ハードウェア

2021年7月3日作成，2024年1月14日更新

ハードウェア

コンピュータの構成部品である電気・電子回路，機械・制御を修得し，応用する。
構成部品や要素とその実装，組込みシステムを構成する部品の役割，部品間の関係を修得し，応用する。
最適な構成で設計するための論理設計の留意事項を修得し，応用する。
組込み機器の開発における消費電力の重要性，関連する技術，動向を修得し，応用する。

(1) 電気・電子回路

NAND 回路，NOR 回路，XOR 回路，フリップフロップ，論理式，正論理，負論理，真理値表，タイミングチャート

NAND 回路

否定論理積の論理式は次式，真理値表は次表で表される。

$F = \overline{A \cdot B}$

表　論理積
A	B	F
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

NAND 回路をダイオード，トランジスタ等により実現した回路図とその真理値表を以下に示す。

表　NAND 回路の真理値表
入力 1	入力 2	$D_1$，$D_2$ とトランジスタのベース電圧	トランジスタの状態	出力
0	0	$D_1$，$D_2$ ともオンのため，ベース電圧は 0 [V]	オフ	1
0	1	$D_1$ がオンのため，ベース電圧は 0 [V]	オフ	1
1	0	$D_2$ がオンのため，ベース電圧は 0 [V]	オフ	1
1	1	$D_1$，$D_2$ ともオフのため，ベース電圧は $V_B$ [V]	オン	0

XOR 回路

XOR 回路は次式，真理値表は次表で表される。

F = A ⊕ B

表　XOR 回路の真理値表
A	B	F
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

XOR 回路は，次の条件を満足する。

階段の上下にあるスイッチ A 又は B で，一つの照明を点灯・消灯する。すなわち，一方のスイッチの状態にかかわらず，他方のスイッチで照明を点灯・消灯できる。

フリップフロップ（flip-flop）

フリップフロップは，2 つの回路の安定した状態によって 1 ビットの情報を保持する論理回路で，順序回路の基本要素である。現在と異なる入力が与えられると，次の入力があるまでその状態を保持しようとする。

順序回路は過去の内部状態と取得時の入力信号とで出力が決まる回路である。組み合わせ回路は，伝搬遅延によって信号が遅れることを除けば，入力の組み合わせだけで出力が一意に決まるが，順序回路はループにより内部に状態を保持しており，過去の入力に影響されるその状態も，出力の決定に関わる。

半加算回路（half adder）

2 進数の加算を行う論理回路の一つで、2 つの 2 進数の同じ桁同士を加算し、その桁の値と繰り上がりの有無（キャリー、桁上げなどと呼ばれる）を出力するものを半加算器（half adder：ハーフアダー）という。

半加算器の論理回路を下図に示す。半加算器の入力と出力との関係をまとめると次表となる。

表　半加算器の入力と出力との関係
入力 1	入力 2	出力 1	出力 2
0	0	0	0
1	0	1	0
0	1	1	0
1	1	0	1

上表より，半加算器の論理回路は，2 進数の同じ桁どうしの演算をして，出力（S，Sum = 出力 1）と桁上がり出力（C，Carry out = 出力 2）の出力を行う半加算回路であることがわかる。

RTC (Real-Time Clock)

コンピュータや情報家電に組み込まれて、機器の電源が切れている状態でも現在時刻をカウントし続ける機能やそれを実現する回路である。OS はシステム起動の際に RTC から読み取った現在時刻をシステム時刻に設定する。

(2) 機械・制御

オープンループ制御，クローズドループ制御，シーケンス制御，フィードバック制御，PWM（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御

オープンループ制御（開ループ制御）

フィードバックループがなく，制御量を考慮せずに操作量を決定する制御。

シーケンス制御（sequential control）

あらかじめ定められた順序又は手続きに従って制御の各段階を逐次進めていく制御。

フィードバック制御（feedback control），クローズドループ制御（閉ループ制御）

フィードバック制御（閉ループ制御）とは「フィードバックによって制御量を目標値と比較し，それらを一致させるように操作量を生成する制御」である。

PWM（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御

PWM は，信号強度は一定のまま，パルス信号を出力する時間（width）を長くしたり，短くすることで，電圧・電流を制御する方式で，インバータの制御方式として用いられる。

(3) 構成部品及び要素と実装

① 半導体素子

ダイオード，LED，OLED，トランジスタ，フォトトランジスタ，フォトカプラ，フォトインタラプタ，トライアック，パワー半導体， IC，LSI，VLSI（Very Large Scale Integration），CMOS，バイポーラ，BiCMOS（Bipolar Complementary MOS），バイポーラメモリ

