2025年06月17日
- kojima295
- 6月17日
- 読了時間: 8分
更新日：6月18日
おはようございます。
・・・
申し訳ございませんでした。
昨晩は、寝落ちをしてしまいました。
本日は、じっくり技術講座を行います。
特に、本日は用事がございません。
「4ビットマイコン」と「シュシュ」がお話の中心となります。
「点字ディスプレイ」は、まだシステム用部品が到着しておりません。
いきなりですが、、、
CPUをいきなり作ってしまいましょう！
よし、CPUを創る！！
CPUを創るには「フリップ・フロップ」と言う回路を理解する必要があります。
「フリップ・フロップ」の中でも「D型フリップフロップ」が重要です！
これが、メチャめんどくさい！
困っちゃうんですけど、ヤルしかない！
これは難しい！！
【Dフリップフロップの解説】
Dフリップフロップを 小学生にもわかるように、かんたんに説明しますね。
1. 「覚えておく箱」だよ！
Dフリップフロップは、 1ビット（0か1）の情報を 「覚えておく箱」 のようなものです。
この箱には２つの口があって、
D（データ）：覚えたい数字（0か1）を入れる口
Q（出力）：箱が今覚えている数字（0か1）を取り出す口
2. 「チクタク時計」の音で動くよ！
フリップフロップには「クロック」というチクタク時計のような信号（音）があって、
チクタク（↑）のタイミングでだけ、Dの中身を覚えます。
それ以外の時間は、中身をずっとキープ（そのまま記憶）します。
クロックがチク（↑） → いまDに入っている数字を覚える チクタクしていないとき → 前に覚えたまま変わらない
3. たとえば…「先生と答え合わせゲーム」
先生（クロックのチク）が「はい、答えて！」と言ったら、
手元の解答用紙（D）に書いてある答えをそのまま黒板（Q）に写す。
それ以外の時間は、黒板の答えはずっとそのまま。
このゲームと同じで、Dフリップフロップは「先生の合図があったときだけ、Dの答えを覚えて（Qに出して）、 それ以外はずっと覚えている」んだよ。
4. いつ使うの？
コンピュータの中では、数字や文字の「記憶装置」をたくさん並べて使います。
Dフリップフロップを何個もつなげると、複数ビットの情報を一度に覚えられる「レジスタ」になります。
これで、ゲームのスコアを覚えたり、絵を動かしたり、いろいろな動きをコントロールできます。
ポイントまとめ
1ビットを覚える箱
クロック（チクタク）でだけ覚える
それ以外はそのままキープ
これがDフリップフロップの仕組みだよ！わかったかな？
【マルチプレクサの解説】
マルチプレクサ（MUX）を小学生にもわかるように説明するね。
1. 「どれを通すか選ぶ分岐器（ぶんきき）」だよ！
マルチプレクサは、たくさんの道（入力）から１本の道（出力）を選んでつなぐ「分岐器」のようなもの。
英語では “Multiplexer” といって、略して「MUX（マックス）」とも呼ぶよ。
2. 「リモコン」で例えてみよう
テレビのリモコンでチャンネルを選ぶのと同じだよ。
テレビにはチャンネル1～10までたくさん映像がある。
リモコンのボタン（これが“選ぶ信号”）で「チャンネル3！」と押すと、
テレビはチャンネル3の映像だけを画面に出すよね？
マルチプレクサも同じで、「どの入力番号（チャンネル）を選ぶか」を信号で伝えると、その番号の信号だけを出口に出してくれるんだ。
3. どうやって選ぶの？
マルチプレクサには 選択ビット（Select ビット） があるよ。
たとえば、入力が4本（0～3）あるときは、2本の選択ビット（00～11）でどれを出すか決める。
選択ビット | 出力する入力 |
00 | 入力0 |
01 | 入力1 |
10 | 入力2 |
11 | 入力3 |
4. たとえば…「アイスクリーム屋さんゲーム」
アイス屋さんにはバニラ・チョコ・イチゴ・抹茶の４つの味があるよね。
「今日はどれがほしい？」とお客さん（選択ビット）が言う。
お客さんが “10” と言ったら → イチゴ！
アイス屋さん（マルチプレクサ）は「じゃあイチゴをどうぞ！」と１つだけ渡す。
こうやって、たくさんの中から「これ！」と指定されたものだけを選んでくれるのがマルチプレクサなんだ。
5. いつ使うの？
コンピュータや電子工作では、
たくさんのセンサーの中から１つの値を取り出したり
いくつもの信号をまとめて１本にして転送したり
画面に出す映像を切り替えたり…といったときにとても便利だよ。
ポイントまとめ
たくさんの入力から１つを選ぶ分岐器
選択ビット（リモコンのボタン）でどれを出すか決める
コンピュータの中で信号を切り替えるのに使う
これがマルチプレクサの仕組みだよ！わかったかな？
今、1ピットCPUを創ろうと考えいます。
命令の種類は「MOV X1, X2」（X1レジスタ内容をX2レジスタに移動させる命令）です。
各レジスタは1ビットです。
上記回路をDフリップフロップとマルチプレクサのみで作成できますか？
注意するべき点として、中学生でもわかるように解説願います。
はい。1ビットCPUを、Dフリップフロップとマルチプレクサだけで作るイメージを、中学生にもわかるように説明します。
1. 登場するもの
レジスタ X1, X2
それぞれ1ビット（0か1）を覚える「箱」です。
箱の中身は Dフリップフロップ で実現します。
マルチプレクサ（MUX）
