PCバス・データ転送の基礎知識

■問題
ディジタル回路

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1(a)は，出力が"H"，"L"，"Z"(切断)の3つの状態を持つTTLのトライステート・インバータを使った，ディジタル信号のトランシーバ回路です．
　トランシーバ回路は，トライステート・インバータのE端子の論理レベル[図1(b)]により，図1(a)のIO1とIO2間でディジタル信号の送信と受信の状態が変わります．
　図1(a)の上側のトライステート・インバータのE(Enable)端子は"H"，下側のトライステート・インバータのE端子は"L"のとき，送信と受信の正しい状態は，(a)～(d)のどれでしょうか．ここで，トライステート・インバータの真理値表は図1(b)になります．

図1　トライステート・インバータを使ったトランシーバ回路と真理値表
(a)　トランシーバ回路
(b)　トライステート・インバータの真理値表
"L"はLow論理レベルを示す．
"H"はHigh論理レベルを示す．
"X"は"L"レベルまたは"H"レベルのいずれかを示す．
"Z"はハイ・インピーダンスを示す．

(a) IO1からIO2へディジタル信号を送信する
(b) IO2からIO1へディジタル信号を受信する
(c) IO1とIO2のディジタル信号を同時に送受信する
(d) IO1とIO2のディジタル信号の送受信を停止する

■ヒント

　図1(a)では，IO1からIO2にディジタル信号を送信，IO2からIO1にディジタル信号を受信します．図1(b)の真理値表を元に，図1(a)のディジタル信号の伝わり方を調べると分かります．出力(Y)が"Z"のハイ・インピーダンスになると，電気的にどのように見えるかがヒントです．

■解答

(a) IO1からIO2へディジタル信号を送信する

　図1(b)の真理値表より，トライステート・インバータは，E端子の論理レベルが"L"なると，出力は"Z"のハイ・インピーダンスになります．ハイ・インピーダンスになると，出力(Y)は，"H"，"L"のどちらでもない，回路から電気的に切断された状態になります．
　図1(a)でハイ・インピーダンスになるのは，E端子の論理レベルが"L"となる下側のトライステート・インバータなので，IO2からIO1へディジタル信号を受信しません．上側のトライステート・インバータのE端子は"H"なので，図1(b)の真理値表よりインバータとして動作し，IO1からIO2へディジタル信号を送信します．以上の検討より，(a) IO1からIO2へディジタル信号を送信するが正解になります．

■解説

●出力(Y)が3つの状態になるトライステート・インバータ
　図1(a)で使っているトライステート・インバータは，入力(A)とE端子の論理レベルにより，出力(Y)が3つの状態になることから，このように呼ばれます．出力(Y)の3つの状態は，図1(b)の真理値表のように，"H"レベル，"L"レベル，"Z"(ハイ・インピーダンス)になります．ハイ・インピーダンスは，ディジタル信号の論理レベルではなく，出力(Y)は電源とGNDのどちらとも接続されず，回路から電気的に切断された状態を表しています．

●バスへのデータ転送に使われるトライステート・インバータ
　トライステート・インバータの出力をハイ・インピーダンスにすると，回路から切り離されて，ディジタル信号を転送しない状態を作れます．これを利用して，コンピュータ・システムのバス(データをやり取りする共有した信号線)にデータを転送するときの経路の選択に使われています．
　トライステート・インバータの使用例として，図2(a)のトランシーバと図2(b)の並列にした使用例があります．

図2　トライステート・インバータの使用例
(a)　データ・バスとI/Oデバイス間のディジタル信号を送受信するトランシーバ使用例
(b)　並列に接続して，共通のバスにディジタル信号を転送する使用例

　図2(a)は，図1(a)をデータ・バスの数だけ用いた例です．8bitのデータ・バスから8個のI/Oデバイスへディジタル信号を送受信するとき，E端子の論理レベルで送信と受信の方向を変えてデータ転送しています．
　次に図2(b)は，1つの共通のバスへデータ転送する例で，I/O1が送信するときは，他はハイ・インピーダンスになるようにE1～E3の論理レベルで制御します．このようにハイ・インピーダンスの状態を使って，データ転送する方向や経路を制御する目的で使われています．

●トライステート・インバータの回路動作
　図3は，TTLのトライステート・インバータ回路で，入力(A)，出力(Y)，ハイ・インピーダンスの制御はE端子になります．ここで，図3の回路について，出力(Y)がインバータとして動作するときと，ハイ・インピーダンスになるときの回路動作について解説します．

図3　TTLのトライステート・インバータ回路
"H"レベルは5V，"L"レベルは0Vとする．

●インバータとして動作するときの回路動作
　図3のE端子が"H"レベルの5Vのとき，D₂に逆バイアス電圧がかかり，ダイオードがOFFになって，E端子とQ₄ベースの接続は，切り離された状態になります．このとき，入力(A)が"H"レベルの5VになるとQ₂とQ₃がONし，Q₄がOFFになって,出力(Y)は"L"レベルの0Vに近い電圧になります．
　逆に入力(A)が"L"レベルの0VになるとQ₂とQ₃がOFFし，Q₄がONになって,出力(Y)は"H"レベルの5Vに近い電圧になります．
　このようにE端子が"H"レベルの5Vのときは，入力(A)のディジタル信号を反転して，出力(Y)に伝えるインバータになります．

