　
デジタルカレンダーを作ろうｗ
　

　
論理回路の授業やテスト問題で、「デジタル時計を作ろう」ってのは見かけますが、「デジタルカレンダーを作ろう」って問題は見かけません。ハテなんででしょ～
カレンダーは時計に比べて、動き方がフクザツで、ってコトは作る回路もそれだけフクザツになっちゃう。
何がどう複雑かって？
だって時計は、24時間周期で動いて、24時間は86400秒って決まってる。
これがカレンダーの場合だと、1年が365日の場合と366日の場合とあるし、それに月によって日数が違うし。
これを試験問題に出したら、早い人でも4時間くらいはかかるかねぇ。。。。
　

　
で、そういう難儀なロジックを見つけると、つい作ってみたくなるのが、遊びでやってる論理回路屋ｗ
動作の要求仕様をボケ～と考えてると、「なんだこうしたら楽じゃん」ってなアイデアが生まれ、
そうすると、そのアイデアが間違ってないかどうかを検証してみたくなるｗ
で、ついつい回路作ってシミュレーションかけてみたりする（＾＾；
（シミュレーションかけて動作確認しないと、落ち着かないんだな～これがまたｗ）
　
というワケで、作ってみましたデジタルカレンダーｗ
　

　
まずは、どんなモノ作ろうとしてるかの整理。
ざくっと下表に記載のコトくらいは考えておく。ま、練習なんだから作っていくウチに変えてもいいしｗ
　

カウント範囲	2000年1月1日から、2099年12月31日まで。 2099年12月31日を超えた場合の動作は保証せず。（たぶん2000年1月1日に戻る）
閏年	カウント範囲の中で、自動計算。
リセット時のカウント値	2000年0月0日　（←ちと問題アリかも（＾＾；でもまー気にしないで置こう（＾＾；）
日付あわせ機能	なし（＾＾；；；だってコレつけると、むちゃ面倒いんだもんｗ
曜日出力機能	なし（＾＾；日付あわせ機能があれば、まだ付けて見ようかって気にもなるけど（＾＾；
入力信号	clock	適当な周波数のクロック。
	enable	1日に1回、clock×1周期分の長さのパルスが入力される。普通は、デジタル時計部分からの23時59分59秒を示すパルス。
	reset#	回路を初期化する信号。負論理、つまり'0'レベルで回路を初期化する。
出力信号	y1000[3:0]	2000年～2099年の千のケタを示す。つまり、常に4'b0010＝4'd2。
	y100[3:0]	2000年～2099年の百のケタを示す。つまり、常に4'b0000＝4'd0。
	y10[3:0]	2000年～2099年の十のケタを示す。値の範囲は0～9。
	y1[3:0]	2000年～2099年の一のケタを示す。値の範囲は0～9。
	m10[3:0]	1月～12月の十のケタを示す。値の範囲は0～1。
	m1[3:0]	1月～12月の一のケタを示す。値の範囲は0～9。
	d10[3:0]	1日～31日の十のケタを示す。値の範囲は0～3。
	d1[3:0]	1日～31日の一のケタを示す。値の範囲は0～9。
回路動作	以上の記した仕様の範囲内で、ふつーのカレンダーになるよう出力信号を生成すること。

