CPUはこの回路で出来ています。みんなもCPU自作しよう！【論理ゲート】
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- Опубліковано 8 лип 2024
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論理ゲートを自作しました。実際のCPUは命令・結果を記録するためのレジスタ、演算回路(今回の動画で作ったもの)、制御部などがあります。そういった回路もNANDゲートを用いて作成できます。
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✅目次
0:00 論理ゲートとは
2:03 論理ゲートの中身は半導体(スイッチ)
3:39 Nch-MOSFETとPch-MOSFET
8:30 NchとPch MOSFETを組み合わせてCMOSを作る
10:25 NOTゲート
13:31 よく使う論理ゲートを紹介
16:27 NANDゲート
18:25 ANDゲート
20:00 NORゲートとORゲート
21:00 NANDゲートだけで他の論理ゲートを作る
21:21 NOTゲートをNANDゲートで作る
21:54 ANDゲートをNANDゲートを作る
22:18 ORゲートをNANDゲートで作る
22:48 NORゲートをNANDゲートで作る
23:22 CPUっぽいことをやってみる→ 足し算回路を作る
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(もうNANDゲート以外いらないじゃん...)
NANDを何度も使えばいい（言っちゃった）
（それGAL）
世界は足し算で出来ている 笑
@@h_taka5611 これがわかったからといって なんど（ぞ）世の中に影響があるんんかいなあ？（と言ってみた）
相変わらず頭良い青年だ❗️😑。
一方、この老いぼれは
せいぜいこの前〜のコメ欄に書いたFETと同じく、
Ｍetal
Ｏxide
Ｓemiconductor
と、電子(電気)系三文字
略語を思い出す(遠い工校時代の記憶から)のが、関の山〜勿論、意味や綴りは正確に覚えて無いので、電子辞書の力も借りて🤣。
情報処理業界にいた若い頃も、業界英語の(三文字)略語を覚えるのは趣味みたいにもなってたが…VTOCだのVSAMだのTSSだの…。
Turing Complete というゲームは論理ゲートを組み合わせて半加算器や全加算器、メモリ、レジスタなどを作って最終的に自作CPUの上で動くゲームを作るというとんでもない体験ができるのでおすすめ
なにそれ面白そう！やってみたいけど無限に時間が掛かりそう・・・
なんだその変態ゲーム...
@@zi3ytbささ
情報共有感謝します😂
これを座学で文章で解説されるとサッパリですが、実動作するものを見ると解りやすかったです
高校の実習を思い出す内容でとても懐かしかった
改めて学ぶと意外と知らないことが多かった
イチケンさんのキャラが好きです見てます。
迂闊にも、寝癖見つけちゃった！今後も楽しませて頂きます！お体に気を付けて
素晴らしい。こういう先生に習いたかった。
教わったはずなのに全く身になっていない…。
Webエンジニア目線でも非常に面白い内容でした。
あまり意識しませんが、こうやって原理を知ると、機械的な1と0の表現から様々な処理が行われていることに驚きます。
Beautifully commented.
ありがとう、イチケンさん。とてもわかり易かったです。
イチケンさん！勉強になりました！ありがとうございます😊
楽しい！とてもわかりやすいです。ありがとうございます✿
素晴らしい講義です。
文系上がりにも分かります。
めちゃくちゃわかりやすくてすごい！！！
大学の電子工学実験の講義を受ける時に見たかった……と思うけどその講義を受けたからこそこの動画が理解出来るのではとも思うジレンマ🙄
大学で習ったことや、その先までのことを知れて面白かったです☺︎
Thank you so much for having English Close Captions on your videos.
