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マイコンのIOピンはなぜ入出力の両方に使えるのか?
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長岡技術科学大学 2015年度GPGPU実践基礎工学(全15回,学部3年対象講義) 第6回ソフトウェアによるCPUの高速化技術 2015年度GPGPU実践基礎工学 ・第1回 学際的分野における先端シミュレーション技術の歴史 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu1 ・第2回 GPGPUの歴史と応用例 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu2 ・第3回 GPUクラスタ上でのプログラミング(CUDA) http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu3 ・第4回 CPUのアーキテクチャ http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu4 ・第5回 ハードウェアによるCPUの高速化技術 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu5 ・第6回 ソフトウェアによるCPUの高速化技術 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu6 ・第7回 シングルコアとマルチコア http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu7 ・第8回 並列計算の概念(プロセスとスレッド) http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu8 ・第9回 GPUのアーキテクチャ http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu9 ・第9回補足 GROUSEの利用方法 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu9-59160061 ・第10回 GPGPUのプログラム構造 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu10 ・第11回 GPUでの並列プログラミング(ベクトル和) http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu11 ・第12回 GPUによる画像処理 http://w ww.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu12 ・第13回GPUのメモリ階層 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu13 ・第14回 GPGPU組込開発環境 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu14 ・第15回 GPGPUの開発環境(OpenCL) http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu15 2015年度GPGPU実践プログラミング ・第1回 GPGPUの歴史と応用例 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu1-59179080 2015年度先端GPGPUシミュレーション工学特論 ・第1回 先端シミュレーションおよび産業界におけるGPUの役割 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu1-59180313 講義には長岡技術科学大学のGPGPUシステム(GROUSE)を利用しています。 開発環境 CPU Intel Xeon X5670 × 32 GPU NVIDIA Tesla M2050(Fermi世代) × 64 CUDA 4.0(諸般の事情によりバージョンアップされていません) PGI Fortran 11.3
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長岡技術科学大学 2015年度GPGPU実践基礎工学(全15回,学部3年対象講義) 第5回ハードウェアによるCPUの高速化技術 2015年度GPGPU実践基礎工学 ・第1回 学際的分野における先端シミュレーション技術の歴史 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu1 ・第2回 GPGPUの歴史と応用例 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu2 ・第3回 GPUクラスタ上でのプログラミング(CUDA) http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu3 ・第4回 CPUのアーキテクチャ http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu4 ・第5回 ハードウェアによるCPUの高速化技術 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu5 ・第6回 ソフトウェアによるCPUの高速化技術 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu6 ・第7回 シングルコアとマルチコア http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu7 ・第8回 並列計算の概念(プロセスとスレッド) http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu8 ・第9回 GPUのアーキテクチャ http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu9 ・第9回補足 GROUSEの利用方法 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu9-59160061 ・第10回 GPGPUのプログラム構造 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu10 ・第11回 GPUでの並列プログラミング(ベクトル和) http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu11 ・第12回 GPUによる画像処理 http://w ww.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu12 ・第13回GPUのメモリ階層 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu13 ・第14回 GPGPU組込開発環境 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu14 ・第15回 GPGPUの開発環境(OpenCL) http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu15 2015年度GPGPU実践プログラミング ・第1回 GPGPUの歴史と応用例 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu1-59179080 2015年度先端GPGPUシミュレーション工学特論 ・第1回 先端シミュレーションおよび産業界におけるGPUの役割 http://www.slideshare.net/ssuserf87701/2015gpgpu1-59180313 講義には長岡技術科学大学のGPGPUシステム(GROUSE)を利用しています。 開発環境 CPU Intel Xeon X5670 × 32 GPU NVIDIA Tesla M2050(Fermi世代) × 64 CUDA 4.0(諸般の事情によりバージョンアップされていません) PGI Fortran 11.3
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マイコンのIOピンはなぜ入出力の両方に使えるのか?
1.
マイコンのIOピンは なぜ入出力の両方に使えるのか? 2015-09-20 西尾泰和
2.
このスライドの目的 ArduinoやRaspberry PiなどのIOピンが どうして入力と出力の両方に使えるのか その仕組みが気になって調べ、その過程で 「そもそも入出力とは何か」が気になり、 トランジスタで論理回路を作るところから始めて 最終的にIOピン相当のものを作った。 このスライドの目的はその流れを忘れないうちに 整理して記録することである。 (やらないと忘れてしまうので) 2
3.
トランジスタでNOT回路を作る 論理回路の中で一番小さくてシンプルな 「NOT回路」を作ってみた。 ボタンを押してない時、下のランプが点灯し、 ボタンを押している時、下のランプが消灯する。 3
4.
ブレッドボード 4
5.
回路図 5
6.
スイッチがOFFの時 トランジスタのベースに掛かる電圧が0になり ベースエミッタ間は不通 6 ←エミッタ ベース0V↑
7.
つまりスイッチOFFの時 7 電流流れないゾーン アウトプットのLEDは点灯する
8.
スイッチがONの時 トランジスタのベースに掛かる電圧が5Vになり コレクタエミッタ間に電流が流れる 8 ←エミッタ ベース5V↑ コレクタ→
9.