　
リセットすると2000年0月0日になるってのが、ちと問題かもねぇｗ
　

　
次に、どんな回路構成にして全体を組み立てるか、どんな部品が要るかを考えて見る。
　

年カウンター	カウント範囲が2000年～2099年だから、年号４桁のうち上位２桁は常に固定。下位２桁は、10進カウンタが２ヶあれば作れるね。
月カウンター	単純な12進カウンタだね。。。。と思ったら違った（＾＾；出力信号仕様が、十のケタを示すm10[3:0]と一のケタを示すm1[3:0]とに分かれてるから、10進カウンタと2進カウンタの組み合わせ。しかも十のケタの値が1の時は、一のケタの10進カウンタは2までしかカウントしない。これけっこオモシロイ（＾＾；
日カウンター	これがデジタルカレンダー最大の難点ｗ月カウンターと同じく、十のケタカウンターと１のケタカウンターとに分かれていて、カウントの最大値は28の場合、29の場合、30の場合、31の場合って４通りあるｗとりあえず、カウントの最大値がいくつなのかを判定する回路を、日カウンターから分離独立させることで、ここはカウンターだけに集中しよう。
閏年判定	年カウンターの値から、その年が閏年かどうかを判定する回路。
日カウント制御	閏年制御の出力とと月カウンターの値から、その月は日カウンターが何日まで数えるべきかを判定する回路。

　
この５つの回路があれば、なんとか出来そうだね。
　

　
これらの部品を並べて、Top階層を組んでみる。
ホントだったら「デジタル時計を作ろう」に書いたようなブロック図にしちゃえば良いんだけど、
お絵かきソフト立ち上げるのが面倒いんで、htmlの表組みで作っちゃうｗ
　

入力信号	回路ブロック	出力信号	出力信号の説明
CarryOfMonth→ CarryOfDay→ CarryOfTime→ clock→ reset#→	年カウンター	→y1000[3:0]	年の千の桁。0010固定値
		→y100[3:0]	年の百の桁。0000固定値
		→y10[3:0]	年の十の桁。
		→y1[3:0]	年の一の桁。
CarryOfDay→ CarryOfTime→ clock→ reset#→	月カウンター	→CarryOfMonth	月カウンターから年カウンターへの桁上げ
		→m10[3:0]	月の十の桁
		→m1[3:0]	月の一の桁
CarryFromTime→ clock→ reset#→	日カウンター	→CarryOfDay	日カウンターから年月カウンターへの桁上げ
		→d10[3:0]	日の十の桁
		→d1[3:0]	日の一の桁
y10[3:0]→ y1[3:0]→	閏年判定	→uruu	年カウンタ値が閏年の時に'1'
uruu→ m10[3:0]→ m1[3:0]→	日カウント制御	→c28	日付が28日までの月の時に'1'
		→c29	日付が29日までの月の時に'1'
		→c30	日付が30日までの月の時に'1'
		→c31	日付が31日までの月の時に'1'

　
こんなかで、年カウンター月カウンター日カウンターは、中にFlipFlopを持って、状態を保持しながら動く順序回路だよ。だからclock信号とreset#信号が入力されている。
閏年判定と日カウント制御のブロックは、中にFlipFlopを持たないで、年月日カウンターの状態をデコードして出力を作る組み合わせ回路だよ。だからclock信号とreset#信号は入力されていない。
　

　
主要登場人物が定義できたら、各人物のキャラクターを作っていく。
まずは年カウンター、、と思ったけど、年カウンターって単純な10進カウンターを2個使うんだよね。
だからまず10進カウンタを１個の部品として作っちゃう。
これはごく基本的な10進カウンタだから簡単だよね。
　

　
コレのドコが簡単かって？（＾＾；
ゴチャゴチャしてるけど、各ブロックの役割を認識してしまえば、簡単さぁｗ
右側に縦に並んでいる４ヶのFlipFlopが、カウント値を保持するヤツだよね。
各FlipFlopのD入力に繋がってる2入力ORと、その付近の2入力NANDおよび2入力NORは、実はEXORと等価な回路だったりするｗ
前段からの信号が'0'だったらFlipFlopのQ出力の反転を、'1'だったらFlipFlopのQ出力の値をFlipFlopのD入力に入れてやる回路だわ。
あとは前段で、各FlipFlopがカウントを進めるべき条件かどうかを判断して信号を作ってやれば、これでリッパなカウンタになる。
ってか、同期回路なんて、みんなコンなモンだわ（＾＾；
　
EXOR等価回路の左側にあるNANDは、下位のカウンタ（この場合は月カウンタだったりする）からの桁上がりを処理するゲート。桁上がりが出ていない時には、カウントを進めないようにしている。
その左側にあるチョコチョコとしたゲートは、カウンタ内の各桁（bit）ごとにカウントすべき条件を生成している。
　
シミュレーションした結果は、このとーり。enableが両方とも'1'の時にカウントが進んで、9の次には0に戻ってる。