●出力がハイ・インピーダンスになるときの回路動作
　図3のE端子が"L"レベルの0VのときはD₂がON，また，Q₂がOFFの2つの状態になります．
　先ずD₂がONになると，入力(A)の論理レベルに関係なくQ₄ベース電圧は約0.7Vで固定されます．Q₄がONになるベース電圧は約4V以上であり，その電圧より低い0.7Vの電圧で固定されるので，Q₄はOFFになります．
　次にQ₂がOFFになると入力(A)の論理レベルに関係なくQ₃はOFFになります．
　このようにE端子が"L"レベルの0Vのときは，出力(Y)につながるQ₃とQ₄の両方がOFFになります．このときの出力(Y)は，Q₃とQ₄の両方がOFFなので，電源の5VとGNDのどちらとも接続されず，回路から電気的に切断されたハイ・インピーダンスの状態になります．

●トライステート・インバータの動作をシミュレーション
　図4はトライステート・インバータの真理値をシミュレーションで確認する回路です．トライステート・インバータはサブ・サーキット化しており，図4のシンボルの中身は図3になります．図4では入力(A)に"H"論理レベルが5V，"L"レベルが0Vのディジタル信号を加え，E端子の論理レベルの変化で出力(Y)の真理値をトランジェント解析で調べます．　図3のトライステート・インバータはバイポーラ・トランジスタを用いているので，そのモデル・パラメータが入ったライブラリ・ファイル「BJT_model.lib」を読み込んでいます．

図4　トライステート・インバータの動作を確かめる回路

　図5は図4のトランジェント解析の結果で，上段は入力(A)の入力信号，中段はE端子の制御信号，下段は出力(Y)の出力信号をプロットしました．図4には分かりやすいように，真理値表とコメントを記入しています．

図5　図4のシミュレーション結果
上段は入力(A)の入力信号，中段はE端子の制御信号，下段は出力(Y)の出力信号．

　図5より，E端子が"H"のときは，出力(Y)は入力(A)を反転した信号になり，インバータとして動作します．E端子が"L"のときは，入力(A)に関係なく出力(Y)はハイ・インピーダンスになり，回路から電気的に切断された状態なので，入力(A)のディジタル信号は伝わりません．このように真理値表の動作と同じになるのが確認できます．

●トランシーバ使用例のシミュレーション
　図1(a)のディジタル回路で使うトランシーバ回路の動作をシミュレーションで確認します．図6は図1(a)のトランシーバと同じ回路で，上側のトライステート・インバータのE端子は"H"レベルでインバータ動作になる状態，下側のトライステート・インバータのE端子は"L"レベルでハイ・インピーダンスの状態をシミュレーションします．データの転送はIO1からIO2の送信になるので，V1のディジタル信号はIO1側へ接続しています．

図6　図1のIO1からIO2へディジタル信号を送信するときの回路

　図7は図6のIO1とIO2をプロットしました．IO1はV1のディジタル信号になり，IO2は上側のトライステート・インバータで送信したディジタル信号になります．このように解答「(a) IO1からIO2へディジタル信号を送信する」がシミュレーションでも確認できます．

図7　図6のシミュレーション結果
IO1(上段)からIO2(下段)へディジタル信号を送信している．

　次に図8は，E端子の論理レベルを逆に設定し，上側のトライステート・インバータのE端子は"L"レベルでハイ・インピーダンスの状態，下側のトライステート・インバータのE端子は"H"レベルでインバータ動作になる状態をシミュレーションする回路です．このようにE端子の論理レベルを設定すると，データの転送はIO2からIO1の受信になるので，V1のディジタル信号はIO2側へ接続しています．

図8　図1のIO2からIO1へディジタル信号を受信するときの回路

　図9は，図8のIO1とIO2をプロットしました．IO2はV1のディジタル信号になり，IO1は下側のトライステート・インバータで受信したディジタル信号になります．このようにE端子の論理レベルを変えることにより，データ転送は受信の方向に変化します．

図9　図8のシミュレーション結果
IO2(下段)からIO1(上段)へディジタル信号を受信している．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice8_007.zip

●データ・ファイル内容
Tristate inverter Tran.asc：図4の回路
Tristate inverter Tran.plt：図4のプロットを指定するファイル
Tristate inverter transceiver.asc：図6の回路
Tristate inverter transceiver.plt：図6のプロットを指定するファイル
Tristate inverter transceiver2.asc：図8の回路
Tristate inverter transceiver2.plt：図8のプロットを指定するファイル
tristate_inverter.asc：トライステート・インバータのサブ・サーキット
tristate_inverter.asy：トライステート・インバータのシンボル
BJT_model.lib：バイポーラトランジスタのモデルファイル