RS フリップフロップ（RS: アールエス）

2025年10月19日

RS フリップフロップ（RS: アールエス）

英語表記: RS Flip-flop

概要

RSフリップフロップは、論理回路とゲートの分野における最も基本的な順序回路の一つであり、「1ビットの情報を記憶する最小単位」として機能します。これは、R（リセット）とS（セット）という二つの入力端子を持ち、現在の状態を保持し続けることができる、非常に重要なフリップフロップです。私たちが普段使っているコンピュータのメモリや制御回路の基礎は、このような単純な記憶素子から成り立っているのですよ。

この回路は、入力信号が変化しても、その直前の状態を保持し続けるという順序回路特有の性質を持っています。つまり、時間的な流れ（順序）に依存して動作を決定するため、単なる組み合わせ回路（入力だけで出力が決まる回路）とは一線を画しているのです。

詳細解説

RSフリップフロップは、論理回路の基本要素であるNANDゲートやNORゲートを組み合わせて構成されています。この構造こそが、この概念が「論理回路とゲート」のカテゴリに分類される所以です。特に、順序回路の基礎を学ぶ上で、RSフリップフロップの動作を理解することは避けて通れない道です。

構成と動作原理

RSフリップフロップの主要な目的は、デジタルシステムにおいて「状態を保持する」ことです。これは、電源が供給されている限り、一度設定されたビット（0または1）を忘れないようにするための機能ですね。

主要コンポーネント:

S (Set) 入力: 回路の状態を「1」に設定する（セットする）ための信号です。
R (Reset) 入力: 回路の状態を「0」にリセットする（解除する）ための信号です。
Q 出力: 現在の記憶状態（メイン出力）を示します。
$\bar{Q}$ 出力: Q出力の否定（反対の状態）を示します。

RSフリップフロップの魅力は、その単純な動作モードにあります。ここでは、一般的なNORゲートを用いたRSフリップフロップの動作を例に見てみましょう。

| R | S | Q(t+1) | 動作 |
| :—: | :—: | :—: | :—: |
| 0 | 0 | Q(t) | 保持（直前の状態を維持） |
| 0 | 1 | 1 | セット（Qを1にする） |
| 1 | 0 | 0 | リセット（Qを0にする） |
| 1 | 1 | ? | 禁止状態（使用不可） |

1. 保持 (R=0, S=0)

RもSも入力がない状態です。このとき、回路はフィードバックループによって直前の記憶状態を維持します。これが「順序回路」の核心であり、時間を経ても状態を保つ、つまり記憶する動作です。記憶素子として最も重要なモードだと言えますね。

2. セット (R=0, S=1)

S入力に「1」が与えられると、Q出力が強制的に「1」になります。これは「記憶を開始する」操作に相当します。

3. リセット (R=1, S=0)

R入力に「1」が与えられると、Q出力が強制的に「0」になります。これは「記憶を消去する」操作に相当します。

4. 禁止状態 (R=1, S=1)

これがRSフリップフロップの最大の弱点であり、構造上の問題点です。RとSの両方に同時に「1」を入力すると、Qと$\bar{Q}$が両方とも「0」になってしまい、本来Qと$\bar{Q}$は互いに否定の関係にあるべきなのに、それが崩れてしまいます。さらに、この入力が解除されたとき、次にQが0になるか1になるか予測不能になってしまうのです。この不安定さから、実用的な設計ではこの状態を意図的に避ける必要があります。

トポロジー内の位置づけ

RSフリップフロップは、フリップフロップの中で最も原始的な形です。この素子にクロック入力（タイミングを制御する信号）を追加することで、より制御しやすいクロック付きRSフリップフロップ（RSラッチ）となり、さらに禁止状態を回避する機構を組み込むことで、DフリップフロップやJKフリップフロップといった、より高度な順序回路へと発展していきます。つまり、このRSフリップフロップは、順序回路の進化の出発点に位置していると言えるでしょう。

具体例・活用シーン

RSフリップフロップは、デジタル回路の基本的な記憶機能を提供するため、様々な場所で使われていますが、その動作原理を理解するためには、身近な例に置き換えて考えるのが一番です。