　
10進カウンタのボディを作ってCount9って名前で部品化したら、次に年カウンタの作成。
といっても、10進カウンタを2個並べて、上位8bitは固定パターン出力を作ってあげればイイ。

　
次が月カウンター。
十の桁と１の桁が相互に干渉しあうヘンなカウンタなんで、マトメて5bitカウンタとして作っちゃう。

年カウンタ用の10進カウンタではゲートでEXORの等価回路を作ってましたが、ここではEXORにしました（＾＾；
基本的な構成とか、回路ブロックの役割は、10進カウンタと同じだよ。
Q1～Q5がカウント値を保持するFlipFlop。
E1～E5が、G1～G5の出力次第で、カウンタの各桁のカウント値を進めるためのEXOR。
G1～G5は、カウンタの各桁がカウントすべき条件かどうかを出力するゲート。
G1～G5の左側にあるゲートは、各桁ごとのカウント条件を生成している。
　
シミュレーションしてみると、ほれ、12進カウンタになってるっしょ。
カウント１２まで数えて、次で１に戻る、、ってのがミソかな（＾＾；

　
さーて本日のメインエベント、日カウンタ。
考え方は月カウンタと一緒だけど、今度は最大カウント値を外部から指示される。

右半分は、6bitになってるけど、これまでのカウンタと同じ構成。
ただし、カウント値を1に戻すためのゲートがR1～R6って名前で追加してある。
このR1～R6を制御してるのが、上にあるG7ってゲートと、K1～K4のゲート。
これらは左下にあるC28、C29、C30、C31っていう、その月の日数を意味する入力信号をデコードして、必要な動作になるよう論理を作ってある。
　
さて、この回路を、入力信号C28～C31の各々の条件ごとにシミュレーションしてみる。
いや、一気にシミュレーションしても良いんだけど、波形入力が面倒なんで（＾＾；
　
まずは28日の場合。カウント値が28まで進んで、その次で1に戻っているのが判る。

　
次が29日の場合。このパターンって、閏年の２月だけなんだよねぇ。

　
その次30日の場合。

ラスト31日の場合。31から1に変化するトコロがちと読みにくいけど、騙されないよーにｗ

　
以上でカウンタ類おわり。あとは組み合わせ回路だから、真理値表つくりながらチマチマやればいい。

　
まずは閏年判定回路。っとその前に、閏年ってヤヤこしい。

西暦年号が４で割り切れる年は、閏年。
ただし、１００で割り切れる時は、閏年ではない。
ただし、４００で割り切れる時は、やっぱ閏年。

これキチンと知ってないと、一見動いているようで人を騙す回路になってまうｗ。
　
ただ、2000年～2099年っていうカウント範囲だけ考えれば、、、「4で割り切れれば閏年」って、コレだけ考えてれば良いワケだ。
　
この回路の年カウンタの出力のうち、千の桁と百の桁は固定パターンだし無視するとして、
y10[3:0]とy1[3:0]を見て４で割り切れるかどうか判定するのは、どーすりゃ良い？
答えは、「（y10[0] ＝'0' かつ y1[1:0]＝'00'）または（y10[0] ＝'1' かつ y1[1:0]＝'10'）の条件の年が閏年」ってコトになる。
さてホントかなぁ？　ダマされないよーに、よーく考えて見ようｗ
　

