順序回路とは？デジタル回路の基本と応用

順序回路（sequential circuit）は、デジタル回路の一種であり、入力と現在の内部状態に基づいて出力が決まります。

本記事では、順序回路の基本的な概念、主要な構成要素、そして実際の応用例について詳しく解説します。

順序回路の基本概念

1. 順序回路の定義

順序回路は、入力信号と内部状態を組み合わせて出力を決定する回路です。

この内部状態は、過去の入力によって変化し、記録回路（フリップフロップやラッチ）を用いて保持されます。

入力が同じでも、内部状態によって出力が異なる場合があります。

2. 主な構成要素

• フリップフロップ: 最も基本的な順序回路の一つで、S（Set）とR（Reset）の二つの入力を持ちます。
• 例えば、（S,R）が（1,0）の場合、出力は1に設定され、（0,1）の場合は0になります。
• （0,0）の場合は、直前の出力が維持されます。
• ラッチ: フリップフロップと似た構造を持つが、トリガー方式が異なります。
• データを保持する機能があり、特定の条件で出力を更新します。
• レジスタとカウンタ: 順序回路の一部として内部状態を保持する機能を持ち、データの保存や数のカウントに利用されます。

順序回路の実用例

1. CPUとGPU

中央処理装置（CPU）やグラフィック処理装置（GPU）は、複雑な順序回路の一種と見なすことができます。

これらのプロセッサは、高速な計算を行うために、多くのフリップフロップやレジスタを用いて内部状態を管理します。

2. デジタルデバイスの制御

順序回路は、さまざまなデジタルデバイスにおいて制御システムの核心を成しています。

たとえば、自動車のエンジン制御ユニットや家電製品の制御基板など、内部状態を持つことが必要な場面で使用されます。

組み合わせ回路との違い

順序回路は、内部状態を持つ点で組み合わせ回路（combinational circuit）とは異なります。

組み合わせ回路は、その時の入力信号のみで出力を決定し、内部状態を持たないため、出力は常に入力に依存します。

まとめ

順序回路は、デジタル回路において非常に重要な役割を果たしており、特にプロセッサや制御システムにおいてその特性を活かしています。

内部状態を保持することによって、過去の入力に基づいた出力が可能となり、多様なアプリケーションで利用されています。

この理解は、デジタル回路設計や応用技術を学ぶ上で非常に重要です。

さらに参考してください。

順序木（Ordered Tree）とは？データ構造の基本と応用