Logik

3. Flipflops

Bisher wurden Schaltungen betrachtet, deren Ausgang ausschließlich vom aktuellen Zustand der Eingänge abhängt. Solche Schaltungen „vergessen“ sofort wieder, was zuvor passiert ist.
In vielen technischen Anwendungen reicht das jedoch nicht aus. Häufig soll ein System sich einen Zustand merken, zum Beispiel:

ob ein Taster schon einmal gedrückt wurde
ob ein Signal zuvor aktiv war
ob ein System sich gerade im Zustand „ein“ oder „aus“ befindet

An dieser Stelle kommen Flipflops ins Spiel.
Das sind Speicherelemente,deren Ausgang nicht nur von den aktuellen Eingängen abhängt, sondern auch von seinem vorherigen Zustand.
Damit unterscheiden sich Flipflops grundlegend von den bisher behandelten Schaltungen.

Definition: Flipflop

Ein Flipflop ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände einnehmen kann (0 oder 1). Er fungiert als kleinste Speichereinheit und speichert genau 1 Bit an Information.

Warum sind Flipflops wichtig?
Ohne Flipflops gäbe es keine Computer. Sie sind die Bausteine für:

Arbeitsspeicher (RAM): Milliarden von Flipflops speichern deine Daten.
Register: Extrem schnelle Speicher direkt im Prozessor.
Zähler: Schaltungen, die zum Beispiel die Uhrzeit in Digitaluhren hochzählen.

Kleiner Merksatz: Ein Flipflop ist wie ein Lichtschalter mit zwei Stellungen. Er bleibt so lange oben oder unten, bis du ihn aktiv umschaltest – und genau das ist "Speichern".

Um einen Zustand zu speichern, muss eine Schaltung in der Lage sein,

einen Zustand beizubehalten, auch wenn sich Eingänge ändern,
zwischen zwei stabilen Zuständen zu wechseln (0 oder 1),
den aktuellen Zustand nach außen bereitzustellen.

Dies wird durch Rückkopplung erreicht.
Dabei wird ein Ausgang der Schaltung wieder auf einen Eingang zurückgeführt. So beeinflusst der aktuelle Zustand der Schaltung ihr eigenes zukünftiges Verhalten.
Ein Speicher entsteht also nicht durch ein einzelnes neues Bauteil, sondern durch eine geschickte Verschaltung bekannter logischer Gatter.

3.1 das RS-Flipflop

Das RS-Flipflop ist ein faszinierendes Bauteil, weil es zeigt, wie aus einfachen "dummen" Gattern plötzlich ein "intelligentes" Gedächtnis wird. Es ist die einfachste Form eines digitalen Speichers, da es genau einen Zustand speichern kann. Es stellt damit also ein einzelnes Speicherbit dar.

Der Name RS-Flipflop leitet sich von den beiden Eingängen S (Set: setzt den gespeicherten Zustand auf 1) und R (Reset: setzt den gespeicherten Zustand auf 0) ab. Der gespeicherte Zustand wird am Ausgang Q ausgegeben.

Erklärvideo zum RS-Flipflop (Video bei Youtube)

Definition: RS-Flipflop

Das RS-Flipflop (Reset-Set-Flipflop) ist die einfachste Form eines Flipflops. Es bleibt entweder im Zustand „0“ oder „1“, auch wenn das Eingangssignal weggenommen wird (Speicherfunktion).
S (Set): Setzt den Ausgang auf „1“.
R (Reset): Setzt den Ausgang auf „0“ zurück.
Es besitzt zwei Ausgänge, (den aktuellen Wert) und (den invertierten Wert).

Der Aufbau mit Rückkopplung

Das Geheimnis des Speicherns liegt in der Rückkopplung. Das bedeutet, dass der Ausgang eines Gatters wieder als Eingang für das andere Gatter verwendet wird.

