Kombinatorische vs. sequentielle Logik
Alles, was in den anderen Artikeln behandelt wird — Gatter, Wahrheitstabellen, Karnaugh-Diagramme — beschreibt kombinatorische Logik: Schaltungen, deren Ausgang nur vom aktuellen Eingang abhängt. Speicher erfordert mehr: sequentielle Logik, bei der der Ausgang auch von vergangenen Eingängen abhängt. Latches und Flip-Flops sind die Grundbausteine sequentieller Logik.
Latches: pegelgesteuert
Ein SR-Latch ist das einfachste Speicherelement: Set (S=1) zwingt den Ausgang auf 1, Reset (R=1) auf 0, und S=R=0 hält den vorherigen Wert. Der verbotene Zustand S=R=1 liefert ein undefiniertes Ergebnis und muss vermieden werden.
Ein D-Latch verbessert dies: Solange das Enable-Signal (E) hoch ist, folgt der Ausgang Q kontinuierlich dem Dateneingang D. Sobald E auf niedrig geht, friert Q auf dem Wert ein, den D in diesem Moment hatte. Das ist die Bedeutung von „pegelgesteuert“ — das Latch „hört zu“, solange E hoch ist, nicht nur in einem einzelnen Moment.
Flip-Flops: flankengesteuert
Ein D-Flip-Flop tastet seinen Eingang D nur genau im Moment der Taktflanke ab — typischerweise bei der steigenden Flanke. Zwischen den Taktflanken ist der Ausgang vollständig unempfindlich gegenüber Änderungen von D. Dieses „flankengesteuerte“ Verhalten macht Flip-Flops, nicht Latches, zum Standardbaustein für Register, Zähler und Pipeline-Prozessoren.
Warum Flankensteuerung wichtig ist: In einem pegelgesteuerten Latch wirkt sich jede Störung am Eingang bei hohem Enable direkt auf den Ausgang aus. In einer großen synchronen Schaltung mit Tausenden von Latches führt das zu Race Conditions und unvorhersehbarem Verhalten. Flankengesteuerte Flip-Flops, getaktet durch ein einziges globales Taktsignal, beseitigen dieses Problem von Natur aus.
In Aktion sehen
Boolflow enthält fertige SR-Latches, D-Latches und D-Flip-Flops. Laden Sie das Flip-Flop-Beispiel, schalten Sie das CLOCK-Element um und beobachten Sie, wie der D-Latch-Ausgang dem Eingang kontinuierlich folgt, während der D-Flip-Flop-Ausgang nur bei der Taktflanke aktualisiert wird.