第１６回
デジタル回路シミュレーション（２）
前号で紹介したようにLogicSimはソフト本体に含まれる標準部品は少ないが、ゲートやFlipFlopなどはAND､OR､NOTの基本３素子を使って容易に追加作成できる。そこではじめにゲートの入力数を４入力まで増やしたり、負論理の論理記号もライブラリーに加えておいたほうが後の作業が楽になる。
LogicSimは簡易シミュレータとはいうものの、階層設計が可能のこととタイミングチャートの表示が可能な点が大きな特徴である。今回は前半に階層設計の例として３桁の加算器を取り上げ、モジュールの作り方とシミュレーションの方法を学ぶ。また後半はカウンタやシフトレジスタなどの順序回路の動作をタイムチャートの機能を有効に使ってシミュレーションする。
標準部品の追加
LogicSimのシミュレータ本体に付属している標準部品としてのゲートは２入力のAND､OR､NAND､NORおよびXORだけであり、またバッファーはBufferとNOTだけである。ゲートの入力数は4入力までは標準で備えておきたい。また負論理の論理記号も回路動作の理解を助けるし、標準ICの等価回路を入力する際には欠かせない。
前号の「カスタム化とモジュール」の項で３入力ANDのモジュール化の例を紹介しており、多少重複するが、ここでは４入力NANDと４入力の負論理NORの例を取りあげる。
１．ゲートの入力数拡大
図１のように標準部品のAND２個とNAND１個をドラッグして４入力NAND回路を合成する。
「Circuit｣メニューで「Create
Module]を選ぶとプレビューが表れるが、標準のシンボルはボックスで表示されるのでそのままでは使えない。そこでクラリスワークスのドロー環境を使ってあらかじめ４入力NANDのMIL論理記号によるシンボルを作成しておく（図２）。
完成したシンボルはグループ化し、これをコピーしておく。次にLogicSimのModule
PreviewでPasteボタンをクリックするとボックス形状のシンボルがこのMIL論理記号のシンボルに置き変る（図３）。
このとき入力と出力ピンの位置を示す青丸と赤丸はシンボルの端子位置からずれることがあるので丸をドラッグして位置を修正しておく。完成したらSaveボタンを押してModuleフォルダーに4NANDという名前で保存する。
図１の回路は負論理では４入力のNOR回路であるから、負論理NORのシンボルを別に用意してペーストすれば同じ回路が別の論理記号でモジュール化できる。このようにして標準部品はモジュール化によって増やすことができ、使用するときは「Circuit｣メニューの「Load
Module」コマンドで部品パレットに呼び出してドラッグすればよい。
このようにしてできた新しいゲートとバッファーを図４に示す。
階層設計について
一般に論理回路設計は階層構造をとり、論理機能は機能単位にモジュール化される。この場合、上位レベルから設計を行うトップダウン方式と下位から設計を行うボトムアップ方式があるがLogicSimはボトムアップ方式の階層設計ができる。
階層設計の例として１０進３桁の加算器の例を示す。この回路は下位から、半加算器、全加算器、４ビット加算器、ＢＣＤ加算器の４層で構成される。
１．半加算器
図５は半加算器の回路図を示す。
この半加算器（Half
Adder)をシミュレーションで動作確認を行い、問題がなければCreate
Moduleコマンドをクリックする。Module previewウインドウ（図６）に表示される各ピンの名前は図４で入力した入出力部品の名前が割り付けられる。
ここでドローソフトで作っておいた論理記号をペーストして独自のものを作ってもよい。ピンの位置を修正した後、モジュール名HAとして保存する。
２．全加算器
次にまた新しいファイルを開き、Load Module
コマンドにより指定のフォルダーからHAモジュールを開くと部品パレットの下部にHAモジュールが追加されるので、これをドラッグして図７の全加算器（FULL
ADDER）の回路を作成する。
これも同様にしてシミュレーションにより動作を確認し、問題がなければFAという名前で保存する。
３．４ビット加算器
さらに、新しいファイルを開き、FAモジュールをドラッグして、図８の４ビット加算器の回路を作成する。