Es werden zwei NOR-Gatter verwendet.
Der Ausgang des ersten Gatters (nennen wir ihn Q) wird mit einem Eingang des zweiten Gatters verbunden.
Der Ausgang des zweiten Gatters (nennen wir ihn Not-Q) wird mit einem Eingang des ersten Gatters verbunden.
Die jeweils freien Eingänge sind deine Steuerleitungen: R (Reset) beim ersten Gatter und S (Set) beim zweiten Gatter.

Funktionsweise Schritt für Schritt

Es wird davon ausgegangen, dass beide Ausgänge am Anfang 0 sind.

	Setzen (S=1, R=0): Wenn am S-Eingang ein Signal anliegt, erzwingt das NOR-Gatter am Ausgang ein Signal. Durch die Rückkopplung wird dieser Zustand gehalten, auch wenn S wieder auf 0 gesetzt wird. Das Flipflop "merkt" sich: "Ich wurde gesetzt".
	Speichern (S=0, R=0): Das ist der Ruhezustand. Das Flipflop behält einfach den Zustand bei, den es vorher hatte. Hier passiert die eigentliche Speicherung.
	Rücksetzen (S=0, R=1): Wenn R aktiviert wird, wird der Ausgang wieder auf 0 gesetzt.

Das Problem

Wenn versucht wird, das Flipflop gleichzeitig zu "setzen" und "rückzusetzen" (beide Eingänge auf 1), wissen die Gatter nicht, was sie tun sollen. Beide Ausgänge würden versuchen, auf 0 zu gehen. Das widerspricht der Logik, dass Q und Not-Q immer das Gegenteil voneinander sein müssen. Wenn man dann beide Eingänge gleichzeitig loslässt, entscheidet der Zufall (oder die winzige Verzögerung in den Bauteilen), welcher Zustand gewinnt – das ist instabil und deshalb in der Digitaltechnik verboten. Darum heißt dieser Zustand „verbotener Zustand“ und ist ein echtes Problem des RS-Flipflops.

S (Set)	R (Reset)	Q (Ausgang)	Zustand / Bedeutung
0	0	Q_alt	Speichern (unverändert)
1	0	1	Setzen (Set)
0	1	0	Rücksetzen (Reset)
1	1	?	Verbotener Zustand

Aufgabe 1: Begriffe zuordnen

Aufgabe 2: Wahr oder falsch?

Aufgabe 3: Sachaufgabe

Ein Gerät soll folgende Eigenschaften haben:
Mit der Taste Start wird das Gerät eingeschaltet.
Mit der Taste Stopp wird das Gerät ausgeschaltet.
Nach dem Einschalten bleibt das Gerät aktiv, bis Stopp gedrückt wird.
a) Ordne den Tasten Start und Stopp die Eingänge S und R zu.
b) Erkläre, warum ein RS-Flipflop für diese Aufgabe geeignet ist.

Lösung

a) Zuordnung der Eingänge
Die Start-Taste wird dem Eingang S (Set) zugeordnet.
Wird die Start-Taste gedrückt, soll der gespeicherte Zustand auf 1 gesetzt werden.
Die Stopp-Taste wird dem Eingang R (Reset) zugeordnet. Wird die Stopp-Taste gedrückt, soll der gespeicherte Zustand auf 0 zurückgesetzt werden.

b) Begründung der Eignung des RS-Flipflops
Das RS-Flipflop ist für eine Start-Stopp-Steuerung besonders geeignet, da es einen Zustand dauerhaft speichern kann.
Durch das Betätigen der Start-Taste wird das Flipflop gesetzt Q = 1. Der Ausgang bleibt auch dann auf 1, wenn die Taste wieder losgelassen wird.
Durch das Betätigen der Stopp-Taste wird das Flipflop zurückgesetzt Q = 0. Der Ausgang bleibt auf 0, bis erneut die Start-Taste gedrückt wird.

Damit erfüllt das RS-Flipflop genau die Anforderung einer Start-Stopp-Funktion: Ein einmal eingeschalteter Zustand bleibt erhalten, bis er gezielt wieder beendet wird.