Helpful video. I liked it 👍
いつも本当に面白く楽しい。デジキーが来る前は、秋葉へ行って足で部品を探し回った。デジキーなら繰り返し同じ部品が手に入って安心。世の中進むなー。イチケン頑張ってね。
こんなにとっつきにくい理論を感覚的に教えてくれるマインクラフトって神ゲーだと感じました。
凄いわかりやすいし面白いです
こういう基礎を知らずにコンピューターの仕組みをどんどん掘り下げていって最後にFlip-Flopにたどり着いたときはなんか真理を知った気分になった。（真理値表のことではない
何かわかる！学生の時にコンピュータは2bitの足し算とその足し算の応用である事を知り、世界は足し算で出来ているのと同じじゃんと思った時に「なんかスゲー」と感じた 笑
学生の頃、Flip-Flop(略してFF)を用いて、HalfｰAdder、Full-Adder等作ったことを思い出しました。懐かしいなぁ～♪
勘の良い電子は嫌いだよ
初期のTTLの7474/74LS74辺りの中身は
バイポーラ素子で構成された双安定マルチバイブレータだったかなぁ
21:10 👏😁
論理ゲートの中身までCMOSで詳しく説明している入門書はあまりないと思うのでとても有用な動画を共有ありがとうございます。
@sociodomisoさん。
メーカーで出しているデータシートには
中身の構成なども書かれています。
論理的には全てＮＡＮＤ構成で作れますが
遅延しますので高速化する為に
アナログスイッチなど駆使して
ロジックＩＣは作られている様ですね。
教え方が分かりやすい。
ゲーム内で自動化するため回路をいじってたのですが、この動画でリアルな話を知れてよかったです、ありがとうございます！。でも文系にはつらいっすね～
日本語勉強よくできましたよ。アそうですね、論理ゲイトの説明もいいでした。
めちゃくちゃ面白い！こうなると真空管が欲しいっ
Great Video!
50年前に勉強しました。
ソフトとハードが繋がる部分を知りたかったのですごく面白かった記憶があります。
CPUを作ってみたいと思っていたので大変勉強になりました
@ryusukegoto6994さん。
是非チャレンジしてみて下さい。
４ｂｉｔ位のものでも
かなりのロジックが必要です。
また命令セットも考えないといけません。
そして実際にチャレンジしてみると
百円以下で手に入るワンチップマイコンが
如何に素晴らしいものかが実感出来ます。
論理回路自作したかったけど、ネットだとリレー使ったものばかり出てくるから、助かる
わかりやすい😊
なるほど…よく分かりました ディスクリートで実際に動かすのは初めて見た．
なつかしい！ 大昔からコンピューターが好きな年寄りだけど、今から５０年くらい前に時代の最先端の勉強ってことで学んだ記憶があります。なんか骨董趣味的な講話を若い人から聞いているようでうれしいよ。
ゆるコンピーター科学ラジオへの当てつけのようなわかりやすい動画😅
パソコン黎明期に出てた『パソコン入門』的な本は、分厚い本の半分くらいまではこの動画の様な内容が続いていて、それからコンピュータの使い方がおもむろに始まったものだった。
入力を自動化すればクリスマス・イルミネーシュンのようになるのですね。
みなさんに自作してみようと呼びかけているように見えイチケンさんがサンタさんのように思えました。
はえー分かりやすい
Excellent topic. Only, I bought 10 LM311's from DigiKey for a simple solar project. I will have 9 left over for other stuff. The LM311 is unique to other Op-Amps, perhaps you can do a thing on the 311.
