Flipflop

Um einen 1-Bit-Speicher zu erstellen, brauchen wir eine Schaltung, die sich irgendwie vorherige Eingabewerte merkt. Eine solche Schaltung läßt sich aus zwei NOR-Gattern bauen:

Flipflop
Flipflop (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Flipflop_SR1.svg)

Man nennt solche Schaltungen scherzhaft Flip-Flop, nach dem Geräusch, das frühere Realisierungen beim Umschalten machten.

Die Schaltung oben nennt sich SR-Flip-Flop und hat zwei Eingänge:

  • S zum Setzen des Flip-Flops (Set)
  • R zum Zurücksetzen (Reset)

Ferner hat sie zwei komplementäre Ausgänge Q und ‾Q. Betrachten wir nun das Verhalten der Schaltung.

Dazu nehmen wir zunächst an, dass S und R auf 0 gesetzt sind (was sie in der Praxis auch meistens sind).
Außerdem nehmen wir an, dass Q = 0:

  • Da Q in das obere NOR-Gatter zurückgespeist wird, sind seine beiden Eingänge = 0.
    Somit ist der Ausgang des oberen NOR-Gatters ‾Q = 1
  • Diese 1 (von ‾Q) wird in das untere NOR-Gatter zurückgespeist, das dann die Eingänge 1 und 0 hat, woraus sich Q = 0 ergibt.
  • >Dieser Zustand ist also konsistent.
  • Nun stellen wir uns vor, dass Q = 1 ist, während R und S = 0 sind.
    • Das obere Gatter hat die Eingänge 0 und 1 und einen Ausgang ‾Q = 0, der zum unteren Gatter geleitet wird.
    • Das untere Gatter hat somit die Eingänge 0 und 0, wodurch Q = 1 ist.
    • Diese 1 wird in das obere Gatter geleitet.
    • Dieser Zustand ist also ebenfalls konsistent.
  • Wir können daraus also schließen, daß das SR-Flip-Flop bei
    R = S = 0 zwei stabile (konsistente) Zustände hat, die wir abhängig von Q als 0 und 1 bezeichnen.
  • Prüfen wir jetzt die Wirkung der Eingänge auf den Zustand der Flip-Flop-Schaltung.
  • Nehmen wir also an, daß S = 1, während Q = 0.
    • Die Eingänge des oberen Gatters sind dann 1 und 0, wodurch der Ausgang ‾Q = 0 sein muss.
    • Dadurch werden die beiden Eingänge des unteren Gatters 0, was den Ausgang Q = 1 setzt.
    • Setzt man also S = 1, schaltet der Zustand von 0 nach 1.
    • Setzt man R = 1, wenn sich das Flip-Flop im Zustand 0 befindet, tritt keine Wirkung ein, weil der Ausgang des unteren NOR-Gatters für die Eingänge 1 und 0 sowie die Eingänge 1 und 1 jeweils 0 ist.
    • Dadurch läßt sich erkennen, daß das Setzen von S = 1 wirkungslos bleibt, wenn sich die Schaltung ohnehin im Zustand 1 befindet, während das Setzen von R = 1 das Flip-Flop in den Zustand 0 schaltet.
  • Anders ausgedrückt:
    • Wird S vorübergehend auf 1 gesetzt, endet das Flip-Flop im Zustand Q = 1, egal, in welchem Zustand es sich vorher befunden hat (war der Zustand schon 1, ändert sich einfach nichts!)
    • Wird R = 1 gesetzt, wird das Flip-Flop in den Zustand Q = 0 gesetzt, ebenfalls unabhängig von seinem vorherigen Zustand.
  • Die Schaltung merkt sich also, ob S oder R zuletzt an war, d.h. ob der Wert des Flip-Flops 1 oder 0 beträgt!
  • Mit einer solchen Schaltung können wir also Computer-Speicher entwickeln: Eingesetzt werden Flip-Flops bei der Realisierung von Registern und Cache-Speicher.
  • „Normaler“ Hauptspeicher wird nicht über Flip-Flops realisiert, sondern über einen einzelnen Transistor und einen Kondensator, der entweder geladen ist (=1) oder ungeladen (=0) (Flip-Flops bestehen mind. aus 4 Transistoren).
    Hauptspeicher aus Kondensatoren ist also günstiger zu produzieren, allerdings velieren Kondensatoren ihre Ladung mit der Zeit, so daß die Ladung in regelmäßigen Abständen aufgefrischt werden muss.

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