Schaltwerk

Schaltwerk / Automat

Die bis jetzt angeschauten Schaltungen haben beliebig viele Eingänge. Eine durch die Schaltung definierte Funktion berechnet aus den Eingangswerten entsprechende Ausgangswerte:

Schaltung

Damit lässt sich jedoch noch kein Computer bauen: Es fehlt die Möglichkeit einen Zustand abzuspeichern. Selbst ein einfacher Taschenrechner benötigt einen Speicher, sonst könnte man ja keine Rechnungen in mehreren Schritten eingeben.

Durch Rückkopplung der Ausgänge und Wiederverwendung als Eingänge kann unser Schaltwerk auf den vorherigen Zustand zurückgreifen. So ein Schaltwerk nennt man auch Automat.

Schaltwerk

FlipFlops

FlipFlops sind Schaltungen mit Rückkopplung. Es gibt mehrere unterschiedliche Varianten, z.B. das «RS FlipFlop»:

RS FlipFlop bestehend aus 2 NOR

Baue das «RS FlipFlop» in Logisim selbst nach und beschreibe seine Funktionsweise, resp. wozu es eingesetzt werden könnte.

Baue das «RS FlipFlop» mit dem Digitalelektronik-Baussatz selbst nach. Du brauchst dazu einen NOR-Chip (mit mehreren NOR-Gattern) und eine LED-Lampe (+ Widerstand) zur Anzeige des Ergebnisses.

Baue eine Zählschaltung in Logisim. Als Eingabe dient nur ein Taster. Als Ausgabe kannst du eine Reihe von LEDs verwenden. Tipp: Schau dir das «T FlipFlop» unter «Speicher» an.

Es gibt viele verschiedene Arten von FlipFlops, die sich in der Art der Eingänge und der Reaktion auf dort anliegende Signale unterscheiden. Alle haben sie aber zwei stabile Zustände die an den Ausgängen gemessen werden können. Zwischen diesen Zuständen kann durch Signale an den Eingängen umgeschaltet werden. Üblicherweise ist neben dem Ausgang Q ein weiterer Ausgang vorhanden, an dem der negierte Wert von Q anliegt.

Durch das Zusammenschalten mehrerer FlipFlops entstehen komplexe Systeme wie Zähler (asynchron oder synchron), Datenspeicher (Halbleiterspeicher) und Mikroprozessoren. FlipFlops sind Grundbausteine für die gesamte Digitaltechnik und Mikroelektronik von heute, einschließlich des Computers.


RS FlipFlop: Die einfachste Art eines FlipFlops ist das RS FlipFlop: Durch ein Signal am «Setz»-Eingang (S) wird der Ausgang auf 1 gesetzt und mit dem «Rücksetz»-Eingang (R) zurückgesetzt. Das RS FlipFlop ist ein ungetaktetes FlipFlop, d.h. eine «Setzen» oder «Rücksetzen» am Eingang ist sofort am Ausgang sichtbar.


D FlipFlop: Ein D FlipFlop entspricht einem getakteten RS FlipFlop mit nur einem Eingang (D) der gleichzeitig Setz- und Rücksetzeingang ist. Bei freigeschaltetem Clock-Eingang (C, oft als > dargestellt) übernimmt das D FlipFlop den Wert des Daten-Eingangs (D) und gibt seinen Wert in Folge auf Q aus. Ist der Clock-Eingang nicht freigeschaltet, erfolgt keine Übernahme des Eingangswertes.

T FlipFlop: Führt man bei einem D FlipFlop den invertierten Ausgang auf den Daten-Eingang (D) zurück, so entsteht ein T FlipFlop. Ein T FlipFlop funktioniert ähnlich wie ein
Druckkugelschreiber:

  • Knopf einmal drücken: die Mine kommt heraus.
  • Knopf loslassen: die Mine bleibt draussen (der Zustand ist abgespeichert)
  • Knopf noch mal drücken: die Mine fährt wieder hinein.
  • Knopf loslassen: die Mine bleibt drin.

Auf dem Wiki findest du die Lernaufgabe «Speicher» Lies das PDF durch und versuche den Speicher in Logisim nachzubauen.

Auch auf dem Wiki findest du die Lösung der Lernaufgabe «Speicher» und eine Zusatzaufgabe. Öffne die Lösung in Logisim und löse die Zusatzaufgabe.