🎯 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 ist eine Schaltung, mit der ein Bit-Zustand gespeichert werden kann. Die Schaltung besitzt zwei Eingänge e₀ und e₁ und einem Ausgang (hier als Lampe dargestellt). Der Ausgang (die Lampe) stellt den gespeicherten Bit-Zustand dar.

In Abb.1 wird der Ausgang mit 1 beschrieben (die Lampe leuchtet). Dazu wird nur der Eingang e₁ auf 1 gesetzt. Der Eingang e₀ verbleibt auf 0.

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

In Abb.2 werden danach beide Eingänge auf 0 gesetzt, der Ausgang bleibt 1. Daran ist zu sehen, dass die Zahl 1 im Flipflop gespeichert wurde.

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

In Abb.3 wird nun der Ausgang mit 0 beschrieben (die Lampe ist aus). Dazu wird nur der Eingang e₀ auf 1 gesetzt. Der Eingang e₁ verbleibt auf 0.

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

In Abb.4 werden beide Eingänge wieder auf 0 gesetzt, der Ausgang bleibt diesmal 0. Daran ist zu sehen, dass die Zahl 0 im Flipflop gespeichert wurde.

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

Das Flipflop besteht aus zwei NOR-Gattern (NICHT-ODER), bei denen die Ausgänge mit einem der Eingänge des anderen NOR-Gatters verknüpft werden. Der Ausgang des NOR-Gatters ist immer 0, ausser wenn bei beiden Eingängen des NOR-Gatters 0 angelegt wird, dann ist der Ausgang des NOR-Gatters 1.

NOR-Gatter-Wahrheitstabelle

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 ist natürlich viel zu klein. 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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