これもシミュレーションで動作を確認する。例えば、５+Ｃを実行すると和
は1でキャリー（COUT)は1となる。同様に4ADDERの名でモジュールとして保存する。
シミュレーションの実行時には、入力、出力の状態表示だけでなく回路の内部にある各部品について入力と出力の状態が表示されるので、回路規模が大きくなって段数が増えた場合にはこれを活用すると信号を追いかけてチェックするのに都合が良い。
４．ＢＣＤ加算器
さらに新しいファイルを開き、この4ADDERモジュールを使って、図９のＢＣＤ加算器（BCD ADDER）の回路を作成する。
ここでは入力と出力に表示器を使い、１０進１桁の加算動作がシミュレーションで直接確認できるようにしてある。被加数、加数の入力は表示器をクリックする毎に１づつ増加する。図の例では７＋６で桁あげが生じ、CARRYのLEDが点灯し、一桁目の結果３が表示されている。FAでは8+8は和が0でキャリー1となったが、ここでは8+8は和が6でキャリーが１となる。
この回路をBCDADDERという名でモジュール化する。ただし、この回路のままでは入力と出力のピンが指定できないので表示器を入力スイッチとLEDに変えてピンの名前を指定した別名のファイルを用意する必要がある。
５．３桁加算器
図１０はモジュールBCDADDERを３個使って１０進数３桁の加算器を構成したものである。被加数、加数とも９９９まで入力可能で和はキャリーで１を表示するようにしているので1998まで表示できる。
６．２の補数によるＢＣＤ加算／減算回路
またFAモジュールを使った別の例として図１１の２の補数によるBCDの加算／減算
回路を示す。S/AをＬにしたときは加算動作、Ｈにしたときは減算動作が行われる。S/AがＨの場合、減数B0､B1､B2､B3はEXｰORによって反転されコンプリメントとなり全加算器に入力される。このときLSBの全加算器のキャリーCIにも１が加えられるので、結局、２の補数が作られたことになる。例えば、十進数で10-7=3の計算を例にとると、１０進数の７は２進数では0111であるから、コンプリメントは1000となる。これに1を加えると1001で、これは２の補数であるから1010+1001=10011となる。加算の結果キャリーが1となるのは結果が正の場合で、はキャリーを捨てた残り0011（10進の3）がそのままは答えとなる。減算結果が負になる場合はキャリーが生ぜず、結果は２の補数として残るので、絶対値はさらにその補数をとる必要がある。
タイムチャートの活用
LogicSimの特徴は上記の階層設計が可能な点であるが、もう一つの特徴はタイムチャートの表示が可能な点である。これはフリップ・フロップ、カウンタやシフトレジスタなどの順序回路の動作を検証する場合に便利である。
１．並列データー直列データ変換回路
はじめに作成した４入力NANDゲートを利用して８入力のマルチプレクサ74ＨＣ151の等価回路を描き（図１２）、これをモジュール化する。
このモジュールと別に用意した４ビットのカウンタモジュールを使って並列データー直列データ変換回路（図１３）を作成する。
シミュレーションで並列データ10101010を入力しストローブを1にすると出力ＹのLEDが等間隔で点滅しブザーがなる。また「Windows」メニューでSignalsをチェックするとタイムチャートが表示され並列データ10101010が直列データに変換される様子を見ることができる（図１４）。
２．DｰFFとDラッチの動作
D-FFとDLatchの動作の違いを見るため図１５の回路を作る。入力信号Dをステミュラスで図１６のように定義してシミュレーションを実行すると図１７のタイムチャートに示すように動作の明らかな違いを比較して見ることができる。
３．JKｰFFのノイズによる誤動作
ステミュラスによって外来ノイズを定義してＪＫーFFのＪ入力に加えてみるとマスタースレーブ方式では誤動作して出力が反転する様子を観察できる（図１８）。エッジトリガー方式のJKｰFFに同じノイズを加えても誤動作は見られない。
（つづく）
参考文献
Arnold's Web Page：http://www.planete.net/~amasson/logicsim.html
佐藤武久「早わかりデジタル回路技術と実用ノウハウ」日刊工業新聞社「電子技術」誌連載（94年1月号から96年1月号まで全15回）