ダイオード

pn 接合形ダイオードは増幅機能をもたない非線形回路素子であり，pn 接合では電流を一方向にしか流さない。これを整流作用といい，整流作用を示す回路素子をダイオード（diode）または整流器と呼ぶ。

ダイオードは理想的には順方向抵抗が 0，逆方向抵抗が無限大の非線形素子とみなされ，下図の記号で表される。

バラクタダイオード（日本ではバリキャップと呼ぶことが多い）は，可変容量ダイオードのことである。pn 接合部に逆バイアスをかけて静電容量をバイアス電圧により抑制する。バイアス電圧が低いと空乏層が狭まり，容量が増加する。バイアス電圧を下げると上げると空乏層が広がり，容量が低下する。通常，空乏層の幅は印加電圧の平方根に比例し，静電容量は空乏層の幅に反比例する。このため，静電容量は印加電圧の平方根に反比例する。

静電容量がバイアス電圧により大きく変化することを利用して，VCO（電圧制御発振器），電子同調，周波数逓倍などに用いられる。

LED

発光ダイオード（light emitting diode : LED）は，ダイオードの一種で，順方向に電圧を加えた際に発光する半導体素子である。

LED 光源は、LD 光源と比較して、発生光は低コヒーレンス性であり、戻り光による影響を受けにくく出力変動が小さい特徴がある。

発光ダイオードは，半導体を用いた pn 接合と呼ばれる構造でつくられている。発光はこの中で電子の持つエネルギーを直接，光エネルギーに変換することで行われる。電極から半導体に注入された電子と正孔は異なったエネルギー帯（伝導帯と価電子帯）を流れ，pn 接合部付近にて禁制帯を越えて再結合する。再結合時に，バンドギャップ（禁制帯幅）にほぼ相当するエネルギーが光として放出される。放出される光の波長は材料のバンドギャップによって決められる。

LED においては、半導体の pn 接合に順方向電圧を印加することにより、p 型半導体領域に電子が、n 型半導体領域に正孔が注入され、伝導帯の電子と価電子帯の正孔が再結合して自然放出光が発生する。

LED は、LD と比較して変調可能帯域が狭く、スペクトル幅が広いが、製造コスト、寿命などの面で優れており、主に短距離系の光通信システムで用いられている。

トランジスタ

p 形半導体と n 形半導体をサンドイッチ状に重ね，二つの pn 接合を形成したトランジスタを接合型トランジスタ（junction transistor）またはバイポーラトランジスタという。この形式のトランジスタには p 形と n 形の配置によって pnp 形と npn 形がある。

npn 形トランジスタは p 形半導体を n 形半導体ではさみこむように作られ，それぞれに電極がつけられている。これらの三つの領域は左から順にキャリアを発生させる意味でエミッタ（emitter），電位の基準の意味でベース（base），キャリアを集める意味でコレクタ（collector）と呼ばれ，それぞれ記号 E，B，C で表される。なお，図中の右側はトランジスタを表す記号であるが，円形の囲いを省略して使われることもある。また，矢印の向きは，エミッタ電流の向きを表す。

IC (Integrated Circuit)

集積回路とは、高度な機能を持つ電子部品の一つで、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、ダイオードなど、多数の微細な電子部品を一つの基板の上で連結し、全体として複雑な処理を行ったり、大量のデータの記憶を行ったりできるもの。形態が数 cm 角程度の小片であるため「チップ」（chip）と呼ばれる。

LSI (Large-Scale Integration)，大規模集積回路

LSI とは、歴史的には IC（集積回路）のうち素子の集積度が数千ゲート（数万トランジスタ）かそれ以上のもの。現代では単に IC の同義語、言い換え語として用いられるのが一般的。

VLSI (Very Large Scale Integration), ULSI (Ultra-Large Scale Integration)

1980 年代に入ると製造技術の微細化の進展で更に大きな規模の回路が生産できるようになり、ゲート数が 1 万を超えるものを「VLSI」（Very Large Scale Integration）、10 万を超えるものを「ULSI」（Ultra-Large Scale Integration）と呼ぶようになった。

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

CMOS とは、半導体素子の構造の一つで、金属酸化物でできた一対の P 型トランジスタと N 型トランジスタを組み合わせたもの。消費電力が少なく高速に動作するため、半導体製品の多くに採用されている。

バイポーラトランジスタ (bipolar junction transistor)

