Steuerleitung


Zustände steuern

Sie kennen von Computerspielen die Größenangabe "Frames per Second" = "FPS". Die FPS geben an, wie oft pro Sekunde der Inhalt des Bildschirms neu berechnet wird. Je höher diese Angabe ist, desto flüssiger läuft das Spiel, wenn die FPS den Wert von 25 Frames pro Sekunde unterschreiten, beobachtet man langsam eine ruckartige Bewegung der Objekte.

Wenn man das Computerspiel bei einem Frame einfriert, dann haben alle Variablen, die für das Spiel festgelegt wurden, einen bestimmten Wert. Für den nächsten Frame werden alle Variablen neu berechnet. Wenn gerade viel los ist, müssen viele Änderungen berechnet werden, ist man gerade in einer ruhigen Phase im Spiel, werden beim Übergang von einem Frame zum nächsten nur wenige Variablen in ihrem Wert geändert.

Die Gesamtheit der Variablenwerte, die zu einem Frame gehören, nennen wir einen Zustand.

Damit alle Variablenwerte gleichzeitig neu berechnet werden, müssen die verschiedenen Komponenten des Computers snychron die Rechnungen durchführen. Dafür gibt es einen "Dirigenten", der dafür sorgt, dass die verschiedenen Vorgänge im Computer im Gleichtakt laufen: die CPU-Clock oder Taktfrequenz.

Damit alle beteiligten Komponenten wissen, wann Sie den nächsten Rechenschritt durchführen dürfen, sind diese Komponenten über eine Steuerleitung mit dem Taktgeber verbunden.

Wenn beispielsweise der Taktgeber das Signal "1" schickt, rechnet die Komponente den nächsten Schritt aus, wenn der Taktgeber das Signal "0" liefert, pausiert die Komponente. Der Computer ist damit so schnell, wie die langsamste Komponente.

In diesem Kapitel sollen Sie kennenlernen, wie man mit Hilfe einer Steuerleitung die Abläufe in einer logischen Schaltung steuern kann.


Steuerleitung und Datenleitung

Um eine Taktsteuerung zu realisieren benutzen wir für die Eingabe zwei Leitungen:

  • eine Datenleitung, welche das zu verarbeitende Bit liefert
  • eine Steuerleitung, die entscheidet, was mit dem Bit gemacht wird.
Beispiel 1: Die Datenleitung soll invertiert werden, wenn die Steuerleitung aktiv ist.

Das Bauteil für diese Funktionalität ist das XOR-Gatter mit folgender Wertetabelle:

Z1 Z2 XOR
1 1 0
0 0 0
0 1 1
1 0 1
Beispiel 2: Die Datenleitung soll nur dann durchgelassen werden werden, wenn die Steuerleitung aktiv ist.

Das Bauteil für diese Funktionalität ist das AND-Gatter.


Anwendung: 1-2-Multiplexer

Auf Basis dieser Beispiele kann eine logische Schaltung entwickelt werden, bei der mit Hilfe einer Steuerleitung S gesteuert wird, ob entweder die Datenleitung D1 oder die Datenleitung D2 durchgelassen wird.

In der folgenden Schaltung wird das Bit der Datenleitung D1 durchgelassen und das Bit der Datenleitung D2 gesperrt, wenn das Steuerbit den Wert 0 hat. Wenn das Steuerbit den Wert 1 hat verhält sich die Schaltung umgekehrt.

Diese Schaltung wird 1-aus-2-Multiplexer genannt.


Aufgabe: 1-4-Multiplexer

Entwickeln Sie eine Schaltung, bei welcher mit Hilfe von zwei Steuerleitungen S1 und S2 festgelegt wird, welche der Datenleitungen D1, D2, D3 oder D4 durchgelassen wird.

Eine solche Schaltung wird 1-aus-4-Multiplexer genannt.

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Rückkopplung der Steuerleitung

Eines der Ziele dieses Kurses zum Computerbau ist es, dass Sie nachvollziehen können, wie man im Computer einen Zustand 1 oder 0 speichern kann. Dazu wollen wir jetzt einen ersten Schritt tun. In der folgenden logischen Schaltung kann ein Bit dauerhaft gespeichert werden, wenn man die Ausgabe wieder in die Schaltung einspeist, also eine Rückkopplung erzeugt.

Ändern Sie in der folgenden Schaltung ein paar Mal die Datenleitung.

Aufgrund der Rückkopplung der Ausgangsleitung bleibt das Ausgangsbit dauerhaft auf 1. Die Rückkopplung dafür sorgt, dass nach einer einzigen Eingabe von 1 auf der Datenleitung ständig eine 1 auf dem oberen Eingang des OR-Gatters angelegt ist.

Damit können wir dauerhaft eine 1 speichern. Für den Einsatz in einem Computer ist eine solche Schaltung aber nur dann sinnvoll, wenn man die gespeicherte 1 wieder löschen kann.

Entwickeln Sie eine Schaltung mit zwei Eingabeleitungen und einem Ausgabebit. Mit einer Eingabeleitung soll ein Bit in die Speicherzelle geschrieben werden und mit einer zweiten Eingabeleitung soll das Bit wieder gelöscht werden können.

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