フリップフロップはＮＡＮＤゲートを数個組み合わせると出来上がる論理回路素子である。 しかしフリップフロップの機能は論理ゲートのレパートリーの火筒に収まるものではない。 フリップフロップは他の多くの論理ゲート類とは次元が異なる素子である。 １年生の「コンピュータアーキテクチャ」では、フリップフロップありき、で話を進めた が、ここでは簡単にその回路内容を見る。

論理ゲートは入力に信号が入ってくると、一定の論理機構（ＡＮＤ，ＯＲ，ＮＯＴ） に従って出力信号を即時に出す信号伝達素子である。そこでは入力と出力の間に 積極的に時間遅れをさしはさむ動作は何ら無い。これに対してフリップフロップは （特に同期式フリップフロップは）入力と出力との間に一定の時間間隔を経過せしめる 関係がある。これを上手く使うと記憶動作にも繋がる。この点が論理ゲートとは次元が 違う点である。同期式フリップフロップが発明されたお陰でコンピュータが実現したと 言っても過言ではない。

フリップフロップが誕生する前にまず双安定回路が生まれた（6.1図参照） この回路は２つの自立的な安定状態を持つ。

Ｑ１＝”１”　／　Ｑ２＝”０”　という状態（＝状態”１”）
Ｑ２＝”０”　／　Ｑ２＝”０”　という状態（＝状態”０”）

以上の２つの状態を取る。（他の組み合わせＥｘ．Ｑ１＝１／Ｑ２＝２はない。） この回路は電源をＯＮにした時の重力によってどちらかの状態になり､あとは その状態を続けるだけである。従ってこのままでは実用にはならない。

図6.1　双安定回路

双安定回路を外部から状態”１”にしたり、状態”０”にしたり自由に制御できる ようにしたのが6.2図に示すＳＲフリップフロップである。入力信号のＳとＲに ”１”または”０”を咥えた時、Ｑ１、Ｑ２がどうなるかを以下の表に示す。

図6.2　ＳＲフリップフロップ

Ｓ	Ｒ	Ｑ１	Ｑ２	備考
１	０	１	０	”１”状態へセット
０	１	０	１	”０”状態へリセット
０	０	前の状態		記憶続行
１	１	１	１	Ｑ１＝１、Ｑ２＝２は強制不安定状態で記憶続行はしない。

表6.1　ＳＲフリップフロップ動作表

ＳＲフリップフロップ（ＦＦ）はＳ入力、Ｒ入力によりＱ１，Ｑ２の状態をセット／リセット できるようになったが、まだクロックは導入されていない。だから多くのＦＦを相互に接続 する回路では、ＦＦから次のＦＦへの信号伝達が将棋倒し式あるいは雪崩式に進行する。 それでは単なるゲート接続の場合の信号の伝播と変わらない。
ＦＦが真に実用になるのは､クロックが導入されてから、換言すれば早期式ＦＦが出現 してからである。クロックが導入された結果､ＦＦの動作にきちんとした時間のけじめが つくようになった。クロック（＝クロックパルス）は水晶発振器から取り出された正確な 周忌で繰り返す矩形波パルスである。矩形破の電圧は５ｖ／０ｖである。

図6.3　クロックパルス

クロックパルスはＣＰＵ内のほとんど全てのＦＦに対して供給され、それらのＦＦは クロックに歩調を合わせて動作する。ＦＰＵは総合的には複雑な動作を行うが、細かく 細分化してみるとごく単純な動作をいくつも繋いでやっているにすぎない。単純なひとくぎり の動作を１区間のクロックパルスの期間ごとに行う。現在のパソコンのクロックは１０００ＭＨｚ 程度になっているので､１区間が１００ｎｓ程度である。

6.4図に同期式ＳＲＦＦをしめす。入力部分にクロックを加えたことによってこのＦＦの 動作は次のようになる。

・ＦＦへの入力信号Ｓ，Ｒ，が効力をもつのはクロック”１”（＝５ｖ）の 時だけとなる。
・逆にいうとクロックが”０”の期間はＦＦは何ら動作しない（Ｓ，Ｒ，が変化 しても知らぬ顔をしている）

このFFの動作に大きな意味が生じるのは、クロックパルスがＣＰＵ内のほぼ全てのＦＦ に対して、共通に供給されるからである。その結果、ＦＦはクロックパルスのタクトの 元に一斉に歩調をあわせて動くことになる。同期式という名称は歩調を合わせるという 意味である。

図6.4　同期式ＳＲＦＦ

ＳＲＦＦはＳ入力、Ｒ入力、両方に”１”が入りクロックが入ると、 Ｑ，Ｑ＿ともに”１”に強制される。 これは、「どちらか片方しか”１”にならない」とのＦＦの原則に反する。 ただしＳ入力、Ｒ入力、両方が”０”に戻れば、Ｑ，Ｑ＿ はいずれか片方が”１”になり正常に戻る。どちらが”１”になるかは偶然によって決まる。 これではＦＦとして使い難いので、ＳＲＦＦでは両方に”１”入力を与えるケースは 禁止せざるを得ない。
ＪＫＦＦは6.5図のように回路の一部を変更してこの制約を取り除いた。すなわち、ＪＫＦＦでは 入力信号Ｊ，Ｋ両方に”１”が入ることを許し、その時のＱ，Ｑ＿ の動作は6.2表に示すようになる。

図6.5　ＪＫＦＦの回路

Ｊ Ｋ Ｑn+1 Ｑ＿n+1 ０ ０ Ｑn Ｑ＿n ０ １ ０ １ １ ０ １ ０ １ １ Ｑ＿n+1 Ｑn 図6.4　同期式ＳＲＦＦ

マスタースレーブＪＫＦＦは、マスター用に１個のＪＫＦＦ，スレーブ用に もう１個のＪＫＦＦとして使用し、信号伝播の動作の安定化を図ったもので ある。6.6図に示すようにマスターには普通のクロックパルスを、スレーブには 反転したクロックパルスを与える所がミソである。

図6.6　マスタースレーブＪＫＦＦ

このように２個組み合わせるとスレーブＦＦから出る最終出力は必ず正常クロックの 立下りエッジよりも後ろで出現することが保証される。単に１個のＦＦだと出力が クロックの途中で出現する可能性がある（早すぎる）
信号伝播の安定化を別の手段で行ったものにエッジトリガーＦＦがある。どちらでも良いが統一 使用する必要がある。）