＜ＤＦＦ（その5）＞

横浜と違って、マンハッタン島は岩盤が古く、７億年ほど前にできた安定陸塊の岩盤層になっているとのことです。地殻変動もない古い岩盤なので、地震も殆どない事がさらに高層ビル建設に拍車をかけたのだと思います。
我先に空を目指すビルは、光を求めて枝や葉をのばす深い森の様に感じました。

高層ビルの根元は、夏休みということもあって、USAの地方や海外からの観光客でごった返していました。そんな中、VIPを乗せたリムジンがクラクションを鳴らし続けながら、人ごみやタクシーを押しのけて前に前に進んでいく（写真上）のを見て“嫌な感じ”を受けました。
この町ではお金がすごく重要で、その為にはたいていの事は犠牲にすると言った“嫌なエネルギー”に溢れている印象を受けたのは、僕だけでは無いと思います。

泊まったホテルは、マンハッタンの中央から少し西側にずれた所にあり、あまり治安が良いとは言えないエリアでした（後で知ったのですが（汗））。
食事はホテル近くの24時間営業のコンビニ（写真上）でサンドイッチやお菓子を色々と買い込んで、ホテルで済ませるパターンが多かったですが、意外とおいしいしボリュームもあり、十分満足でした。
このお店の店員は（おそらく）メキシコ人で、顔は怖いのですが話すと意外とやさしく、2度目に行った時は“日本人?”、“何しにきた?”などと話しかけてきたので、“日本人だよ”、“夏休みで観光に来た”と答えたら、“ここらは日本人が来ないから、珍しいよ”、“昨日このサンドイッチ買っただろ?　こっちのバーベキューも美味いぞ”などと・・・そのバーベキューは重そうなので避けていたのに、買って帰ることになりました・・・意外と美味かったです。

New Yorkは、リッチで冷酷な摩天楼と、お金は無いけど暖かいコンビニがある町が、通りひとつで背中合わせになっていて、でもこれらが交じり合う事は無いだろうと感じる街でした。

最後に、お休みの間フォローしていただいた仲間に深く感謝いたします。
ありがとうございました。

今回は、セットアップ・ホールドタイムについて触れたいと思います。

DFFの役目は、

「入力されたデータを意図したタイミングで‘１’or‘０’に判別する」

です。（1ビットのA/Dコンバータとも言えます）では、どのタイミングで判別するか？と言うと、“マスターラッチが入力されたデータをラッチするタイミング”で判別が行われます。
CLKの“立上り”や“立下り”と表現することが多いのですが、動作原理からは“マスターラッチ回路がデータをラッチする時に、‘１’、‘０’に判別しています。

‘１’、‘０’に判別することも重要な役目なのですが、DFFの出力データは“意図したタイミング”で出力されることも重要な役目です。
つまり、判別するCLKのエッジを変化させることで、データが変化するのタイミングを変えることができます。

上の図は、DATAが変化する直前にCLKのエッジが来るようになった場合を示しています。
①と②では正しく動作していますが、③では正常な動作ができていません。
データの変化に対してどのくらい前にCLKエッジがいるかをホールドタイムと言います。
CLKエッジが入力されマスターラッチ回路がデータをラッチする、つまりホールド（つかむ）のに必要な時間です。この時間を確保した後に入力変化させないと、ラッチができずに正しい動作ができなくなってしまいます。

逆に上の図は、DATAの変化直後にCLKのエッジが来るようになった場合を示しています。⑥以降では正しく動作していますが、④では正常な動作ができていません。
データの変化のどのくらい後にCLKエッジがいるかをセットアップタイムと言います。
データが変化した後、ラッチの準備が整うまでの時間、つまりセットアップ（準備）の時間です。この時間を待ってやらないと、マスターラッチ回路が十分な準備ができず正しく動作できなくなってしまいます。

セットアップ・ホールドタイムを確保しないとDFFが正しく動作しないので、DFFの出力Qはどうなるか分かりません。上のシミュレーションの様に‘１’や‘０’になってくれれば良いのですが、場合に依っては‘１’‘０’の繰り返しが出力されたり、最悪の場合は、中間電位でとまってしまう場合があります。
DFF出力に余計な１０交番が混じったり、中間電位でとまってしまうと後段に及ぼす影響は計り知れません。特に中間電位と待ってしまうと後段のデジタル回路に貫通電流が流れ、デバイス自体にダメージを与えかねません。

こう言った現象を“メタステーブル”と言います。
メタステーブルの一番厄介な所は、必ず発生するとは限らないからです。
また、電源電圧や温度、トランジスタのバラツキや入力データ／クロックの波形などにも依存し、回路設計で「メタステーブルの発生を100%防止することは非常に困難」です。

この厄介な現象を確実に防止するには、セットアップ・ホールドタイムをきちんと確保することです。その為には、入力データの変化タイミングとクロックエッジの関係が確定していなくてはなりません。つまり、同期式の回路でなくてはいけない事になります。
しかし、実際には全ての回路を同期式に設計することが出来ず、外部との接続で必ず非同期の部分（例えばリセット回路など）が出てきます。

次回は、このメタステーブルが発生しても、その波及度を最小限にとどめるための回路を紹介したいと思います。