💾 Daten speichern mit Transistoren

🎯 Hier erfährst du, wie einzelne Bit gespeichert, wieder gefunden und ausgelesen werden können. Ebenso erfährst du, dass ein „Flipflop“ nicht nur der Name einer Sandale, sondern auch Grundlage eines einfachen binären Speichers ist.

Das Flipflop in Abb.1 besteht aus zwei NOR-Gattern (NICHT-ODER), besitzt zwei Eingänge e₀ und e₁ und einen Ausgang (die Lampe). Speziell dabei ist, dass der Ausgang eines jeden NOR-Gatters mit einem der Eingänge des anderen NOR-Gatters verknüpft wird. Nachfolgend ist die Wahrheitstabelle des NOR-Gatters wiedergegeben. Der Ausgang a des NOR-Gatters ist immer 0 ausser für den Eingang e₁e₀ = 00.

In Abb.1 wird der Eingang e₀ auf 1 und der Eingang e₁ auf 0 gesetzt, der Ausgang (die Lampe) wird zu 1 (leuchtet). Das Flipflop wird mit 1 beschrieben.

Abb.1: Flipflop mit 1 beschreiben [Screenshot: logic.ly online]

In Abb.2 werden beide Eingänge auf 0 gesetzt, der Ausgang bleibt 1. Die Zahl 1 wurde im Flipflop gespeichert.

Abb.2: Flipflop 1 speichern [Screenshot: logic.ly online]

In Abb.3 wird der Eingang e₀ auf 0 und der Eingang e₁ auf 1 gesetzt, der Ausgang wird zu 0. Das Flipflop wird mit 0 beschrieben.

Abb.3: Flipflop mit 0 beschreiben [Screenshot: logic.ly online]

In Abb.4 werden beide Eingänge auf 0 gesetzt, der Ausgang bleibt 0. Die Zahl 0 wurde im Flipflop gespeichert.

Abb.4: Flipflop 0 speichern [Screenshot: logic.ly online]

Somit stellt das Flipflop einen einfachen Speicher für 1 Bit dar.

Das oben vorgestellte Flipflop ist noch kein komfortabler Speicher. Hier wird dir eine Schaltung vorgestellt, welche etwas komfortabler 1-Bit speichern kann, das D-Latch.

✍ Auftrag 1

1. Baue die nachfolgende Schaltung in logic.ly nach.

Abb.5: D-Latch Bauplan [Screenshot: logic.ly online]

Ein Speicher von 1 Bit wäre natürlich viel zu wenig, ein moderner Computer kann mehrere Milliarden Bit zwischenspeichern. Es gibt Logik-Gatter-Schaltungen, welche eine bestimmt Speicherzelle auslesen können (Multiplexer kurz MUX) und es gibt Logik-Gatter-Schaltungen, welche ein zu speicherndes Bit einer bestimmten Speicherzelle zuodnen können (Demultiplexer kurz DEMUX).

Ein MUX verbindet mehrere Eingänge (in Abb.6 als e₀ bis e₇ bezeichnet) mit einem Ausgang a. Jeder Eingang ist mit einer Speicherzelle verknüpft. Die Binärzahl s₂s₁s₀ bestimmt, welche von den Speicherzellen ausgelesen und an den Ausgang a ausgegeben wird.

Ein DEMUX macht genau das umgekehrte. Es verbindet einen Eingang e mit mehreren Ausgängen (in Abb.7 als a₀ bis a₇ bezeichnet). Jeder Ausgang ist mit einer Speicherzelle verknüpft. Die Binärzahl s₂s₁s₀ bestimmt, in welche Speicherzelle das an e anliegende Bit gespeichert wird.

Abb.6 MUX	Abb.7 DEMUX

Wie ein MUX und ein DEMUX mit Logik-Gattern realisiert werden kann, ist in den beiden folgenden Beispielen gezeigt.

Ein Computer nutzt Transistoren als Schalter (siehe Abb.8 und Abb.9). Ein eingeschalteter Transistor repräsentiert die Binärzahl 1, ein ausgeschalteter die Binärzahl 0 (siehe Kapitel 🧮 Vom Schalter zum Addierwerk). Wird ein Computer ausgeschaltet (d.h. der Strom abgestellt), dann verschwinden auch die Ladungen an den Gates, die Transistor-Zustände gehen verloren. Der Computer „vergisst“ somit alles. Wird der Computer neu gestartet, muss dieser alles wieder neu einlesen (quasi „sein Gedächtnis auffrischen“).

Abb.8 Eingeschalteter Transistor
Normaler Schalter	Aufbau Transistor	Schaltbild Transistor

Abb.9 Ausgeschalteter Transistor
Normaler Schalter	Aufbau Transistor	Schaltbild Transistor

Bei einem Speicherchip (z.B. USB-Stick oder Solid-State-Disk SSD) sollten aber die Transistoren-Zustände erhalten bleiben, wenn man diesen vom Computer und somit vom Strom trennt. Dies wird durch sogenannte Floating-Gate-Transistoren erreicht (siehe Abb.10). Legt man am Gate eine positive Ladung an, so wird auch die isolierte Zwischenschicht (das Floating-Gate) positiv geladen.¹⁾ Entfernt man die positive Ladung am Gate, sodass keine Ladung mehr am Gate anliegt (z.B. durch Strom abstellen, USB-Stick abziehen) so bleibt das Floating-Gate positiv geladen und der Transistor leitet.

Abb.10 Eingeschalteter Floating-Gate-Transistor
Normaler Schalter	Aufbau Transistor	Schaltbild Transistor

Wird am Gate eine negative Spannung angelegt (siehe Abb.11), so wird auch das Floating-Gate negativ geladen und der Transistor sperrt, d.h. er leitet keinen Strom. Entfernt man die negative Ladung am Gate, sodass keine Ladung mehr am Gate anliegt (Strom abstellen) so bleibt das Floating Gate negativ geladen und der Transistor sperrt.

Abb.11 Eingeschalteter Floating-Gate-Transistor
Normaler Schalter	Aufbau Transistor	Schaltbild Transistor

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