マイクラで論理ろんり回路かいろ（ろんりかいろ）を学まなぼう（第だい9回かい）

Learning logic circuits by Minecraft (part 9).

前回ぜんかいに続つづき、マイクラで論理ろんり回路かいろ（ろんりかいろ）を学まなぼう、の第だい 9回かい目めです。今回こんかいは、フリップフロップという面白おもしろい回路かいろを勉強べんきょうしましょう。

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組くみ合あわせ（くみあわせ）回路かいろと順序じゅんじょ（じゅんじょ）回路かいろ

いきなり難むずかしい言葉ことばが出でてきましたが、頑張がんばりましょう。

今回こんかいのシリーズで、これまで出でてきた論理ろんり回路かいろは、全すべて「組くみ合あわせ（論理ろんり）回路かいろ」というものでした。論理ろんり回路かいろには、入力にゅうりょく信号しんごう（0 や 1 の信号しんごうが入はいってくるところ）と出力しゅつりょく信号しんごう（出でて行いくところ）があります。前回ぜんかいまでに真理しんり値ち表ひょう（しんりちひょう）というものも習ならいました。真理しんり値ち表ひょうは、すべての入力にゅうりょくの組くみ合あわせに対たいして、出力しゅつりょくがどうなりますよ、ということを、表ひょうにまとめたものです。

組くみ合あわせ回路かいろでは、入力にゅうりょくの組くみ合あわせが決きまると、出力しゅつりょくが必かならず決きまります。例たとえば AND（アンド）回路かいろでは、入力にゅうりょく信号しんごうの全すべてが 1 であれば、出力しゅつりょくは必かならず 1 になります。そうでないときは、出力しゅつりょくは必かならず 0 になります。

ところが、今回こんかい紹介しょうかいする順序じゅんじょ（論理ろんり）回路かいろでは、入力にゅうりょくが決きまっても、出力しゅつりょくが決きまらない（分わからない）ことがあるのです!

順序じゅんじょ回路かいろの考かんがえ方かたを正ただしく説明せつめいするには、高校生こうこうせいくらいの数学すうがくの勉強べんきょうが必要ひつようになってきますので、今回こんかいは、「SR フリップフロップ回路かいろは、順序じゅんじょ回路かいろの一ひとつなんだ。入力にゅうりょくが同おなじでも、出力しゅつりょくがいつも同おなじとは限かぎらないんだ」ということだけ、覚おぼえて貰もらえばだいじょうぶです。

SR フリップフロップ

SR（エスアール）フリップフロップは、略りゃくして SR-FF（エスアール・エフエフ）と呼よぶこともあります。

補足ほそく: フリップフロップ以外いがいに「ラッチ」という技術ぎじゅつもありますが、分わかりやすさのため、ここでは全すべてフリップフロップという用語ようごに統一とういつします。

フリップフロップ（flip-flop）とは、英語えいごで「とんぼ返がえり」「宙返ちゅうがえり」といった意味いみだそうです。パタン、パタンとひっくり返かえるもの、といったところでしょうか。あるいは、公園こうえんにある遊具ゆうぐのシーソー（ぎったん・ばっこん）をイメージして貰もらえば分わかりやすいと思おもいます。

SR フリップフロップの SR とは、Set（セット）, Reset（リセット）の略りゃくです。「セット（S）」と「リセット（R）」という 2つの入力にゅうりょく信号しんごうがあり、それらに真しん（しん）あるいは 1 を入力にゅうりょくするたびに、回路かいろをセットしたりリセットしたりすることができます。一度いちどセットしたり、リセットしたりした SR フリップフロップは、S と R がいずれも偽にせ（ぎ）あるいは 0 のときは、回路かいろの「状態じょうたい」が変化へんかせず、ずっと同おなじ状態じょうたいを保たもち続つづける働はたらきがあります。

ちょっと難むずかしいですね。図ずを書かいて説明せつめいしましょう。

タイミング図ずについて

組くみ合あわせ回路かいろのタイミング図ず

以下いかで示しめす図ずは、タイミング図ず（timing diagram）と呼よばれるものです。時間じかんが経たつに連つれて、論理ろんり回路かいろの信号しんごうがどのように変化へんかするのかを示しめすものです。

