フリップフロップと半導体メモリ（SRAM・DRAM・フラッシュ）

結論：試験で覚えることは3行

• フリップフロップ＝二つの安定状態をもち、1ビットを記憶する順序回路
• SRAM＝記憶セルがフリップフロップ。高速でリフレッシュ不要なのでキャッシュメモリに使う
• DRAM＝記憶セルがコンデンサ。リフレッシュが必要だが安く大容量なので主記憶に使う。フラッシュメモリは不揮発で、ブロック単位で電気的に消去できる

選択肢を見て、この3行のどれに当たるかを照らし合わせれば、ほとんどの問題が解けます。

組合せ回路と順序回路のちがい

前のレッスンで扱った NAND や加算器は組合せ回路です。出力が今の入力だけで決まり、過去のことは覚えていません。

これに対して順序回路は、出力が今の入力と、それまでの状態の両方で決まる回路です。出力を入力側に戻す**帰還（フィードバック）**の配線があるので、前の状態を覚えておけます。

たとえるなら、組合せ回路は「押している間だけ点くインターホンのボタン」、順序回路は「押すたびに点く・消えるが切り替わり、手を離してもそのまま残る照明スイッチ」です。

フリップフロップ＝二つの安定状態で1ビットを覚える

フリップフロップ（FF）は、「0の状態」と「1の状態」という二つの安定状態をもつ回路です。この性質を双安定と呼びます。電源が入っている間は、入力で切り替えない限り今の状態を保ち続けるので、1ビットを記憶できます。

試験の答え方は決まっていて、「二つの安定状態をもつ順序回路」と問われたらフリップフロップです。選択肢に並ぶ NAND ゲートや加算器は組合せ回路、コンデンサは部品の名前なので、どれも順序回路ではありません。

NAND で組んだ RS フリップフロップの動き

NAND 2個の出力を、互いに相手の入力へたすき掛けで戻すと RS フリップフロップになります。過去問の図は「AND の出力に NOT をつないだもの」が2組描かれていますが、AND＋NOT は NAND と同じです。

• X ＝ NAND(S, Y)
• Y ＝ NAND(R, X)

NAND は「入力に1つでも0があれば出力は1、全部1のときだけ0」です。この性質から、NAND 型の RS フリップフロップは次のように動きます。

入力を0にすると働き、1に戻すと保持になる点が肝心です（入力を0にしたときに働くので「負論理入力」と呼びます）。計算の進め方は下の例題で順に追います。

flowchart LR
  S["入力 S"] --> N1["NAND 1"]
  N1 --> X["出力 X"]
  R["入力 R"] --> N2["NAND 2"]
  N2 --> Y["出力 Y"]
  X -->|"帰還"| N2
  Y -->|"帰還"| N1

半導体メモリの地図：揮発性と不揮発性

メモリは、まず電源を切ると消えるかどうかで二つに分かれます。

• 揮発性（電源を切ると消える）＝ RAM（読み書きできるメモリ）。SRAM と DRAM がある
• 不揮発性（電源を切っても残る）＝ ROM 系。マスクROM、EPROM、EEPROM、フラッシュメモリがある

SDRAM は「クロックに同期して動く DRAM」で、DRAM の仲間です。RDRAM も DRAM の一種です。「DRAM」の文字を含む選択肢は、すべてコンデンサで記憶するメモリだと考えてかまいません。

SRAM と DRAM：記憶セルの中身で見分ける

記憶セルとは、1ビットを覚える最小の部品のことです。SRAM と DRAM は、この記憶セルの作りで見分けます。

リフレッシュとは、DRAM のコンデンサから少しずつ漏れていく電荷を、定期的に読み出して書き戻す操作です。水が少しずつ漏れるバケツに、ときどき水を足して水位を保つ作業にあたります。DRAM は構造が単純なぶん大容量で安く作れるので、主記憶に使われています。

フラッシュメモリ：不揮発・ブロック単位で電気的に消去

フラッシュメモリは、電源を切ってもデータが残る不揮発性のメモリです。SSD、USB メモリ、SD カード、デジカメや音楽プレーヤの記録媒体に使われています。中身には NAND 型と NOR 型があり、SSD に使われるのは主に NAND 型です。

試験に出る特徴は次の4つです。

• ブロック単位で電気的に消去できる（1バイトずつではなく、まとめて消す）
• 書き換えるときは、先に古いデータを消去してから書き込む
• 書込み回数には上限がある（無制限ではない）
• 基板に付けたまま書き換えられる（専用の ROM ライタは不要）

この4つ目の性質から、マイコン（家電などに組み込む小さなコンピュータ）の内蔵メモリにフラッシュメモリを使えば、出荷後もソフトウェアを書き換えられます。製品のファームウェアのアップデートができるのは、この仕組みのおかげです。

ROM 系の見分け表（ひっかけ選択肢の出どころ）

フラッシュメモリの問題では、ほかの ROM の特徴が誤りの選択肢として並びます。

「紫外線」とあれば EPROM、「1バイト単位」とあれば EEPROM、「ブロック単位」とあればフラッシュメモリです。

試験での問われ方

• 「〜はどれか」型：「フリップフロップを使ったメモリ」なら SRAM、「コンデンサの電荷で記憶」なら DRAM 系（SDRAM を含む）、「デジカメの記録媒体」ならフラッシュメモリ
• 「DRAM の説明はどれか」型：4つの選択肢が SRAM・DRAM・EEPROM・フラッシュの説明になっていて、メモリの種類だけ入れ替えてある。「リフレッシュ」「主記憶」「高集積・安い」が DRAM のキーワード
• 「フラッシュの説明はどれか」型：「キャッシュに使う」（SRAM）、「紫外線で消去」（EPROM）、「周期的な再書込みが必要」（DRAM）が誤りの選択肢として定番
• RS フリップフロップ型（免除試験で出題）：S を 0 にしてから 1 に戻すと、元に戻らず保持することを問う