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気まぐれお勉強日記

[応用情報技術] [基礎] [15] 覚書き : ハードウェア

1. 前提条件


このページでは、応用情報技術者試験の出題分野である ハードウェア に関する覚書きを列挙する。
※ ハードウェアは、コンピュータを構成する物理機器の総称。

一度内容を理解したことを前提とし、最低限の解説に留めていることに注意。

2. 論理回路


ハードウェアの構成部品となる 電子・電気回路 における基本的な論理回路には、次の回路記号がある。

OR回路:論理和
→ 入力値 \(A\)、\(B\) の 論理和 \(Y\) を表す。

AND回路:論理積
→ 入力値 \(A\)、\(B\) の 論理積 \(Y\) を表す。

NOT回路:否定
→ 入力値 \(A\) の 否定 \(Y\) を表す。

NOR回路:否定論理和
→ 入力値 \(A\)、\(B\) の 論理和の否定 \(Y\) を表す。

NAND回路:否定論理積
→ 入力値 \(A\)、\(B\) の 論理積の否定 \(Y\) を表す。

XOR (EXOR) 回路:排他的論理和
→ 入力値 \(A\)、\(B\) が一致すれば \(Y\ =\ 0\) 、一致しなければ \(Y\ =\ 1\) となる 排他的論理和 を表す。

また、上記の論理回路から構成される最も基本的な構造の論理回路で、1ビットの情報保持が可能フリップフロップ回路 がある。
※ 記憶回路、または記憶素子とも呼ばれる。

記録内容のリフレッシュ動作を行う必要のない SRAM で多く利用され、以下の種類に大分される。

RS型(SR型)
RESET端子SET端子 の2つ入力信号とNAND回路を二つ組合わせた回路で、SET端子にHi(1)が入力されるとRESETされるまで出力の状態を保持し続ける。

\(S\) \(R\) \(Q\) \(\overline{Q}\)
00保持保持
0101
1010
11禁止禁止

JK型
J端子K端子 の2つ入力信号と4つのNAND回路を使う回路で、RS型 で禁止だった、RESET端子 = Hi(1) と SET端子 \(=\) Hi(1) の入力が許可されたもの。

\(J\) \(K\) \(Q\) \(\overline{Q}\)
00保持保持
0101
1010
11反転反転

上記以外で、Dフリップフロップ(ゲート型D、エッジトリガ型D)、T型 があり、合計4種類に分類される。

3. 半導体素子の集積回路


半導体素子とは、半導体を素材に作られた回路素子(電気回路の構成要素)のことで、集積回路(IC:Integrated Circuit)、大規模集積回路(LSI:Large Scale Integrated) などがあり、以下の代表的な構成部品がある。

カスタムIC
利用者の要求に応じて設計、製造される 集積回路(IC) で下記の ASICFPGA がある。

システムLSI
組込みシステム製品の電子回路を一個の半導体チップに集約した半導体製品で、この設計手法を SoC(System On a Chip) という。
SoCを組合わることにより、システムの小型化や高速化が可能となる。

ASIC(Application Specific iIntegrated Circuit)
製造時に回路設計を決める カスタムIC。
短時間で提供でき、単価が安いが、開発費が高く開発期間が長い。

FPGA(Field-Programmable Gate Array)
製造後に構成変更が可能 なカスタムIC。
利用者が回路構成を変更することができ、開発期間が短く開発費が不要だが、単価が高い。

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems:微小電子機械システム)
シリコン基板などの上に、電子回路やセンサー、機械的に動くアクチュエーターなどの可動部を動かすための立体構造を集積化したデバイス。

5. 半導体の故障原因


以下、半導体の主な故障メカニズム。

ESD破壊(静電破壊)
人体、装置、デバイスの帯電が起因し、静電気放電(ESD:ElectroStatic Discharge) で、酸化膜や配線などが破壊されること。

ラッチアップ
期待位置以外にトランジスタやサイリスタなどができる 寄生トランジスタ(寄生サイリスタ) が原因で回路に不具合が生じること。

ストレスマイグレーション
絶縁層と熱膨張係数の差と温度上昇のストレスにより、金属配線にボイド(空洞)断線が発生し、半導体素子が不良になる現象。

エレクトロマイグレーション
電子と金属原子の運動量交換でイオンが移動することにより、金属配線にボイド(空洞)や断線が発生し、半導体素子が不良になる現象。

6. タイマー


タイマーとは、カウンター で一定時間ごとに起こる割込みを監視し時間を計測する装置のこと。

下記タイマーは、組込みシステムで使用される。

インターバルタイマー
一定間隔でCPUに割込みを発生させるタイマー。
コンピュータが下記 RTC(リアルタイムクロック) から時刻を取得し、インターバルタイマーで時刻を更新する。

ウォッチドッグタイマー
コンピュータ動作に異常がないか監視するためタイマー。
OSが一定間隔でウォッチドッグタイマーをクリアする仕組みであることを前提に規定時間内にクリアされない場合、障害発生と判断する。

RTC(Real-Time Clock)
コンピュータが内蔵する時計でシステム電源が落ちてもバッテリバックアップなどにより時刻を刻み続ける特徴を持つ。

7. その他機能


以下、ハードウェアのその他機能。

診断プログラム
ハードウェアに問題が発生した場合、メーカーサポートに問い合わせる前の対処として問題原因を特定するプログラムのこと。

オープンソースハードウェア
ハードウェアの設計や回路図、ソフトウェアなどの情報を無償で公開し、オープンソースソフトウェア (※) と同じ形態で設計される電子機器を指す。

[応用情報技術] [基礎] [14] 覚書き : ソフトウェア(その他アプリケーション) >「6. オープンソースソフトウェア(OSS)」

エネルギーハーべスティング
特に身の回りにあるわずかなエネルギー(太陽光、照明光や機械の振動、熱エネルギーなど) を集め、電気に変換する技術のこと。


以上。


【参考文献】
瀬戸 美月 (2020) 『徹底攻略 応用情報技術者教科書』株式会社インプレス


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