まずは、AND 回路かいろを使つかってタイミング図ずを見方みかたを学まなびましょう。AND 回路かいろは、こんな記号きごうで表あらわす基本きほん的てきな論理ろんり回路かいろでした。

入力にゅうりょく A と B に 0 や 1 を入いれたときに、出力しゅつりょく X がどのように変化へんかするかを示しめしてみましょう。

この入力にゅうりょくは、このように入力にゅうりょくしなくてはいけない、という意味いみではなく、もしこのように入力にゅうりょくしたら、という意味いみだと考かんがえてください。図ずの横よこ軸じくは時間じかんになっていて、左ひだりから右みぎに時間じかんが進すすんでいきます。

図ずの左端ひだりはしでは、入力にゅうりょくの A と B がいずれも 0 であることを示しめしています。（図ずでは、0 のときは低ひくい線せん、1 のときに高たかい線せんになります。）

AND 回路かいろでは、このような入力にゅうりょくのとき、出力しゅつりょくが 0 になることを習ならいましたね。ですので、この部分ぶぶんは正ただしい図ずになっています。

さて、縦たて線せん一ひとつ分ぶんだけ右みぎを見みてください。時間じかんが少すこし進すすんで、入力にゅうりょく A が 1 になりました。ここでも、出力しゅつりょく X は 0 のままです。さらに一ひとつ時間じかんが進すすんで入力にゅうりょく B も 1 になりました。そうすると、AND 回路かいろの決きまりにより、出力しゅつりょく X は 1 になります。 最後さいごに、もう一ひとつ時間じかんが進すすんで入力にゅうりょく A が 0 になると、出力しゅつりょく X は 0 になります。

なお、組くみ合あわせ回路かいろでは入力にゅうりょくが決きまれば出力しゅつりょくが決きまるので、実じつは、このようなタイミング図ずがなくても、真理しんり値ち表ひょうだけで回路かいろを理解りかいすることができます。ところが、SR フリップフロップでは、そうはいかないのです!

SR フリップフロップのタイミング図ず

SR フリップフロップは、回路かいろ図ずでは次つぎのような記号きごうで表あらわします。

S（セット）と R（リセット）が入力にゅうりょくで、出力しゅつりょくは一般いっぱんに Q と Q バー（上うえ線せん）で表あらわします。Q バーは、通常つうじょうは Q の NOT になるので、使つかわなければ書かく必要ひつようはありません。今回こんかいも、Q バーは使つかいません。

SR フリップフロップのタイミング図ずの例れいを示しめします。

これも左側ひだりがわから見みていきます。

最初さいしょに、出力しゅつりょく Q の波形はけいに斜線しゃせんが引ひかれていますが、これは「不定ふてい（ふてい）」という意味いみです。つまり、0 でも 1 でも良よい、あるいは、0 か 1 か分わからない、という意味いみです。

時間じかんが一ひとつ進すすんで、S が 1 になりました。S はセットの信号しんごうなので、ここで Q がセットされて 1 になります。Q がもともと 1 だった場合ばあいは、ここでは Q は変化へんかしません。

さらに時間じかんが一ひとつ進すすんで、S が 0 になりました。S も R も 0 のときには、SR フリップフロップの状態じょうたいに変化へんかがなく、前まえの状態じょうたいが続つづきます。

さらに時間じかんが一ひとつ進すすんで、今度こんどは R が 1 になりました。R はリセットの信号しんごうなので、ここで Q はリセットされて 0 になります。

次つぎに、R が 0 になりますが、ここでも Q の状態じょうたいは変かわりません。

さらに時間じかんが進すすんで、もう一度いちど S が 1 になりました。すると、ここでも Q は 1 に変化へんかします。

さて、皆みなさん、ここまで分わかりましたでしょうか?