論理ゲートを知って、学生の頃に数学はすべて足し算で置き換えれることを知り、「世界は足し算で出来ているんだ！なんか、スゲェー」と思ったのを思い出した
同じNANDギャグを20年前に工業高校で聞いていたので懐かしい気持ちが。
先生はお元気だろうか…
この動画に一切関係ないけど。。イチケンさん声が素敵で聞き取りやすく、MOSFETの発音に痺れました。。ｗ
多分、こんな難解な内容を普通に視聴出来るのは、分かりやすい解説と素敵なお声なんだと感じました
学生時代にイチケンさんの動画を拝見出来たら理解も考え方も相当変わったんだろうなって思います
今回もいい動画有難う御座いました。。m(_ _)m
なんでもできる！
懐かしいです。40年位以上前の大学の授業を思い出しました。
宣伝シーンのわざとらしさ好きｗ
ちょうど、論理回路のレポートを書き終わった日に投稿される。きっとこれは、運命だな。NAND万歳
TTLの74シリーズからCMOSのICに変わった時、大幅に電力が減ってスゲーって思ったけど、こんな仕組みで消費電力減らしていたのですね。
そう言えば、UA-camrで 2SC1815のみで４bit CPU 作った人がいましたね。Tr数百個使っているのに i4004 と消費電力が余り変わらないくてビックリしました。
イチケン有難う御座いました。何十年もの昔、私も勉強した記憶があります。正確に理解できなかったと思います。この様な回路を使って説明いただけますと、よく理解ができます。手元のラジカセの録音装置が壊れました。回路を辿っていきますと、このトランジスタがあります。この動画は、その為の、よし修理してやろうという勇気が湧いてきました。ラジカセの修理が終わった時には、コメントさせて頂きたいと思います。今宵はこのへんで終わりたいと思います。有難う御座いました。
マイクラでコンピューター作ってる変態をたまーに見かけるけど、レッドストーンでこの動画みたいなものを再現してて凄いなと改めて思った
くっそわかりやすいけど、最初にトランジスタ作った人も最初にCMOS回路作った人も天才やな
Yes!
サムネ、「自信満々に回答して全然違う」みたいな文脈で見るとめっちゃ面白い
（もちろん二進数なことは分かった上で）
今度CMOS構成で電卓でも作ってみようかと思っていたので、とても勉強になりました。ちょうど今大学で論理回路の授業を受けていますが、さらっとこの動画1本で1ターム弱分くらいの分量ありますね・・・ｗ
懐かしい！！大学の専門科目で一番論理回路が好きだったなぁ・・・。
私は ６０年前に トランジスターやダイオードを使って 論理回路を作り 加算器を作っていたな～ イチケンさん 頑張って下さいね！
真空管を使った計算機を作ってみたい
イチケンさん、いつも興味深い動画をありがとうございます。
今回の動画でイチケンさんがおっしゃっていた「NANDがあれば何でもできる」というのは大げさでなく、実際にNANDの組合せでCPUやメモリ(DRAM)ができるのですよね。
"NAND to Tetris"という本では、そのタイトルどおり、NANDからテトリスができるまでの過程が詳細に記載されていて非常に面白いです。
「コンピュータシステムの理論と実装 ―モダンなコンピュータの作り方」というタイトルで和訳もされているので、興味ある方は読んでみても良いかと思います。
SRAMは素子6個で1bitだけど
DRAMは微小キャパシタと素子1個で1bitなので遅くてリフレッシュが必要だけど容量的にお得なんです
フリッブフロップの解説もよろしく
６０代男性です。子供の頃ラジオ少年でした。トランジスタが出てきて、CPUが出てきて、興味はずっとあるんですが、誰も教えてくれなくて。
こんなにわかりやすい解説で、興味を満たしてくれるあなたは、私にとって神！です。感謝！感謝！です。
Probably God is too much to say, but Mr. Ichiken is an excellent Teacher and presents very valuable content. I've been a fan of his for some time. Greetings, Sir!
Thank you for the like 😀.
