Schlagwort-Archiv: Speicher

c’t im Unterricht 11-2013

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„Backup und Datensicherung“ [S.178]:
– geeignet für: Sek1/Sek2
– Oberthema: Speichermedien
– Wie geht eine vernünftige Datensicherung? (Kann man eigentlich gar nicht oft genug wiederholen, vor allem wenn es um die Facharbeit geht!)
– Welche Speichermedien gibt es? Welche Vor- und Nachteile haben sie?
– besonders sinnvoll ist das Thema eigentlich immer, speziell aber vor Referaten und Facharbeiten sollte das aber nochmal angesprochen werden, damit beim Abgabetermin nicht plötzlich die Festplatte/die CD/der USB-Stick/… versagt

RS-FlipFlop

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Als ich neulich über FlipFlops (also nicht die Schuhe, sondern Speicherbausteine in der Informatik) sinnierte und mir kleinschrittig verständlich machen wollte, warum so ein kleines niedliches Objekt (Meinung einer Frau, die sich herzlich wenig für Schuhe interessiert) eine so genial einfache Speichermöglichkeit bietet, habe ich Ralf Appelts Sketchnotes probiert. Sketchnotes sind eine Weiterentwicklung der üblichen Kästen und Pfeile, um Zusammenhänge hervorzuheben, die aber einfach genug gestaltet sind, dass man sie auch ohne große künstlerische Begabung und einem Zeitpensum von mehreren Stunden hinbekommt.

Gezeichnet habe ich auf meinem iPad mit der App „Noteshelf“ und einem Stift von Acase. „Noteshelf“ bietet eine große Stift-, Farb- und Papierauswahl. Das eigentlich noch einfacher zu bedienende „Skitch“ hat sich in der neueren Version als unpraktisch erwiesen, weil nachträgliches Übermalen von Text mit einem Marker nicht möglich war, da sofort der Text stattdessen verschoben wurde. Weitere Apps wie „Notes Plus“ und „Penultimate“ bieten nicht so viele Stift- und Farbmöglichkeiten. Außerdem hat „Noteshelf“ einen Auflagenschutz, d.h. wenn die Hand auf dem iPad liegt, zeichnet diese nicht aus Versehen mit. Man kann dadurch mit dem Stift sehr komfortabel, wie auf richtigem Papier, zeichnen.

Und nun versuche ich noch kurz zu erläutern, was man auf den Bildern sehen kann (wobei die bestimmt nicht ohne Fehler sind!):

Ein wesentlicher Bestandteil eines Rechners ist sein Speicher. Weil der so wichtig ist, gibt es für die verschiedenen Aufgaben gleich mehrere: Hauptspeicher, Cache, Festplattenspeicher etc. Dafür benötigt man besondere Bauteile. Fließt der Strom durch einen Eingang dieses Bauteils hindurch zu einem seiner Ausgänge (die heißen hier q und qStrich), dann sollte sichergestellt sein, dass diese Information an den Eingang des Bauteils zurückgeht. Das Bauteil soll sich ja über eine gewisse Zeitspanne merken, an welchem Ausgang eine höhere Spannung ist. Dies geschieht, indem zwei Leitungen jeweils von den Ausgängen zu den schräg gegenüberliegenden Eingängen geführt werden. An die beiden Ausgänge stellt man noch die Bedingung, dass an genau einen der beiden Ausgänge innerhalb eines Zeitintervalls eine höhere Spannung vorliegt (der Ausgang mit der höheren Spannung bekommt den Wert 1 zugewiesen, der andere den Wert 0). Dadurch hat man immer die Möglichkeit, bei der Erweiterung des Schaltwerks den Ausgang mit der höheren oder der niedrigeren Spannung anzuzapfen. Zusätzlich zu den Ausgängen, die wieder zum Eingang hingeführt werden, benötigt man mindestens eine weitere Leitung zu den Eingängen zum Schalten – das RS-FlipFlop hat zwei und die heißen r und s (daher der Name des Flipflops).

Damit sind die wichtigen Eigenschaften eine FlipFlops beschrieben: Ausgänge, die über kreuz wieder zum Eingang führen und immer nur einer von ihnen den Wert 1 hat, sowie Schaltleitungen am Eingang.

Im Innern kann man das RS-FlipFlop unterschiedlich aufbauen. Hier im Beispiel hat man zwei NOR-Gatter benutzt. NOR steht für „not or“ und bedeutet, dass am Ausgang des NOR-Gatters nur eine höhere Spannung ist (Wert 1), wenn an beiden Eingangsleitungen eine niedrigere Spannung (Wert 0) vorliegt (das ist jetzt kein Perpetuum Mobile, sondern… ach fragt doch einen Physiklehrer, der weiß das).

Nun kann geschaltet werden. Schaltet man r auf den Wert 1 und s auf den Wert 0, dann ist egal, was an den Ausgängen des FlipFlops vorher gewesen ist, denn nun erhält q den Wert 1 und qStrich den Wert 0. Man sagt dann, das FlipFlop wurde gesetzt.
Wenn umgekehrt r=0 und s=1 geschaltet wird, dann wird q immer 0 und qStrich immer 1 werden, das FlipFlop wurde damit zurückgesetzt. (Da „setzen“ auf englisch „set“ und „zurücksetzen“ dann „reset“ heißt, kann man den Namen des RS-FlipFlops auch darauf zurückführen).
Und wenn r und s beide den Wert 0 annehmen, daaaaaaann *Trommelwirbel* passiert nichts. Q und qStrich bleiben bei ihren Werten. Sie wurden ge-spei-chert! Jawoll!

Leider hat das RS-FlipFlop einen entscheidenden Nachteil: sobald r=s=1 ist, werden q und qStrich beide 0. Das verletzt ganz klar die Bedingung, dass q und qStrich niemals den gleichen Wert haben dürfen, die Schaltung gerät dann ins Schwingen. Und wie löst man das? Ganz einfach, indem man es einfach nicht schaltet. Aber wehe, der neue Praktikant darf damit spielen.

Andere FlipFlops lösen diesen gefährlichen Fall dadurch, dass nur ein Eingang vorhanden ist (D-FlipFlops setzen bei Eingang 0 q auch auf 0 und qStrich auf 1, bei Eingang 1 wird q auf 1 und qStrich auf 0 gesetzt) oder dass die Ausgangssignale miteinander vertauscht werden (JK-FlipFlops vertauschen die Werte von q und qStrich, das nennt man „Toggeln“).

Wenn man nun von diesen total einfachen und dennoch genialen Bausteinen ganz viele zusammenschaltet, kann man Speicher, Zähler und Steuerungen daraus bauen. So spricht man zum Beispiel bei Computern von einer 32- oder 64-Bit-Architektur und meint damit, dass ihre Prozessoren 32 bzw. 64 Bit gleichzeitig verarbeiten können – gespeichert in 32 bzw. 64 FlipFlops. Klar, dass die nicht besonders groß sein können, wenn die auf einem Chip Platz haben, neben vielen weiteren Rechner-, Speicher, Zähler- und Steuerelemente. Aber das Grundprinzip jedes einzelnen FlipFlops ist immer das gleiche.