2.6ハードウェアと組込み

コンピュータの中身を突き詰めると、最終的には電気信号のON/OFFを組み合わせて判断や記憶を行う論理回路にたどり着きます。この基礎の上に、現実世界とやり取りするIoTデバイスや、特定用途に絞り込んだ組込みシステムが成り立っています。ハードウェアの発想を理解すると、ソフトウェアだけでは見えない制約や設計判断が見えてきます。

2.6.1論理回路とフリップフロップ

• 論理回路＝AND・OR・NOT等の論理演算を電気回路として実現したもの。組合せ回路＝出力が現在の入力の値だけで決まる回路（過去の状態を持たない。例：加算器）。順序回路＝出力が現在の入力に加えて過去の状態（記憶）にも依存する回路（例：カウンタ、レジスタ）。この違いが「状態を持つかどうか」の分岐点です。
• フリップフロップ＝1ビットの情報を記憶できる、順序回路の基本構成要素。入力信号に応じて出力状態を保持・変化させ、新たな入力が来るまでその状態を維持します。このフリップフロップを多数組み合わせることで、レジスタやカウンタといった、より大きな記憶・順序制御の回路が構成されます。

組合せ回路と順序回路の違いは、身近な家電の設計を例にすると腑に落ちます。単純な加算器回路は、入力される2つの数値さえ与えられれば、過去に何を計算したかに一切関係なく常に同じ和を出力します。これは典型的な組合せ回路です。一方、エレベーターの階数ボタンの押下履歴を覚えて次にどの階へ向かうか判断する制御回路や、押した回数をカウントするカウンタ回路は、現在の入力（新たなボタン押下）だけでなく過去の状態（それまでに押されたボタンの記憶）にも出力が左右されるため、順序回路として実現されます。この「状態の記憶」を担っているのがフリップフロップで、順序回路の随所に配置され、必要な情報をビット単位で保持し続けます。この考え方をさらに広げるとIoTデバイス（Internet of Things・モノのインターネット）の設計につながります。IoTデバイスは、温度・湿度・照度・加速度などの現実世界の物理量を電気信号に変換して取り込むセンサ（入力側）と、コンピュータからの指示を受けて物理的な動作を行うアクチュエータ（出力側、例：モーターを回す、バルブを開閉する）を組み合わせて、現実世界とデジタルの世界を橋渡しします。こうしたIoTデバイスの多くは、汎用PCのような大きな処理能力を持たず、特定の用途に絞って設計され、限られたメモリ・処理能力・電力で動作する組込みシステムとして実装されます。バッテリー駆動の機器では稼働時間が製品価値に直結するため、必要な処理を終えたら回路の一部の電力供給を止める、処理間隔を調整して消費電力を抑えるといった省電力設計が組込み開発では重要な観点になります。

2.6.2この節のまとめ

• 組合せ回路＝現在の入力のみで出力決定（状態なし）・順序回路＝過去の状態も反映（状態あり）。フリップフロップは1ビットを記憶する順序回路の基本要素
• IoTデバイス＝センサ（入力・物理量を電気信号化）＋アクチュエータ（出力・物理的動作）で現実世界とデジタルを橋渡し
• 組込みシステムは特定用途に特化し限られた資源・電力で動作。バッテリー駆動機器では省電力設計が重要