SR フリップフロップが順序じゅんじょ回路かいろだよ、という意味いみ

さて。ここまで読よんで頂いただいて、ふーん、組くみ合あわせ回路かいろと順序じゅんじょ回路かいろと何なにが違ちがうの? と思おもわれた方ほうもあるでしょう。それでは、説明せつめいしましょう。

SR フリップフロップの、上うえのタイミング図ずをもう一度いちど見みてください。左ひだりから 3マス目めのところで、S と R がどちらも 0 になっている部分ぶぶんがありますね。このとき、Q は 1 になっています。もう少すこし右みぎの 6マス目めのところでも、S と R がどちらも 0 である部分ぶぶんがありますが、このときは Q は 0 になっています。

これが、SR フリップフロップが組くみ合あわせ回路かいろではなく、順序じゅんじょ回路かいろだというポイントなのです。つまり、入力にゅうりょくの組くみ合あわせが同おなじでも、あるときは Q が 1 であり、あるときは Q が 0 なので、簡単かんたんな真理しんり値ち表ひょうでは SR フリップフロップを書かき表あらわせない、ということなのです!

ところで、SR フリップフロップでは S と R を同時どうじに 1 にしてはいけません。回路かいろが壊こわれてしまう、ということはないのですが、SR フリップフロップでは、S と R を同時どうじに 1 にすることを「組くみ合あわせ禁止きんし」（違反いはんした使つかい方かた）としています。つまり、そのような使つかい方かたをした場合ばあい、「Q と Q バーがどうなるかは知しらないからね。たまたま、ある動うごきをするかも知しれないけど、いつもそうなるとは限かぎらないからね」ということになります。

最後さいごに、SR フリップフロップは記憶きおく回路かいろの一いち種しゅです。記憶きおく回路かいろというのは、以前いぜんのことを覚おぼえていることのできる回路かいろのことです。よく、パソコンやスマートフォンの話はなしで、RAM（メモリ）が何なんギガバイト、というようなことを言いいますが、この「RAM」というのは記憶きおく回路かいろで作つくられています。正確せいかくには少すこし違ちがうのですが、パソコンにメモリが 1ギガバイトあるとき、1バイトはフリップフロップ 8つ（8ビットと言いいます）で作つくれるので、そのパソコンにはフリップフロップが 8,000,000,000（80億おく）個こ入はいっている、ということになります。フリップフロップは、電子でんし回路かいろの中なかで大だい活躍かつやくしているのです!

マイクラで SR フリップフロップを作つくってみよう

さて、お待またせしました。Minecraft（マイクラ）のレッドストーン回路かいろで SR フリップフロップを作つくってみましょう。

下したのビデオを見みてもらったほうが楽たのしいと思おもうのですが、少すこしだけ、技術ぎじゅつ的てきなことを説明せつめいしておきましょう。

ポイントの一ひとつ目めは、レッドストーンリピーターを使つかい、その出力しゅつりょくを入力にゅうりょくに戻もどしてあげると（これを、技術ぎじゅつの世界せかいではフィードバック、あるいは難むずかしい日本語にほんごで「帰還きかん」といいます）、その回路かいろは S フリップフロップ（R なし）になります。

ポイントの二ふたつ目めは、この回路かいろに R（リセット）端子たんしを用意よういするために、以前いぜんに説明せつめいした「レッドストーンコンパレーターの基本きほん回路かいろ」が使つかえるということです。この「基本きほん回路かいろ」は、入力にゅうりょく A が 1 で、入力にゅうりょく B が 0 のときだけ、出力しゅつりょくが 1 になります。これをどうやって使つかうと SR フリップフロップを作つくれるのでしょう? この辺あたりは、ぜひ、ビデオを見みながら皆みなさんも考かんがえてみてくださいね。

今日きょうはここまで!  次回じかいからは、さらに別べつのフリップフロップである、D フリップフロップ、T フリップフロップという回路かいろを勉強べんきょうしていきたいと思おもいます。なお、以下いかの YouTube チャネルに御ご登録とうろく頂いただくと、新あたらしい教材きょうざいが公開こうかいされた際さいにすぐ御覧ごらん頂いただけます。よろしくお願ねがいいたします!

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