バイポーラトランジスタとは、トランジスタの種類の一つで、N 型と P 型の半導体を組み合わせて電子と正孔（ホール）の両方のキャリア（電荷担体）を利用する方式。信号の増幅や回路のスイッチングなどのために用いられる。

BiCMOS（Bipolar CMOS/バイポーラ CMOS）

半導体集積回路（IC/LSI）の構造の一つで、バイポーラトランジスタと CMOS トランジスタを組み合わせて論理回路を形成したもの。

高速に動作し負荷に強いバイポーラと、消費電力が少なく集積度を高めやすい CMOS の両方の特徴を備えた優れた特性の素子を形成することができるが、製造工程が複雑で単一のプロセスで製造するより高コストとなる。アナログデジタル混載 IC（ミックストシグナル IC）などに利用され、かつては SRAM や一部のマイクロプロセッサなどにも採用例があった。

RFID (Radio Frequency IDentification)

ID 情報を埋め込んだ RF タグ（IC タグ）から電磁界や電波を用いて情報のやり取りを行うための技術である。RF タグは電池の内蔵の有無によって「パッシブタグ」と「アクティブタグ」に分類される。

パッシブタグ（受動タグ）: 電池を内蔵せず、リーダ／ライタが発信する電波をエネルギー源として利用して駆動するタグ。リーダ／ライタの電波の一部を反射するときに ID 情報をのせて返すことで自身の電力で電波を発信しなくとも情報をやり取りすることができる。交信範囲は広くても数十センチメートルという制限があるが安価（10 円以下）に製造できる。
アクティブタグ（能動タグ）: 電池を内蔵し、自らの電力で電波を発信するタグ。交信範囲は数十メートルから数百メートルと広いがパッシブタグと比較すると価格が高い。

② カスタム IC

ASIC（Application Specific IC），FPGA（Field Programmable Gate Array），CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer），HDL（Hardware Description Language：ハードウェア記述言語），オープンソースハードウェア

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）

ASIC とは、半導体集積回路（IC：Integrated Circuit）の分類の一つで、ある特定の機器や用途のために、必要な機能を組み合わせて設計、製造されるもの。

FPGA（Field Programmable Gate Array）

FPGA とは、内部の論理回路の構造を何度も繰り返し再構成できる半導体チップ（PLD：Programmable Logic Device）のうち、回路規模が数万ゲート以上に及ぶ大規模で複雑なもの。

HDL（Hardware Description Language：ハードウェア記述言語）

ハードウェア記述言語とは、半導体チップの回路設計などを行なうための人工言語。プログラミング言語に似た構文や表記法で、回路に含まれる素子の構成やそれぞれの動作条件、素子間の配線などを記述することができる。

Verilog

C 言語や Pascal に似た記法や構文を持つ著名なハードウェア記述言語の一つ。また、同言語で作成された回路の論理シミュレータ。言語のみを指す場合は「Verilog HDL」と表記することがある。HDL の中では記述が簡潔で習得しやすいと言われることが多く、シミュレーション用の機能やツールが充実している。1984 年に Automated Integrated Design Systems 社が開発したもので、1995 年に IEEE 1364 として標準化された。

VHDL（VHSIC Hardware Description Language）

ALGOL や Ada に似た記法や構文を持つ著名なハードウェア記述言語の一つ。HDL の中では機能が豊富で抽象度の高い記述がしやすいとされるが、厳密なデータ型を用いるためとっつきにくいとも言われる。1981 年に米国防総省が開発したもので、1987 年に IEEE 1076 として標準化された。

③ システム LSI

コデザイン，SoC（System on a Chip）

システム LSI とは、機能や種類の異なる複数の集積回路を一つの LSI に実装し、全体として一つのシステムとして機能するようにしたもの。電子機器やデジタル家電などに組み込まれる制御用のコンピュータシステムとして利用されることが多い。

SoC（System on Chip）

複数のチップで構成していたコンピュータシステムを，一つのチップで実現した LSI。

SoC は，CPU コア，GPU コア，DSP，メモリ，タイマ，通信などの機能を 1 つのチップ上で実現したシステム LSI（大規模集積回路）である。必要とされる全ての機能（システム）を 1 つの半導体チップに集積することによって，占有面積の削減，高速化，低消費電力化，コスト削減などのメリットがある。

SiC（System in a Package）

各機能を個別に最適化されたプロセスで製造し，パッケージ上でそれぞれのチップを適切に配線した半導体チップ。複数の LSI（チップ）を 1 つのパッケージにまとめることで，システム LSI を実現する方式。