(……電子立国を見るのです…NHKスペシャル電子立国日本の自叙伝を見るのです…
…この内容がハマった人なら絶対に見て損は無いのです……)
大昔にブール代数とか色々やったけど忘却の彼方💦仕事でもディス
クリート回路が主流だった頃はオシロを使わなくてもハンディのマ
ルチメーターで信号が追えたけど……懐かしいお話しでした。
終始全く何言ってるかわからん勢だけど最後まで見た
何もわからんけど面白かった
初めて笑ったのを見た気がする。なんでもできる
マイクラで電卓作成に挑戦したな〜
桁数が増えたり、引き算や掛け算をやった辺りで断念しましたが（笑）
論理演算の基本が学べたので、良い思い出です。
論理回路はマインクラフトのレッドストーン回路でお世話になる
俺たちは0と1の組み合わせの世界で生けているのか…
「抵抗成分があると爆熱になる、だからCMOS」って、わかったつもりで適当にやってきた私には「目から鱗」なーるほど、わかりやすくて助かります。さすが先生。Tシャツ買います（笑）
ものすごく面白い動画だったけど半分くらいしか理解できませんでした。
誰かにウンチク語ると理解が深まるタイプなんですが、これを語って聞いてくれる人が居ないので一生理解する事が出来ない悲しい現実に直面してます。
こんなに比較的単純な回路でCPUが作れちゃうなんてすごすぎｗ
理論自体は二進数を使ったものだから
最悪、真空管や100均で売ってるようなスイッチでも作れる。
ただバカでかくなる。
この動画では論理ゲート同士を手配線で接続していますが、ものすごくざっくりいうと、この論理ゲート同士の接続をプログラム的に外部から指示して好きな論理回路を組むことができるのがFPGAです。
FPGAの基本的な要素には論理ゲートに加えてレジスタがあります。
論理回路だけではある瞬間にどういう入力があるからどういう出力になるかということしか考えることができずに、次のタイミングに前のタイミングの状態を反映させることはできません（ちょっと語弊を含みます）。
レジスタは前のタイミングの状態を記憶して次のタイミングの条件として持ち込むことができる記憶素子です。
FPGAでは論理ゲートとレジスタを組み合わせて連続して入力される情報に対して処理を行う論理回路を組むことができます。
ちょっと語弊があるといったのは、究極な話をするとレジスタもフリップフロップなどを用いて論理ゲートから作成することができるからです。
CPUとFPGAの最大の違いはFPGAは論理回路なので入力があるとその瞬間から出力が出てくるということです。CPUは数クロック後とかになってようやく出力がでてくるので遅延が発生しますが、FPGAでは基本的にはクロック単位の遅延は起きません（もちろん回路の組み方によります）。てすのでリアルタイム処理などが必要な場面ではFPGAが重宝されます。
この動画は肝心な部分を誤魔化してる印象が否めません。(基礎の基礎を解説するという観点のみでは良い動画だと思いますがタイトル詐欺っぽいですし。)
@IsahayaSymphonyさん。
ＦＰＧＡも同期回路を組めば
出力は数クロック後になります。
前身のＰＡＬ（ＡＮＤ ＯＲ ＩＮＶＥＲＴＥＲ）で
レジスタを作ったり
今では当たり前に使われている
両エッジトリガのレジスタを作ったり
しましたから。
究極ＮＡＮＤ（ＮＯＲ）ゲートのみで
全て作れるのは嘘ではないですね。
初めてのコンピュータはディスクリートでコアメモリーでできていました。TTL ICの出来る前の話です。
IOWNのひかりによる変調・増幅・帰還・AND・ORなどについても説明して欲しい。
IOWN ひかり素子でコンピュータ処理できる原理。量子コンピュータも。
Steamで売ってるCRUMB Circuit Simulatorを使ったらこれ再現できるのかな
高専時代に2SC1815とか使って弁当箱くらいのFlip-Flop回路作ったっけなー
人生初のはんだ付けで接点不良起きまくりで上手く動かなかった記憶があります
この辺はマイクラで覚えた知識...
24:22
この回路を見て、マイクラで電卓作ったときのことを思い出したのは俺だけじゃ無いはず
基本情報技術者試験で習った気がする...