たくさんの道（入力）から「どの道を通すか」選ぶ分岐（ぶんき）器です。
2つの信号入力から、1つを選んで出力できます（2対1 MUX）。
クロック（時計のチクタク）
「チクッ」というタイミングでだけ Dフリップフロップ が中身を更新します。
2. どう動かす？「MOV X1→X2」命令一つだけのしくみ
X1箱
いつも自分の中身をキープ（変えない）するだけ。
→ MUX1 は「もともとの X1」（Q1）を選択。
X2箱
命令ビット（MOV信号）が「1」のとき：X1の中身（Q1）を取り込む（移動する）。
「0」のとき：自分の中身（Q2）をキープ。
→ MUX2 の選択ビットに「MOV信号」をつなぎ、
0: 入力0＝Q2（自分を保持）
1: 入力1＝Q1（X1をコピー）
クロックがチクッで一斉更新
クロックの「立ち上がり（↑）」で、
X1箱には MUX1 出力（いつもQ1）が入り → 変わらず0か1を記憶
X2箱には MUX2 出力（Q1かQ2）が入り → MOV信号に応じてコピー or キープ
3. 動作の流れをゲームにたとえると
準備：「X1箱」「X2箱」にそれぞれ0か1が入っている。
命令スタート：MOV信号が「１」なら「X1の箱をX2の箱に写す」、「０」なら何もしない。
チクタクの合図：
X1箱は自分の中身をそのまま覚え直し（何も変わらず）
X2箱は指示どおり「写す」か「キープ」
結果：1クロック後、X2の中身がX1と同じに（または変わらず）なる！
4. 注意点
MUXは「何を入れるか」選ぶだけ。中身を覚えるのは Dフリップフロップ。
クロックがない間は、レジスタの中身はずっと保持されるよ。
この回路なら命令が「MOV X1→X2」のときだけ動いて、ほかの時間は何もしないCPUになる！
まとめ
レジスタ＝Dフリップフロップで1ビットを記憶
マルチプレクサ＝命令に応じて「保持 or コピー」を選択
クロック＝チクタクで同時に更新
これだけで「MOV X1, X2」命令を実現できる、シンプルな1ビットCPUの回路が完成だよ！
分かりませんね。何故マルチプレクサが必要なのですか。
単にレジスタのコピーだけであれば、フリップフロップだけで出来るのではありませんか？
マルチプレクサが必要な理由を、中学生にもわかるように説明しますね。
1. Dフリップフロップは「箱」だけ
Dフリップフロップは「中身を覚える箱」です。
でも、覚える中身（D入力）が １つだけ しかつなげません。
このままだと、常に「同じ１つの線」だけを覚えるしくみになります。
2. 「場合分け」ができないとコピーできない
今回のCPUでは、X2レジスタに
場合①： 自分の中身（Q2）をそのままキープ
場合②： X1レジスタの中身（Q1）をコピー…という ２つのうちどちらか を選びたい。
でも D-FF は「D入力」が１本しかないから、「Q2の線」と「Q1の線」の どちらをつなぐか 決める回路が必要です。
3. マルチプレクサは「スイッチ」の役目
マルチプレクサ（MUX）は、
**入力が２つ（Q2 と Q1）あって、
選択ビット（MOV信号）で「どちらをDに送るか」を切り替える**
まさに電気の道における “切り替えスイッチ” です。
MOV=0 のとき → Q2 を D2 に
MOV=1 のとき → Q1 を D2 に
これで「コピーする／しない」の場合分けができます。
4. もしマルチプレクサがなかったら？
D-FFのD入力にどちらか一方しかつなげないので、
ずっと Q2 をつないでおけば「コピーできない」
ずっと Q1 をつないでおけば「キープできない」
「キープするときはQ2、コピーするときはQ1」という動きを作れません。
もちろん AND/OR/NOT やトランジスタで同じ選択回路を作ることはできますが、それをひとまとめにしたのが「マルチプレクサ」という便利な部品なんです。
ポイントまとめ
D-FFは記憶「箱」 で、入力は１本しかない。
コピー／保持の２つから選ぶとき、入力を切り替える回路が必要。
マルチプレクサは入力切り替えのスイッチ だから、なくてはならない！
これで、なぜマルチプレクサが必要なのかイメージできたかな？
チョット待った！なんとなく分かってきました。
つまり、「MOV X1, X2」命令が実行された時だけ、レジスタの値をコピーするんだ。
それ以外のときには、コピーしてはならない。
これを切り替えるために、マルチプレクサがあるんですか？
そうです、そのとおりです！
ポイントまとめ
命令ビット（MOV）＝1 のときだけ → X1 の値を X2 にコピー
MOV＝0 のとき → 何もしない（X2は自分の値をキープ）
どちらを X2 に送るかを「切り替える」のがマルチプレクサの仕事
イメージ図で見ると…
MOV=0 → MUX が「X2（古い値）」を選んで D2 に送る
MOV=1 → MUX が「X1 の値」を選んで D2 に送る
そしてクロックのチクタクで D2 を覚え直すから、
MOV=1 のときだけ「コピー」、
MOV=0 のときは「保持」が実現できるんだよ。
これでマルチプレクサが「コピーするかどうか」を切り替えるスイッチとして必要、という理由がはっきりしたね！
・・・
これね、、、
チョット、難しかったか！！
これは、私が悪いんだろうなあ。。。
分かるように解説を施します。
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