計算 Bに抵抗10kΩで5V掛かっているとき(5-0.6)V / 10kΩ =
0.44mA の電流がB-E間を流れる。 (B-E間の電圧降下が0.6Vとして) 今回使っている2SC1825はhFE=100(つまり電流 が100倍に増幅される)なのでC-E間には44mAの 電流が流せる。 Vcc-C間は最大5Vで10kΩなので最大でも0.5mAし か流れない。C-E間に44mA流せることは導線で つないでるも同然。 →アウトプットのLEDは消灯する 9 以下B: ベース、E: エミッタ、C: コレクタ
10.
トランジスタでNAND回路を作る ボタンA,B両方が押されたときだけ右端の出力 LEDが消灯する、つまり not(A and
B)。 10
11.
なぜNAND NANDが作れればANDやORなどの 論理回路で一般的なものが作れるから。 NOTはできたので、もう一歩 難しいものを作ってみたかったから。 11
12.
ざっくりとした仕組み NOTは「出力の信号線SGNをプルアップしてHIに し、SGNとGNDの間にトランジスタをいれて、 それのゲートにHI電圧をかけるとSGNとGNDが 短絡同然になってSGNがLOになる」という原理 でNOTのロジックを実現していた。 NANDはこのトランジスタを二段重ねにすること で「両方にHI電圧がかけられたときだけSGNと GNDが短絡同然になってSGNがLOになる」とい う仕組み。 12
13.
ブレッドボード 13
14.
回路図 14
15.
トランジスタでフリップフロップ 15 動画はこちら: https://twitter.com/nishio/status/645258193342337024
16.
フリップフロップ 入力を覚えて置く回路。この例だと直前に押され たボタンが黒ボタンなら緑、白ボタンなら赤を点 灯する。 マイコンが「値を覚える」際の基本的部品。 16
17.
ブレッドボード 抵抗が3つ並んでいるゾーンは、 本当は27kΩの抵抗をつなぎたかった*のだけど 手元になかったので10kΩ3本にした。 17 * http://www.rlc.gr.jp/project/e_circuit/digital/transistor/transistor.htm
18.
回路図 18
19.
IOピンの話題に戻… NOT、NAND、フリップフロップ、と 基本的なところのおさらいをしてきた。 ようやく本題、IOピンの仕組みについて… の前にMOSFETとCMOSについて。 19
20.
MOSFETについて ここまでの回路はバイポーラトランジスタ (2SC1815)を使ってきた。 バイポーラトランジスタはB-E間に電流を流すと その100倍くらいの電流がC-E間に流れる。つま り信号線がHIの時には電流が流れ続けて電力消費 が大きい。 そこで「電流を流す」ではなく「電界を掛ける」 ことで作動するトランジスタ(MOSFET)を使うの が今のLSIでは一般的。 20 https://ja.wikipedia.org/wiki/MOSFET
21.
CMOSについて MOSFETで回路を作る際、GがHIの時にS-D間が導 通するn型MOSと、GにLOの時にS-D間が導通す るp型MOSという「相補的なMOS」を組み合わせ ることが多い。これをComplementary MOS(相補 型MOS)、略してCMOSという。 IOピンもn型とp型を組み合わせる仕組みだった* 21 以下 G:
ゲート、S: ソース、D: ドレイン https://ja.wikipedia.org/wiki/CMOS * IOピンの仕組みについて: http://www.picfun.com/pic22.html
22.
IOピンの仕組み 出力するデータAと、入力モードの時にHIになる BとをAND/ORして、CMOSに入力する(D, E)。 B=LOの時D, Eは同じ値になり、出力はAと一致す る。B=HIの時D=HI,
E=LOとなりどちらも導通せ ず出力ピンはハイインピーダンス(Z)になる。 22
23.
p型MOSFETの入手性の問題 「実際に作ってみて理解を確認」のためには n型MOSFETとp型MOSFETを用意するのが筋だが 残念なことに「ブレッドボードに刺せる形」の p型MOSFETがあんまり流通してない。 そこで電圧をNOTで反転してからn型に入れるこ とで実現することにする。 ORはNANDの組み合わせで作れるし、フリップ フロップもここまでで作れることを確認したので n型MOSさえ買えば全部作れる。 23
24.
買ったもの n型MOSFET 2N7000 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-03918/ 4回路2入力NAND SN74HC00N http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08594/ (NANDが作れることはわかったので 面倒だから自作しないことにした) 24
25.
IOピンを作る フリップフロップは3端子スイッチで代用した。 緑が入出力ピン電圧、赤がMOSゲートの電圧。 25
26.
出力モード 26 左端のスイッチ(出力モードB)が左(HI)の時、 右側のスイッチ(出力用データA)の値によって MOSのゲートに掛かる電圧が変わり、 緑LED(実際の出力F)が変わる。 (AがHIの時にFがLOとなのは MOSへの配線を間違えて逆にしているせい。)
27.
入力モード 出力モードBがLOの時、MOSのゲートに掛かる電 圧は両方ともLOになり、出力ピンはハイイン ピーダンスモードになる。そのため外部のスイッ チでピンの電圧を変動させてもMOSより左側に は影響が及ばない。 27
28.
ブレッドボード・回路図 28
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