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Schaltwerke

Schaltnetze, die wir in der letzen Einheit besprochen haben, unterscheiden sich von Schaltwerken dadurch, dass sie nicht rückgekoppelt sind. D.h. es wird bei Schaltnetzen nicht der Ausgang wieder als Eingangssignal angelegt.

Rückkopplungen können genutzt werden, um eine Schaltung zu einem stabilen Speicherbaustein auszubauen. Bei diesen bleibt der Inhalt selbst dann unverändert, wenn kein äußeres Eingangssignal anliegt.

Schaltnetze mit Speicherbausteinen können weiter zu komplexen Schaltwerken zusammengesetzt werden. Bei ihnen hängt der Ausgang nicht nur vom Eingang, sondern auch von internen Schaltungs-Zuständen ab. Solche komplexe Schaltwerke, die durch Kombination von von Speicherbausteinen und Schaltnetzen aufgebaut werden, spielen in Computern eine wichtige Rolle (wie Steuer- und Leitwerk).
  • Ein binäres Schaltnetz ist eine rückkopplungsfrei Anordnung von booleschen Gattern. Es gibt keine internen Schaltungszustände und die Ausgänge hängen nur von den Eingangssignalen ab.
  • Ein binäres Schaltwerk ist eine Anordnung von booleschen Gattern mit Rückkopplungen. Die Ausgänge des Schaltwerk hängen von den Eingängen und den internen Zuständen des Schaltwerks ab. Die internen Zustände werden in separaten Speicherbausteinen abgelegt.

RS-Flipflop

Ein Beispiel für ein einfaches Schaltwerk ist das RS-Flipflop, wobei R für Reset und S für Set steht.
Es hat zwei stabile Zustände und kann zur Speicherung eines Bits verwendet werden:


Darstellung des RS-Flipflops mit logischen Gattern:

Flipflop

Das diskrete zeitliche Verhalten wird mit Hilfe folgender Tabelle erläutert:
Zeile r_t s_t q_t p_t q_t+1 p_t+1 q_t+2 p_t+2 q_t+3 p_t+3 Stabilität
1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 instabil
2 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 stabil
3 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 stabil
4 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 instabil
5 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 stabil
6 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 stabil
7 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 stabil
8 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 stabil
9 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 stabil
10 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 stabil
11 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 stabil
12 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 stabil
13 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 stabil
14 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 stabil
15 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 stabil
16 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 stabil



Die rückgekoppelten Signale können auch als interne Zustände betrachtet werden.

In den Zeilen 5-8 wird unabhängig vom internen Zustand zum Zeitpunkt t=0, am q-Ausgang eine 1 gesetzt (set=1, reset=0). Am p-Ausgang liegt der komplementäre Wert an.

In den Zeilen 9-12 wird unabhängig vom internen Zustand zum Zeitpunkt t=0 der q-Ausgang 0 (set=0, reset=1).

Selbst wenn die zugehörigen Eingänge dann Null werden, bleiben die Werte erhalten (siehe Zeile 2 und 3).

Es müssen allerdings die instabilen Zustände 1 und 4 vermieden werden.
Liegt an beiden Eingängen eine 1 an, so sind beide Ausgänge immer Null. Dieses Eingangsschema (1,1) sollte daher auch vermieden werden.

Mit Halbleiter-Flipflops lassen sich sehr schnelle Speicher realisieren. Diese haben Zugriffszeiten bis 0.5 ns. Dabei werden jedoch nicht ungetaktete Flipflops sondern getaktete Flipflops (RST-Flipflops) verwendet. Bei getakteten Schaltwerken werden die Eingänge und Rückkopplungen durch Taktsignale synchronisiert.

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