マイコンのIOピンはなぜ入出力の両方に使えるのか？を実際に作って確認してみました。

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）
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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。
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4. ブレッドボード
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5. 回路図
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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
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←エミッタ
ベース0V↑

7. つまりスイッチOFFの時
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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
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←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
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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)。
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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。
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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。
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13. ブレッドボード
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14. 回路図
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15. トランジスタでフリップフロップ
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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。
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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。
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* http://www.rlc.gr.jp/project/e_circuit/digital/transistor/transistor.htm

18. 回路図
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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。
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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。
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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*
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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。
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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。
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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）
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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。
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26. 出力モード
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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。
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28. ブレッドボード・回路図
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