Bits Speichern

Die bisherigen Schaltungen für den Einbruchsalarm haben einen grossen Nachteil: sobald der Bewegungsmelder keine Bewegung mehr entdeckt, wird der Alarm abgestellt.

Ein guter Einbruchsalarm sollte aber nicht mehr abschalten. Die Schaltung sollte die Information, dass eine Bewegung entdeckt wurde, speichern können.

Mit Hilfe eines OR-Gatters kann dies realisiert werden. Dazu wird das Ausgangssignal des OR-Gatters wieder als Eingang verwendet. Das führt dazu, dass das OR-Gatter immer den Wert 1 liefern wird, sobald es einmal diesen Wert im Ausgang angenommen hat.

Rückkopplung.png

Rückkopplung: Wenn der Ausgang einer Schaltung wieder als Eingang verwendet wird, nennt man dies Rückkopplung.

Schaltungen mit Rückkopplung ermöglichen das Speichern von Daten sowie die Konstruktion von programmierbaren Schaltungen. Die Rückkopplung ist also ein zentrales Konzept für den Bau von Computern.

Interaktive Schaltung

In dieser interaktiven Schaltung kann die Rückkopplung getestet werden:

CircuitVerse - Digital Circuit Simulator online

Rückkopplung mit Reset

Natürlich will man die Alarmanlage auch wieder abschalten können. Dazu kann in der Rückkopplungsschleife ein Reset-Knopf eingebaut werden:

CircuitVerse - Digital Circuit Simulator online

✏️ Aufgabe 3.9a

1. Da manchmal Wasser in Ihren Keller eindringt, möchten Sie wissen, ob es seit der letzten Kontrolle besonders stark geregnet hat. Ein Feuchtigkeitssensor allein reicht nicht. Bauen Sie in CircuitVerse eine entsprechend beschriftete Schaltung mit einer Rückkopplung, die speichert, wenn der Niederschlag zu stark war.
2. Bauen Sie einen Druckknopf ein, mit dem die Anzeige wieder zurückgesetzt werden kann.

Speicher

Die Schaltung «Rückkopplung mit Reset» wird in der Informatik als SR-Flip-Flop bezeichnet.

Sie speichert den Wert 1, falls der Eingang «Set» aktiviert ist und speichert den Wert 0, falls der Eingang «Reset» aktiviert ist.

Diese Schaltung bildet die Grundlage für den Bau von Speichern (RAM). Um ein Bit zu speichern, wollen wir eine Schaltung, welche die folgenden zwei Eingänge hat:

• Daten: gibt an, welcher Wert gespeichert werden soll.
• Speichern: gibt durch eine 1 an, ob nun der Datenwert abgespeichert werden soll.

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Ein Byte speichern

Dekodierer

Ein Dekodierer ist eine Schaltung, die eine $n$-stellige binäre Zahl empfängt und einen von $2^n$ Ausgängen aktiviert. Dekodierer werden beispielsweise verwendet, um eine Speicheradresse in ein Aktivierungssignal der entsprechenden Speicherzelle umzuwandeln.

Die folgende Abbildung zeigt einen 2-bit-Dekodierer:

A1	A0	Y0	Y1	Y2	Y3
0	0	1	0	0	0
0	1	0	1	0	0
1	0	0	0	1	0
1	1	0	0	0	1

Demultiplexer

Manchmal ist es wünschenswert, ein bestimmtes Signal, beispielsweise einen Takt, an ein bestimmtes Ziel weiterzuleiten. Indem jeder Ausgang eines Dekodierers mittels eines AND-Gatters mit dem Signal verknüpft wird, wird genau dies erreicht. Das Signal wird nur an den durch die Adresse ausgewählten Ausgang weitergeleitet, die anderen Ausgänge bleiben immer auf dem Wert 0.

Eine solche Schaltung nennt man Demultiplexer.

✏️ Aufgabe 3.10a

1. Bauen Sie in CircuitVerse einen 2-Bit-Dekodierer
2. Erweitern Sie die Schaltung zu einem 4-Bit-Dekodierer.
3. Erweitern Sie die Schaltung zu einem Demultiplexer.

⭐️ Zusatzaufgabe: Bauen Sie den Demultiplexer ausschliesslich aus NAND-Gattern auf.

✏️ Aufgabe 3.10b – Speicher

Verwenden Sie für diese Aufgabe in CircuitVerse den Baustein «D Latch» unter «Sequential Elements», um einen 4-Bit-Speicher zu bauen. Der Speicher hat vier Eingänge:

Code	Bedeutung
CLK	Taktsignal zum Speichern des Bits
A0	Adressleitung 0
A1	Adressleitung 1
D	Datenleitung

Über die beiden Adressleitungen kann ausgewählt werden, in welchem Flip-Flop das Bit gespeichert werden soll.