💾 Daten speichern mit Transistoren [Informatik @ Exorciser]

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====== 💾 Daten speichern mit Transistoren ======

<WRAP safety>
=== Wie kann sich ein Computer etwas merken? ===
</WRAP>

🎯 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.

~~INTOC~~

===== Speicher-Schaltungen =====

<WRAP right round tip 25%>
Tipp: Wenn dein Wissen zu Logik-Schaltungen ein wenig eingerostet ist, arbeite zuerst [[logic_repetition]] durch.
</WRAP>

==== Das "Flipflop" ====

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''.

| {{ :p:flipflopwrite1.png?direct&379 |}} |
| Abb.1: Flipflop mit ''1'' beschreiben [Screenshot: [[https://logic.ly/demo|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.

| {{ :p:flipflopsave1.png?direct&379 |}} |
| Abb.2: Flipflop ''1'' speichern [Screenshot: [[https://logic.ly/demo|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''.

| {{ :p:flipflopwrite0.png?direct&378 |}} |
| Abb.3: Flipflop mit ''0'' beschreiben [Screenshot: [[https://logic.ly/demo|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.

| {{ :p:flipflopsave0.png?direct&378 |}} |
| Abb.4: Flipflop ''0'' speichern [Screenshot: [[https://logic.ly/demo|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|

^  NOR  ^^^
^ Eingang ^ Eingang ^ Ausgang ^
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |

++++


==== Das "D-Latch" ====

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. 

<WRAP center round box >
== ✍ Auftrag 1 ==
  - Baue die nachfolgende Schaltung in [[https://logic.ly/demo/|logic.ly]] nach. 

| {{ :p:dlatch.png?direct&659 |}} |
| Abb.5: D-Latch Bauplan [Screenshot: [[https://logic.ly/demo|logic.ly online]]] |
</WRAP>

<WRAP center round box >
== ✍ Auftrag 2 ==
  - Finde durch Ausprobieren heraus, wofür "Data" und "Enable" zuständig sind und halte dies im nachfolgenden Textfeld fest.

{{gem/plain?0=N4XyA#ddcbb797069d7f41}}
++++Antwortzugang|**Data:** Hier wird eingestellt, ob ''0'' (aus, weiss) oder ''1'' (an, blau) gespeichert werden soll.

**Enable:** Aktivert / Deaktiviert das das Speichern. Wenn Enable ''1'' (an, blau) ist, wird der Wert von Data gespeichert. Wenn Enable ''0'' ist (aus, weiss), wird der Wert von Data ignoriert.
++++
</WRAP>

===== Mehrere Speicherzellen ansprechen =====

<WRAP safety>
=== Woher weiss der Computer wo er was hinspeichern soll? ===
</WRAP>

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 ''s₂''''s₁''''s₀'' 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 ''s₂''''s₁''''s₀'' bestimmt, in welche Speicherzelle das an ''e'' anliegende Bit gespeichert wird.

| {{gdraw>1ByPS1SYxh7ac8DVnWBXhZ4c0OQYAsAfdPnHZVVBOdSg width=200 center}} | {{gdraw>1c5Jr4_Ik-9NufokCLEsGePt0Uude3GKrHkmkPN8ySf4 width=200 center}} |
|  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.

<WRAP center round box >
== ✍ Auftrag 3 ==
  - Erkunde die beiden Schaltungen durch Klicken und fülle so die zugehörigen Wahrheitstabellen aus. Die Einträge ''-'' in den Wahrheitstabellen bedeuten, dass es hier keine Rolle spielt, ob der Wert ''0'' oder ''1'' ist.

| 2-1 MUX | 1-2 DEMUX |
| {{gem/cs/logic?0=N4IgNg9g5glgxiAXCAygRgM6ACCFAmApjgMz6CBBAHwCSaiaABACyW6K6VGJHkByazr7TpQaIG5AIL0WucUUadyAeVx0OucgCFcAQxABfIA#c25d2e9dbb7724b6}} | {{gem/cs/logic?0=N4IgNg9g5glgxiAXCAygRgM6ACCFAmApgHwCSaiaABAMzG6K6EByat9FALMVYlYQIKU6uPlQ6J2hAEK4AhgAZJ7GWhABfIA#84d454af0cc62271}} |
| Wahrheitstabelle 2-1 MUX | Wahrheitstabelle 1-2 DEMUX |
| {{gem/match?0=N4IgLgpgHmIFwgLTIAQFkCqANFzEB0A7IgZ0ACCAHwpQkECCaiS6gQyL3Y-aIAYUrc+KXvx59qiQQEYxKItP7CBIwvOryl1EABoQAJwgBzaAAd4IbgDoAVImuWr3fPhIPrtq5OuSnLz65t2Ph5ebl4gAL5AA#d64dce9517d8e8d1}} | {{gem/match?0=N4IgLgpgHmIFwgLTIAQBECiBZAqgDRWUQB0A7MgZ0ACCAHxpQhTpQENBAgnparKN797IAGJvWHMmKFEJEoAjDIll5zMfQlTSy+lsn0QAGhAAnCAHNoAB3ghBAOgBUdxw8HFiFZ-dkuHstx+9PJ1d3L19wxxAAXyA#44190e0d5f8fa4dd}} |
</WRAP>

