　以下の回路の出力端OUT1とOUT2の動作波形を示せ。
　　　OUT1とOUT2はある周期で同じ波形を繰り返す。
　　　クロックの周期を10nsとすると、OUT1とOUT2の周期はいくらか？

５）　説明したように、デジタル回路ではD-FFを介して、組み合せ回路がデータの交換を
　　　クロックの立ち上がりエッジに同期して行い、データ処理を行う。
　　　２）の結果を復習して、以下の回路図のD-FFをDラッチに変更するとうまく
　　　動作しないことを説明せよ。

以上