記事タイトル：
Dフリップフロップとタイミングチャート入門：シフトレジスタで学ぶクロック同期設計
1. はじめに ― デジタル回路は「時間で動く」
デジタル回路では、0と1の信号が時間とともにどう変わるかが非常に重要です。
その変化を表すのが タイミングチャート です。
2. クロック信号とDフリップフロップの基本
クロック信号（CLK）とは？
- デジタル回路の動作を制御する「拍子木」
- 矩形波で表現され、**立ち上がり（↑）か立ち下がり（↓）**で信号を反映
Dフリップフロップ（D-FF）の動作
- D入力：与えたいデータ
- CLK：タイミングトリガー
- Q出力：記憶された値
特性：
Q(t+1) = D(t) （ただしCLKが↑のとき）
3. タイミングチャートの基本構成
時間 → →
信号名ごとに横軸で状態遷移を示す
CLK: ┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐
┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘
D: 1 0 1 1 0
Q: ┌───┐ ┌───┐
│ 1 │───│ 0 │───...
└───┘ └───┘
4. Dフリップフロップの動作例
状況：
- D入力： 1 → 0 → 1 → 1 → 0
- CLK立ち上がり時のみDの値をQに反映
解説：
| 時刻 | CLK（↑立ち上がり） | D | Q（出力） |
|---|---|---|---|
| 1 | ↑ | 1 | 1 |
| 2 | ↑ | 0 | 0 |
| 3 | ↑ | 1 | 1 |
| 4 | ↑ | 1 | 1 |
| 5 | ↑ | 0 | 0 |
5. シフトレジスタ（Shift Register）とは？
D-FFを直列につなぐことで、1クロックごとにデータを右にずらす回路。
構成：
D → [DFF1] → [DFF2] → [DFF3] → 出力
↑ ↑ ↑
Q1 (t) Q2(t) Q3(t)
クロックが立ち上がるたびに：
- Q1 ← D入力
- Q2 ← Q1（1クロック前）
- Q3 ← Q2（1クロック前）
6. シフトレジスタのタイミングチャート例
D入力：
D: 1 0 1 1 0
タイミングチャート：
CLK: ┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐
┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘
D: 1 0 1 1 0
Q1: 1 0 1 1 0
Q2: - 1 0 1 1
Q3: - - 1 0 1
説明：
-
Q1：Dからの入力をそのまま受け取る -
Q2：Q1の1クロック前の値を保持 -
Q3：Q2のさらに1クロック前を保持
このように、D→Q1→Q2→Q3 と1ビットずつ右に「シフト」していく。
7. シフトレジスタの応用例
| 応用先 | 内容 |
|---|---|
| パラレル→シリアル変換 | ビット列を順に1本で出力 |
| データ遅延線 | 信号を1クロックずつ遅延させる（FIFO） |
| カウンタ制御 | シフトしながらビットの位置を管理 |
| CRC計算回路 | ビットシーケンスの整形やエラー検出に使用 |
8. まとめ
| 用語 | 説明 |
|---|---|
| タイミングチャート | デジタル信号の時間変化を示す図 |
| クロック信号 | 回路全体の動作を同期する矩形波 |
| Dフリップフロップ | D入力をクロック↑で記憶し、Q出力に反映する素子 |
| シフトレジスタ | 複数DFFを接続して、データを1クロックごとに送る回路 |
