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Verständnis von Schaltwerken
Ein Schaltwerk, auch bekannt als sequenzielle Schaltung oder sequentieller Logikschaltkreis, unterscheidet sich von einem Schaltnetz (kombinatorischer Schaltkreis) dadurch, dass es neben den logischen Verknüpfungen auch Speicherelemente enthält. Diese Speicherelemente ermöglichen es dem Schaltwerk, nicht nur den aktuellen Zustand seiner Eingänge zu bewerten, sondern auch Informationen über vergangene Zustände zu speichern und in die Ausgangssignale oder den zukünftigen Betriebszustand miteinzubeziehen.
Schaltnetz vs. Schaltwerk
Ein Schaltnetz führt eine direkte Verknüpfung von Eingangssignalen zu Ausgangssignalen durch, basierend auf logischen Verknüpfungen (\(AND\), \(OR\), \(NOT\), etc.). Der Zustand eines Schaltnetzes zu einem beliebigen Zeitpunkt ist somit ausschließlich von den aktuellen Eingängen abhängig.
Schaltwerke hingegen, mit ihren Speicherelementen, fügen eine zeitliche Komponente hinzu. Die Ausgänge eines Schaltwerkes sind nicht nur abhängig von den aktuellen Eingängen, sondern auch von vergangenen Eingangssequenzen oder Aktionen. Dies ermöglicht Schaltwerken, sequentielle Logik zu implementieren, wie sie in Zustandsmaschinen, Computern, digitalen Uhren und vielen anderen digitalen Schaltungen benötigt wird.
Speicherelemente
Speicherelemente in Schaltwerken sind Bauteile, die in der Lage sind, Zustände (meist binäre Zustände 0 oder 1) über Zeit zu speichern. Die einfachsten Speicherelemente sind Flip-Flops und Latches, die als Grundzellen für komplexere Speicher wie Register, Zähler und Speicherchips dienen.
Ein Flip-Flop ist ein bistabiler Speicher, der zwei Zustände behalten kann. Mit verschiedenen Inputs kann der Zustand des Flip-Flops verändert werden. Änderungen passieren typischerweise synchron zu einem Taktsignal, welches das zeitliche Verhalten des Flip-Flops steuert.
Latches sind ähnlich, können aber ihre Zustände asynchron ändern, d.h., die Zustandsänderung ist direkt an die Veränderung der Eingangssignale gekoppelt, ohne ein externes Taktsignal.
Entwicklung von Schaltwerken mit Aussagenlogik
Die Entwicklung von Schaltwerken unter Verwendung von Aussagenlogik bezieht sich auf die Planung der Verknüpfungslogik unter Berücksichtigung zeitlicher Sequenzen. Es geht darum, zuerst zu definieren, welche sequentiellen Prozesse notwendig sind (ermittelt durch die Anforderungen an das Schaltwerk) und anschließend die logische Verknüpfung zusammen mit den notwendigen Speicherelementen zu entwerfen, um diese Prozesse zu realisieren. Dafür wird in der Regel ein Zustandsdiagramm oder eine Zustandstabelle erstellt, die alle möglichen Zustände und Zustandsübergänge des Schaltwerks abbildet.
Um aus einem Schaltnetz ein Schaltwerk zu entwickeln, fügt man also zu den logischen Verknüpfungen Speicherelemente hinzu. Ein einfacher Ansatz ist die Verwendung von Feedback-Verbindungen, bei denen Ausgänge von logischen Verknüpfungen in Speicherelemente geführt und diese wieder zurück in die Verknüpfungen geleitet werden. Dies erlaubt es, den aktuellen Zustand mit früheren Zuständen zu verknüpfen.
Fazit
Schaltwerke erweitern also Schaltnetze um die Fähigkeit, Informationen über die Zeit zu speichern und zu verarbeiten. Die Kombination von Speicherelementen mit logischen Verknüpfungen ermöglicht es, komplexe sequentielle Prozesse zu realisieren, die für die Funktion moderner digitaler Systeme unentbehrlich sind.