Aufgabe 4: Wissen in der Praxis anwenden

Überlege dir eine Alltagssituation, in der ein Zustand gespeichert werden muss (z. B. Alarmanlage).
a) Beschreibe die Situation.
b) Ordne den Eingängen S und R eine Bedeutung zu.
c) Beschreibe den gespeicherten Zustand Q.

3.2 weitere Flipflops

Da der verbotene Zustand des RS-Flipflops in der Praxis gefährlich ist, hat man das D-Flipflop entwickelt. Man fasst beide Eingänge zu einem Dateneingang zusammen, teilt diesen und schaltet ein NICHT-Gatter vor den einen Teil, sodass niemals R und S gleichzeitig 1 sein können. So wird aus einem "widersprüchlichen" Bauteil ein absolut verlässlicher Datenspeicher für genau 1 Bit.

Das D-Flipflop

Das D-Flipflop (Data- oder Delay-Flipflop) stellt eine taktgesteuerte, bistabile Kippstufe dar, die zur Speicherung von einem Bit eingesetzt wird. Es basiert auf der Struktur des RS-Flipflops, wurde jedoch technisch erweitert.

Folgende Merkmale charakterisieren das D-Flipflop:

Eingänge: Im Gegensatz zum RS-Flipflop verfügt das D-Flipflop über lediglich einen Dateneingang (D). Hierdurch wird die Komplexität der Ansteuerung reduziert.
Taktsteuerung: Die Übernahme des anliegenden Datenwertes erfolgt in Abhängigkeit von einem Taktgeber (Clock, C). Eine Änderung des Ausgangszustands tritt nur dann ein, wenn das Taktsignal aktiv ist (im vorliegenden Dokument definiert als C=1).
Vermeidung instabiler Zustände: Durch die interne Verschaltung wird sichergestellt, dass kein verbotener Zustand (wie R=S=1 beim RS-Flipflop) auftreten kann. Dies erhöht die Betriebssicherheit der Schaltung.
Funktionsweise: Der am Eingang D anliegende Logikzustand wird bei einem entsprechenden Taktsignal an den Ausgang weitergegeben und dort bis zum nächsten relevanten Taktimpuls gespeichert.

Zusammenfassend dient das D-Flipflop als zuverlässiges Basiselement für digitale Speicherregister und Synchronisationsschaltungen.

Das JK-Flipflop

Das JK-Flipflop stellt eine weiterentwickelte Form einer taktgesteuerten, bistabilen Kippstufe dar. Es wird in der Digitaltechnik als universelles Speicherelement betrachtet, da es die Funktionalitäten des RS-Flipflops erweitert und dessen logische Schwachstellen behebt.

Folgende Merkmale charakterisieren das JK-Flipflop:

Eingänge: Die Schaltung verfügt über zwei Dateneingänge, die als J und K bezeichnet werden. Diese Eingänge erlauben eine flexible Steuerung der Ausgangszustände.
Taktsteuerung: Wie beim D-Flipflop ist ein Taktgeber vorhanden. Die Verarbeitung der Signale erfolgt häufig über eine Taktflankensteuerung, wodurch das System synchron zum Taktsignal arbeitet.
Vermeidung instabiler Zustände: Ein signifikanter Unterschied zum einfachen RS-Flipflop liegt im Entfall des verbotenen Zustands. Sämtliche Kombinationen der Eingangssignale führen zu einer definierten Reaktion am Ausgang.
Toggle-Zustand: Eine spezifische Funktion tritt ein, wenn an beiden Eingängen gleichzeitig ein Signal anliegt (J=1 und K=1). In diesem Fall wechselt der Ausgangszustand bei jedem relevanten Taktsignal in den jeweils entgegengesetzten Wert.

Aufgrund der Möglichkeit zum Zustandswechsel bei jedem Taktimpuls findet das JK-Flipflop vorwiegend Anwendung in Zählerschaltungen, Frequenzteilern und komplexen Speichereinheiten.

Natürlich gibt es noch eine Menge weiterer Flipflops. Diese hier aufgeführten sollen nur als Einstiegsbeispiele dienen.

LIfT - Lehrwerk Informatik für Thüringen