これが一気に学べるのがマインクラフト。
こんだけまなべるなら、そりゃ授業として採用する学校もあるわけだね
TTLから低電圧のCMOSに変わったとき、低電力に変わったときには驚いた。トランジスタからFET（昔の人間なので電界効果トランジスタとも言った）に変わっただけでこんなに変わったと驚いた。
FETはエフイーティーと呼んでおりも単体で高周波のアナログ回路でもよく使っていました。ただ、モスフェクト・・という表現に違和感を感じました。
そのまま読んだらそうなりますが、例えばMOS-FETの場合、モス・エフイーティーと呼んでいました。
基本情報思い出すｗｗ
「初歩のラジオ」という雑誌を中〜高校生の頃（1975-80年くらい）毎月本屋さんに買いに行っていました。ゲートの組み合わせで「ピンポン」ゲームなどを作りました。ボールが１、打つタイミングを１、のとき、返球できる回路ですね。ワンショットトリガーをコンデンサーや抵抗の容量で変化させて、優しくも難しくもできましたね、、、懐かしいです。捨てられなくて残っているので、引っ張り出して遊んでみたくなりました。その頃のゲートICは7400 とか言っていたような、、、でした。
機械整備の職に勤めてますが
特に電気理論の基礎知識をある
程度あれば良く分かりやすいです
最近は趣味でもマイコンを利用
してます。
そういった製品のおかげで機械の部品点数も省略できエコです
もっと面白い教材を楽しむに待ってます 宜しくお願いします。
回路が知性を!! これがシンギュラリティなのか。
CPU を自作するというのは面白いですね。 教育的価値も大きいと思います。 CPU の論理回路の次は、汎用 CMOS デバイスの MC14500 ICU も取り上げて貰いたいと思います。遥か昔 w 世界初の機械制御用として作られた 1Bit ALU です。 このチップには、1bit の論理演算回路があるだけで、プログラムカウンターも、アドレスカウンターも何もありません。 それだけに、現在の CPU というものが、どのような進化過程を経て出来たのかを知るには絶好の遺物 w というか、絶好のデバイスだと思います。
MOS FETは電圧動作型素子で、直接接続できるから、電流ロスが出ないという事ですね。
現在、ニキシー管表示10進10桁の逆数計算回路（フィルムカメラのシャッター速度計測器のため）をロジックIC構成で
思案中ですが難儀しますね～！とりあえず 7セグ 10桁カウンターを利用していますが、、
マイコン/PICなどでは『ロマン』が無くて！（笑、、ロジック構成の逆数回路とニキシー管ドライブこそのロマンで！
NAND って記号論理学でいうところのシェーファーの棒のことですか？
本動画も楽しくみさせて頂きました。
論理ゲートとは何か、量子コンピュータの資料を読んでいて全くわからなかったので参考になりました。
合わせて伺いたいことがありコメントします。
仕事でiot機器を取り扱うことになり、フレームグランドと言うものを知りました。
私はit系のためメカやエレは門外漢です。
グランドは基準電位を与えるもので、アース(感電防止)とは違うと調べて分かりました。
対象となるiot機器は、トラクターなどの移動体に乗せる可能性もあり、必ず大地に接続するわけではないです。
しかし、一般的にはアースにFGを接続するようで、設置作業をしてもらう予定の方から、アースに接続しなくて良いのか、また接続しなくて良い理由はどうなのかと言われ困っています。
製品にはアースが無く、FGを接地する場合にどこに接地するのが正しいのか分かりません。
ノイズの影響を受けることなく、正しく機器が動作すれば、FGは設置しなくても問題ないのではと思っています。
アースとFGの違いや、電気的ノイズなど初歩的な観点で解説頂けないでしょうか？
もし良ければコメント返信か、可能であれば解説動画を頂けると嬉しいです。
@hirominakami9991さん。
ＧＮＤ（グランドまたはアース）は
回路動作の基準点の意味として
弱電関係では使われる言葉です。
