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目的

この記事では、応用情報技術者試験の出題分野であるハードウェアに関する覚書きを列挙する。
※ ハードウェアは、コンピュータを構成する物理機器の総称。

ハードウェアの構成部品となる電子・電気回路における基本的な論理回路には、次の回路記号がある。

OR回路：論理和
入力値 \(A\)、\(B\) の論理和 \(Y\) を表す。
AND回路：論理積
入力値 \(A\)、\(B\) の論理積 \(Y\) を表す。
NOT回路：否定
入力値 \(A\) の否定 \(Y\) を表す。
NOR回路：否定論理和
入力値 \(A\)、\(B\) の論理和の否定 \(Y\) を表す。
NAND回路：否定論理積
入力値 \(A\)、\(B\) の論理積の否定 \(Y\) を表す。
XOR (EXOR) 回路：排他的論理和
入力値 \(A\)、\(B\) が一致すれば \(Y = 0\)、一致しなければ \(Y = 1\) となる排他的論理和を表す。

また、上記の論理回路から構成される最も基本的な構造の論理回路で、\(1\) ビットの情報保持が可能なフリップフロップ回路がある。
※ 記憶回路、または記憶素子とも呼ばれる。

記録内容のリフレッシュ動作を行う必要のないSRAMで多く利用され、以下の種類に大分される。

RS型（SR型）
RESET端子とSET端子の \(2\) つ入力信号とNAND回路を二つ組合わせた回路で、SET端子に \(Hi(1)\) が入力されるとRESETされるまで出力の状態を保持し続ける。

\(S\)	\(R\)	\(Q\)	\(\overline{Q}\)
\(0\)	\(0\)	保持	保持
\(0\)	\(1\)	\(0\)	\(1\)
\(1\)	\(0\)	\(1\)	\(0\)
\(1\)	\(1\)	禁止	禁止

JK型
J端子とK端子の \(2\) つ入力信号と4つのNAND回路を使う回路で、RS型で禁止だった、RESET端子 \(= Hi(1)\) と SET端子 \(= Hi(1)\) の入力が許可されたもの。

\(J\)	\(K\)	\(Q\)	\(\overline{Q}\)
\(0\)	\(0\)	保持	保持
\(0\)	\(1\)	\(0\)	\(1\)
\(1\)	\(0\)	\(1\)	\(0\)
\(1\)	\(1\)	反転	反転

上記以外で、\(D\)フリップフロップ（ゲート型 \(D\)、エッジトリガ型 \(D\)）、\(T\) 型があり、合計 \(4\) 種類に分類される。

半導体素子とは、半導体を素材に作られた回路素子（電気回路の構成要素）のことで、集積回路（IC：Integrated Circuit）、大規模集積回路（LSI：Large Scale Integrated）などがあり、以下の代表的な構成部品がある。

カスタムIC
利用者の要求に応じて設計、製造される集積回路（IC）で下記のASICとFPGAがある。
システムLSI
組込みシステム製品の電子回路を一個の半導体チップに集約した半導体製品で、この設計手法をSoC（System On a Chip）という。
SoCを組合わることにより、システムの小型化や高速化が可能となる。
ASIC（Application Specific Integrated Circuit）
製造時に回路設計を決めるカスタムIC。
短時間で提供でき、単価が安いが、開発費が高く開発期間が長い。
FPGA（Field-Programmable Gate Array）
製造後に構成変更が可能なカスタムIC。
利用者が回路構成を変更することができ、開発期間が短く開発費が不要だが、単価が高い。
MEMS（Micro Electro Mechanical Systems：微小電子機械システム）
シリコン基板などの上に、電子回路やセンサー、機械的に動くアクチュエーターなどの可動部を動かすための立体構造を集積化したデバイス。

以下、半導体の主な故障メカニズム。

ESD破壊（静電破壊）
人体、装置、デバイスの帯電が起因し、静電気放電（ESD：ElectroStatic Discharge）で、酸化膜や配線などが破壊されること。
ラッチアップ
期待位置以外にトランジスタやサイリスタなどができる寄生トランジスタ（寄生サイリスタ）が原因で回路に不具合が生じること。
ストレスマイグレーション
絶縁層と熱膨張係数の差と温度上昇のストレスにより、金属配線にボイド（空洞）断線が発生し、半導体素子が不良になる現象。
エレクトロマイグレーション
電子と金属原子の運動量交換でイオンが移動することにより、金属配線にボイド（空洞）や断線が発生し、半導体素子が不良になる現象。

タイマーとは、カウンターで一定時間ごとに起こる割込みを監視し時間を計測する装置のこと。

下記タイマーは、組込みシステムで使用される。

インターバルタイマー
一定間隔でCPUに割込みを発生させるタイマー。
コンピュータがRTC（リアルタイムクロック）から時刻を取得し、インターバルタイマーで時刻を更新する。
ウォッチドッグタイマー
コンピュータ動作に異常がないか監視するためタイマー。
OSが一定間隔でウォッチドッグタイマーをクリアする仕組みであることを前提に規定時間内にクリアされない場合、障害発生と判断する。
RTC（Real-Time Clock）コンピュータが内蔵する時計でシステム電源が落ちてもバッテリバックアップなどにより時刻を刻み続ける特徴を持つ。

以下、ハードウェアのその他機能。

診断プログラム
ハードウェアに問題が発生した場合、メーカーサポートに問い合わせる前の対処として問題原因を特定するプログラムのこと。
オープンソースハードウェア
ハードウェアの設計や回路図、ソフトウェアなどの情報を無償で公開し、オープンソースソフトウェアと同じ形態で設計される電子機器を指す。

オープンソースソフトウェアについて
→ 応用情報技術 - 基礎覚書き：ソフトウェア（その他アプリケーション）> オープンソースソフトウェア（OSS）
エネルギーハーベスティング
特に身の回りにあるわずかなエネルギー（太陽光、照明光や機械の振動、熱エネルギーなど）を集め、電気に変換する技術のこと。