④ 組込みシステムの構成部品

マイクロプロセッサ，マイクロコントローラー， DSP （ Digital Signal Processor），センサー，アクチュエーター，メモリ，ASIC，D/A コンバータ，A/D コンバータ，回路素子（抵抗，コンデンサ，コイル，トランスほか），MEMS，診断プログラム，監視回路，電源回路，電池

DSP（Digital Signal Processor）

DSP とは、マイクロプロセッサの一種で、デジタル信号処理に特化した機能を持つもの。

DSP は主に画像処理・音声処理などのディジタル信号処理アルゴリズムの計算処理で使われる。これらの処理では大量のデータに対して規定時間内に素早く演算を行う必要があるため、専用のハードウェアである DSP が用いられる。

特徴として、積和演算を高速に実行できるように高速乗算器を持つことが挙げられます。FIR フィルタや高速フーリエ変換 (FFT) といったディジタル信号処理では、積和演算の性能が非常に重要になってくるためである。

センサ

センサとは、自然現象や対象の物理状態の変化などを捉え、信号やデータに変換して出力する装置や機器。光や音、温度、湿度、気圧、接触、圧力、電気、磁気、距離、速度、加速度、角速度、物質の濃度など、様々な現象や対象に対応するセンサーが存在する。

アクチュエータ

コンピュータが出力した電気信号を力学的な運動に変える。

メモリ

メモリとは、記憶、記憶力、回想、追憶、記念などの意味を持つ英単語。IT の分野ではコンピュータに内蔵される半導体集積回路（IC）を利用したデータの記憶装置を指すことが多い。

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）

D/A コンバータ（digital - to - analog conversion）

ディジタル信号を，アナログ信号に変換する。

分解能が 8 ビットの D/A 変換器に，ディジタル値 0 を入力したときの出力電圧が 0 V となり，ディジタル値 128 を入力したときの出力電圧が 2.5 V となる場合，最下位の 1 ビットの変化による当該 D/A 変換器の出力電圧の変化は 2.5/128 V である。

A/D コンバータ（analog - to - digital conversion）

アナログ電気信号を，コンピュータが処理可能なディジタル信号に変える。

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）

MEMS とは、マイクロメートル単位の微小な機械部品やセンサー、電子回路などを組み合わせた複合的な電子部品。特に、半導体製造技術を応用し、電子基板上に機械的な仕組みと制御用の集積回路を一体的に形成したものを指すことが多い。

診断プログラム

組込みシステムにおける，ウォッチドックタイマ（Watchdog Timer）とは，システムに異常が発生したことを検知し，それを通知する目的で設定するタイマである。

ウォッチドックタイマの機能として，あらかじめ設定された一定時間内にタイマがクリアされなかった場合，システム異常とみなしてシステムをリセット又は終了する。

(4) 論理設計

回路設計，タイミング設計，同期式設計，非同期式設計，加法標準形，論理圧縮

(5) 消費電力

低消費電力化，エネルギーハーベスティング，リーク電流，パワーゲーティング，クロックゲーティング，DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）

エネルギーハーベスティング

エネルギーハーベスティングは，周りの環境から微弱なエネルギーを収穫（harvest）して電力に変換する技術の総称である。日本語では「環境発電技術」と呼ばれている。エネルギーハーベスティングを利用した技術としては以下の事例が挙げられる。

ヒトやモノが移動する際の圧力を利用した電力床
放送波、無線 LAN などの電磁波の回収による電力の取り出し
体温で発電するウェアラブル端末
スイッチを押す力を電力に変換して作動する RF リモコン

リーク電流

リーク電流とは、電子回路上で、絶縁されていて本来流れないはずの場所・経路で漏れ出す電流のことである。

リーク電流は伝導体間の距離が狭くなるにつれて増大していくため、集積回路の超微細化が進んだ現在では半導体回路で消費される電力の半分以上がリーク電流として消費されるようになってしまっている。リーク電流の大量発生は誤作動、消費電力や発熱量の増加、素子の劣化などを引き起こすのでリーク電流の低減は重要なテーマになっている。

半導体製造プロセスの微細化から生じるリーク電流の増大を，使用材料などの革新によって抑える。

パワーゲーティング

パワーゲーティングは、動作していない演算回路ブロックに対して、クロック信号の供給停止だけではなく電源を遮断し、電流を削減する半導体の低消費電力技術である。

クロックゲーティング

クロックゲーティングは、演算に関与しない不要ブロックへのクロックの供給を止めることで電力消費を抑える技術である。

本稿の参考文献

JIS Z 8116-1994「自動制御用語－一般」

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