1. 衝突防止型の押しボタンスイッチ

RSフリップフロップの動作は、「押したらつきっぱなし、もう一つのボタンを押したら消える」というタイプのスイッチに非常に似ています。

S入力（セット）: 「電源オン」ボタン
R入力（リセット）: 「電源オフ」ボタン
Q出力: 「機器の状態（オン/オフ）」

私たちが家で使う一般的な照明スイッチは、押すたびにオンとオフが切り替わるトグル式が多いですが、RSフリップフロップは、オン専用のSボタンとオフ専用のRボタンが独立しているイメージです。

2. エレベーターの呼び出しボタンの比喩 (ストーリー)

RSフリップフロップの動作は、エレベーターの呼び出しランプの挙動に例えると非常に分かりやすいです。

ある階でエレベーターを呼ぶとき、私たちはボタン（S入力）を押します。

セット（S=1, R=0）： ボタンを押すと、ランプ（Q出力）がつきます。これは「エレベーターを呼んでいる」という状態を記憶したことになります。
保持（S=0, R=0）： ボタンから指を離しても、エレベーターが到着するまでランプはつきっぱなしです。これがフリップフロップの真骨頂、状態保持です。
リセット（R=1, S=0）： エレベーターが到着し、ドアが開く（または到着信号が送られる）と、ランプは自動的に消えます。これがリセットです。

ここで重要なのは、禁止状態です。もし、エレベーターの呼び出しシステムで「呼んでいる」信号（S=1）と「到着したから消せ」信号（R=1）が同時に発生したらどうなるでしょうか？システムは混乱し、次に誰かがボタンを押したときにランプが変な挙動をするかもしれません。RSフリップフロップでは、この同時に信号が来る状態（R=S=1）を避けるように設計しなければならない、という点が非常に現実的で興味深いですね。

3. データラッチ回路への応用

RSフリップフロップは、特にデータの一時的な保持（ラッチ）が必要な場所で利用されます。例えば、マイクロプロセッサが特定の値を一時的に保持したり、機械的なスイッチのチャタリング（ON/OFFが不安定になる現象）を防ぐためのデバウンス回路にも利用されることがあります。シンプルな記憶素子ですが、その応用範囲は非常に広いのです。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験や基本情報技術者試験、応用情報技術者試験において、フリップフロップはデジタル回路の基礎知識として頻出します。RSフリップフロップは、その中でも最も基礎的な概念であるため、動作原理をしっかり理解しておく必要があります。

1. トポロジーの理解（順序回路の定義）

組み合わせ回路との区別: RSフリップフロップが「順序回路」に分類される理由を問う問題は頻出です。順序回路は「過去の状態（記憶）と現在の入力」によって出力が決まるのに対し、組み合わせ回路は「現在の入力だけ」で出力が決まります。この違いを明確に説明できるようにしましょう。
フリップフロップの役割: 順序回路におけるフリップフロップの役割は「1ビットの記憶素子」である、という定義を覚えておきましょう。

2. 真理値表と動作モード

基本動作の暗記: R=0, S=0 が「保持」、R=0, S=1 が「セット」、R=1, S=0 が「リセット」であることは必須知識です。特に、保持モードの仕組み（フィードバックによる記憶）を理解しているかが問われます。
禁止状態（R=1, S=1）: RSフリップフロップの最大の欠点である禁止状態とその結果（不安定性、予測不能性）は必ず出題されます。この欠点を克服するために生まれたのが、JKフリップフロップやDフリップフロップである、という流れも覚えておくと応用問題に対応できます。

3. 構成要素と発展

構成ゲート: RSフリップフロップがNANDゲートまたはNORゲートといった基本的な「論理回路とゲート」の組み合わせで作られていることを理解しておきましょう。
クロックの有無: RSフリップフロップは基本的に非同期型（クロックなし）で動作しますが、実用的な回路ではタイミング制御のためにクロック入力が追加されることが多いです。この発展形（RSラッチ）についても知識を持っておくと有利です。