一方強電関係では安全の為の文字通り
アースとして使われます。
フレームグラウンドは金属製の筐体（ケース）を
地面のアースに接続して使う場合に
利用されます。
要はケースと地面が同電位であれば
ノイズなどにも強くなると言う理解で
概ねいいかと思います。
医療機器や洗濯機などは地上アースを
使いますが一般的な電子機器は
なくても大きな問題にはなりません。
また地上アースを安全に使用するとなると
アース抵抗なども考慮する必要があり
これも結構面倒臭いことになります。
機器にアースが付いている３端子の
コンセントが付属している場合には
壁面コンセントも３ピン対応の
ＧＮＤ付きにして貰って
それを利用するのが簡単です。
今年の上期にあった電験三種機械に論理ゲートの問題出てたなー。
もっと複雑な回路を組みたい人は"EDA playground"を使ってブラウザ上で無料でHDLのコードが書けます。
トラ技の”わかるVerilog HDL入門”を読んで挑戦してみましょう。
実装したい人はFPGAボードを買うと良いと思います。DE10-liteがオススメ。
15:58「NANDゲートを作るためにANDゲートとNOTゲートを使っているって思われるんですけど実際は逆です」
ここ数年で一番の衝撃でした、なるほどなあ～。
CPU はFPGAで作って遊ぶのが楽しい
この回路は電気通信の工事担任者試験を受ける時に勉強をしましたね(*´ω｀*)
NANDがあればなんでもできる
何度でもできる🙃
ちんぷんかんぷんで見始めたが、中盤からだんだん分かるようになってきた。
昔、放射線の資格勉強を始めた時と同じ感覚がよみがえってきた。何が書いてあるのか分かるようになるのに一年かかった。
これはすごい！ものの10分足らずで大雑把だがわかり始めた。（75歳）
74HC -- を死ぬ気で覚えてテスト臨んだのはいい思い出
PCのCPUってマジで凄いんやなぁって
サムネがすばらしい（誰も10進とは言ってない
ゆっくり追ってくと「なるほど…」と思えるのですが感覚的にさっと理解できなかったりする。なのでずっと「アホの横好き」で終わっちゃう。こういうのをさらりと説明できる方尊敬してます。(;´･ω･)
質問させてください。確かにNANDを組み合わせてその他の回路ができるかもしれませんが、AND、OR、NOT、NORを単体で組むよりもたくさんのトランジスタが必要だと思います。それでもNANDを組み合わせて回路を作るメリットは何なのでしょうか？
@kensuke9894さん。
実際にはＮＡＮＤだけで組み立てられたものは
殆んど存在していないと思われます。
あくまでも論理的には可能と言う説明と
理解するのがベターではないでしょうか。
因みにＮＯＲだけでも全ての構成することは可能です。
論理反転するだけですから。
この辺はド・モルガンの法則などを学べば
理解可能と思います。
すげーな。万里の道も一歩からだな。cpu自作しよう！ タイトルスゲー。fpgaで作れるけど、やる？
高校の時、教科書を参考に先生にも手伝ってもらいながら卒業課題でトランジスタの4bitALU作ったなぁ。
おかげさまで論理回路の理解と
200個のトランジスタ＋αを
ユニバーサル基盤に実装したから半田付けが上手くなりましたw
Z80とSCSIIコードをドッキングして、ASCIIとマシン語でプリントアウトしたのが懐かしい。
物理スイッチ付けると混乱するけど電流によるスイッチっと考えると何となく解ったかも
@extphasさん。
ＦＥＴは電圧駆動素子なので
入力側には基本的に電流は流れません。
電圧をソースゲート間にかけると
ソースドレイン間が導通状態になる
つまりスイッチＯＮで
ソースゲート間電圧がゼロだと
スイッチＯＦＦです。
余談ですがこれはあくまでも
スイッチング用に設計された
ＦＥＴの話でアナログ増幅用の
ジャンクション型などには
ソースゲート間がゼロでも
導通してマイナスになって初めて
スイッチＯＦＦ状態になるものもあります。
因みにＰｃｈの場合はゼロで導通
プラスでスイッチＯＦＦです。