　
最後～、日カウント制御。
これもねぇ、「日カウント制御」なんて言うと何のコッチャ判らなくて難しそーに思えるけど、何が入力で何を出力すりゃ良いのかが判れば、タイシタコトないｗ
今回の日カウント制御は、「閏年か否か」って信号と、「今何月か」って言う信号を貰って、「その月は何日まで数えりゃ良いか」を出力すればいい。
出力信号は、前から出てきてるC28,C29,C30,C31の４本ね。
ここまで判れば、いきなり真理値表を書けちゃうべ。

入力信号		日数	出力信号
閏年	月	日数	C28	C29	C30	C31
x	1	31	0	0	0	1
0	2	28	1	0	0	0
1	2	29	0	1	0	0
x	3	31	0	0	0	1
x	4	30	0	0	1	0
x	5	31	0	0	0	1
x	6	30	0	0	1	0
x	7	31	0	0	0	1
x	8	31	0	0	0	1
x	9	30	0	0	1	0
x	10	31	0	0	0	1
x	11	30	0	0	1	0
x	12	31	0	0	0	1

　
これが書けたら、そのまま論理回路にしてまえば良いだよ。ほら、↓こんなふうになるよね（＾＾；
　

え～なんか違うって？おかしーなぁ。　でもまぁ論理回路の作り方なんて、人それぞれだからさ～
シミュレーションして、ほら↓こんなふーに真理値表と合ってれば、それでOKなのさ～（＾＾；

　
さーてこれで必要な部品が全部揃ったんで、最後の仕上げ。作った部品を並べて繋ぐだけ。
こういうの、TOP階層図面って言ったりする。一目で全体の機能を見渡せるように作るとBest。

さてTOP階層レベルでのシミュレーション結果は、、、というと、、「やってません、できません、やってられませんｗ」
だってねぇ、１年分動作させるだけで、クロック365発書かなくっちゃぁイケナイんだよぉ～
2000年～2099年の範囲を全部動かそうとすると、その約10倍、36525発ほど書かなくっちゃぁイケナイんだよぉ～
そりゃー源内CADじゃーさすがに無理だべー、ってか、カンベンして（＾＾；
　
ま、それでも部分的にゃシミュレートできるから、とりあえずやったヤツを載せておく。
とりあえず2000年0月0日からのカレンダー動作（笑）。。。だってリセットでそうなるんだもん（＾＾；
　
これで内部のカウンタの状態をカンタンに指定できれば、スタート時のカウンタ値を直接指定して、コマギレながらシミュレーション通すんだけどねぇｗ
てか、現実には、部品作る時にTOPレベルでの機能検証方法を考えておいて、初期値設定とか必要な機能は盛り込んでおくんだけどねぇ（＾＾；
まぁキット動いているでしょうｗ
　

　
TOP階層レベルのシミュレーションは、複雑すぎて、入力パターン規模が大きくなりすぎて、とても全部は出来ません。。。ってのは、実際の回路設計でも良く起きる話。クロック36525発くらいなら、ほんの序の口ｗ
だからと言ってシミュレーションやらないかってぇと、結論から言えば全部はやらない。
そのかわり知恵を絞って、通しでシミュレーションしなくても回路動作を確認できる方法を考える。
日カウンタのトコロで、動作条件変えて４回シミュレーションしてたよね、あれもひとつの手法。
各部品レベルでのシミュレーションを充実させたり、各部品間を渡る線の論理が動く瞬間だけ全体シミュレーションしたり、回路内部の信号を引き出してシミュレーション上で見れるようにしたり、回路の状態を外部から設定できるようにしたり、シミュレーションパターンを生成するプログラムを作ったり。。。それは回路作る以上にタイヘンな作業だったりする。
　
大規模な論理回路がカンタンに作れるようになった背景には、皆で知恵を絞って、大規模な論理回路の機能検証を行う手法を編み出したコトもある。
なんせ機能検証が出来てない論理回路なんて、何も作ってないのと同じだからねぇ。
だから、論理回路が作れるようになったからって、一人前じゃぁないよ？
自分で作った論理回路をシミュレータで99%機能検証できて、初めて一人前だよ？
　

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