論理回路シミュレータlogisimで順序回路、JKFlipFlopを学ぶ

Logisimでは最初からFlipFlop回路が用意されているので、これを使って順序回路、フリップフロップの仕組みを学んでいきます。

まず、順序回路とは、出力をもう一度入力として使う回路のことです。これにより前の情報を保持することができます。レジスターやRAM、ROMはフリップフロップを大量に繋げることで実現しているようです。またカウンターは、1,2,3を前の数を踏まえて数え上げていくのでこれにもフリップフロップが必要になります。

Youtubeに、Logisimでカウンターを作る3分ぐらいの動画があったので、これからいろいろ調べていきます。

カウンター

Logisimにある部品を使えばよいだけなので、フリップフロップ仕組みが分かっていなくても、すぐにカウンターを作る事ができました。

Logisimにはあらかじめ回路が用意されている

やっぱり、小さな回路のシミュレーションでも自分で作って動作するとうれしいですね。

最初はなぜこれでカウンターになるのかが分かりませんでしたが、ポイントはクロックです。

一番左のSマークがクロックで、このクロックの立ち上がり(電気が通る=1=薄い緑)で、一番左側のJKフリップフロップが動作します。クロックが薄い緑になるたびに、JKフリップフロップの出力Qが、薄い緑(=ON)または濃い緑(=OFF)になります。

出力Qを次のJKフリップフロップのクロック入力に繋げているのがポイントです。出力Qと出力~Qが交互になるという事は、入力信号に対してQは1/2でしかONにならなくなります。よって右隣りのJKフリップフロップは1/2の速度の動作になっていきます。

またJKフリップフロップは前の情報を保持しているので、2進数の各桁となり、バイナリーカウンターとなります。あとは、2進数を10進数に変換できればよさそうです!

同じものを配線をまとめて縦にして作成

上記でも4桁のカウンターが、0000,0001,0011,0100とカウントアップされているのが確認できます。


SRラッチ

シミュレーションをリセットするとRED LINE!!

正論理のSRラッチを作成した際に、メニューの[Simulate]->[Reset Simulation]をすると、図の下のように、ワイヤーが赤になりおかしくなりましたが、とりあえず入力R押せば正常に動作できました。

Clocked SRラッチ

入力のSet,Resetを1にしてみるとエラーが発生しました。SRフリップフロップはS=1,R=1の時は不定なのでこれは正しい挙動なのだとおもいます。

参考資料

順序回路は、日本語のデジタル回路の入門サイトで学ぶことができるので問題ありませんが、Logisimで試してみたい場合は日本語のサンプルがないため、英語のサイトを調べるがあります。

Leanabout electronics には、順序回路(Sequential Logic)のSR Flip FlopsやJK Flip-flopsのLogisimのファイルがありダウンロードしてLogisimで試せます。

http://www.learnabout-electronics.org/Digital/dig54.php

自分のプロジェクトにロードする方法。

http://www.learnabout-electronics.org/Digital/dig510extra.php#simlist

上記から、該当する.cricファイルを右クリックで適当な場所に保存します。メニューの[Project]->[Load Library]->[Logisim Library…]を選択すると、ダイアログが表示されるので保存した.cricファイルを選択するとロードされます。

Logisim Library…を選択
.circファイルを2つロードした例

Logisimでのタイミングについて

フリップフロップを調べると、出力された信号を入力信号に使うため、クロックの立ち上がりやタイミングが重要になってくることが分かってきます。メニューの[Help]でLogisim Documentationウィンドウを表示して、Logisim References->Value propagation->ShortcomingにLogisimの仕様が詳しく書かれています。

Logisimは教育目的では問題ないですが、産業用回路のデザインには十分でないと書かれています。ある程度割り切って使う必要があります。

 

LogisimでJKフリップフロップ

Logisimではこれはエラーになるようです。

上記のように単純なJKフリップフロップはNAND回路から作る事ができないようです。ですが、いくつか条件がつきますが、JK Master Slave Flip-flopは作れるようです。

http://www.learnabout-electronics.org/Digital/dig510extra.php

Fig. 5.4.3 Level Triggered JK Master Slave Flip-flop

全てNANDで作られている

このサンプルのNOTEに書かれているように、SimulationをResetしたりすると、ワイヤーが赤くなって動かなくなります。その時は、一度NANDのG3につながっているXワイヤーを付け直せば動作します。ひとまずこれで、J=K=1の時に、Qと~Qで0,1を交互に繰り返す仕組みを再現できました。

よく見ると、NANDが8個で動作しているだけです。入力のクロックを入力JはKと同様に1bitの入力にして、自分で押しながら動作を追ってみればすぐに理解できそうです。

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