===== Transistor-Speicher =====

<WRAP safety>
=== Und was passiert, wenn der Strom weg ist? ===
</WRAP>

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 [[p:ph_transistor_addierer]]). 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  |||
| {{gdraw>1HWIHocS1wtc2HAadWQGFcDEnFtb9RDaaqiZ4Rey4KDw width=100 center}} | {{gdraw>1pErXg9R81ZPHN8wf9SMPfo4TxWuobzmtxOabi1m0QwI width=300 center}} | {{gdraw>1AJKzy8E2eF-LolAl-Yn_JSmIX0gS21U8BNTJwB4DKY4 width=100 center}} |
|  Normaler Schalter  |  Aufbau Transistor  |  Schaltbild Transistor  |

|  Abb.9 Ausgeschalteter Transistor  |||
| {{gdraw>1DNt8URIWqzZxjcCCVZeD592DGlz1Inwp1adMBKnMK5c width=100 center}} | {{gdraw>1TL-XJ6i6SDSv9ZYIqHeZxLZRb6YN4sVHDGKsHEKRp4o width=300 center}} | {{gdraw>1iCG-EBNkkZNk2_Uhgt06s0O8DmKe4NVmDWC9P1QGogg width=100 center}} |
|  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.((Bei genügend grosser Gate-Ladung werden via quantenmechanischen Tunneleffekt Ladungen zwischen Gate und Floating-Gate ausgetauscht.)) 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  |||
| {{gdraw>1HWIHocS1wtc2HAadWQGFcDEnFtb9RDaaqiZ4Rey4KDw width=100 center}} | {{gdraw>1V3mKy-pQRf7gYwpiUIZWXjMMKLGlUexMcmE69WeOi2o width=300 center}} | {{gdraw>1AJKzy8E2eF-LolAl-Yn_JSmIX0gS21U8BNTJwB4DKY4 width=100 center}} |
|  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  |||
| {{gdraw>1DNt8URIWqzZxjcCCVZeD592DGlz1Inwp1adMBKnMK5c width=100 center}} | {{gdraw>1LIkFePLxg0dVDJ3Z3CJyEJrkZuOsqFFORBacEum_1PI width=300 center}} | {{gdraw>1iCG-EBNkkZNk2_Uhgt06s0O8DmKe4NVmDWC9P1QGogg width=100 center}} |
|  Normaler Schalter  |  Aufbau Transistor  |  Schaltbild Transistor  |

<WRAP center round box >
== 😎 Auftrag für Schnelle oder Interessierte ==
  - Warum baut man dann Computer nicht von Anfang an nur aus "Floating-Gate-Transistoren" bzw. aus "Flash Memory" / "Flash Speicher"? Recherchiere dazu im Internet und schreibe mögliche Gründe dafür auf.

{{gem/plain?0=N4XyA#0871c4af7ec96ba8}}
++++Antwortzugang|"RAM"-Speicher besteht aus "normalen" Transistoren, Flash-Speicher aus Floating-Gate-Transistoren.

Für das Zwischenspeichern von Daten nutzen alle Computer "RAM"-Speicher. 

RAM ist im Gegensatz zu Flash-Speicher flüchtig (d.h. wenn der Computer ausgeschaltet wird, gehen die Daten verloren) und teurer in der Produktion. Jedoch ist RAM schneller als Flash-Speicher und kann "beliebig" oft beschrieben werden. 

Flash-Speicher kann im Gegensatz zu RAM nicht beliebig oft beschrieben werden, somit ist die Lebensdauer begrenzt. Der Grund für die begrenzte Lebensdauer von Flash-Speicher liegt im Umstand, dass zum Beschreiben der Floating-Gates relativ hohe Spannungen notwendig sind. Die hohe Spannung führt beim Beschreiben zu einer Schädigung der isolierenden-Schicht zwischen Gate und Floating Gate. Ist die Schädigung zu gross, isoliert diese nicht mehr genügend, um die Ladung des Floating-Gates im gewünschten Zustand zu halten.  
++++
</WRAP>

=== Eigene Notizen ===
{{gem/quill#67753471a855ba09}}