March 21, 2014 0

transcomp – Anleitung für einen PC ohne ICs

By in Computerarchitektur, Hardware, Projektmanagement, transcomp

Wie speichert ein Computer Daten?

Im letzten Kapitel hatten wir behandelt, welche Form Daten haben müssen, damit sie von einem digitalen Computer verarbeitet werden können. Dabei hatten wir uns zur Generierung und Darstellung von binären Daten einfache Schaltkreise mit je einem Schalter und einem Lämpchen angesehen. Aber wie kann ein Computer diese Informationen dauerhaft speichern, sodass sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder abrufbar sind? Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten, die ich im Folgenden ein wenig kategorisieren möchte.

1. Festspeicher oder ROM (Read Only Memory)

Es handelt sich immer dann um einen Festspeicher oder ROM (Read Only Memory), wenn Leiterbahnen das elektrische Signal bereitstellen (oder nicht bereitstellen) und sich daran durch andere elektrische Signale nichts ändern lässt.
Zugegeben, dies klingt etwas kompliziert wir haben eine Art des Festspeichers aber bereits kennen gelernt. Unser Schaltersystem aus dem letzten Kapitel: Das elektrische Signal liegt entweder an der Lampe an und diese leuchtet oder es liegt kein Signal an und die Lampe bleibt dunkel. Der Zustand der Schalter lässt sich nicht durch elektrische Steuersignale ändern.
Die Zahl 23 sähe in unserem “Schalter-Festspeicher“ folgendermaßen aus:

 

Die Lämpchen und die Stromquelle würde man typischerweise nicht zum Speicher zählen.
Auf dem Bild rechts sehen Sie einen so genannten DIP-Schalter, der unserem Schaltplan entspricht.

Die einzelnen Schalter bieten natürlich den Vorteil, dass man durch mechanische Veränderung einen anderen Wert generieren kann. Man kann Festspeicher natürlich auch ohne Schalter stattdessen mit Leiterbahnen und Lücken realisieren. Diese Methode hat den Vorteil, dass man sehr viel mehr Speicher pro Fläche unterbringen kann als bei beispielsweise einem DIP-Schalter. Auch moderne ROM-ICs (Festspeicher-Chips) funktionieren nach dem selben Prinzip: Bei der Herstellung werden Leiterbahnen gezielt überlastet und damit unterbrochen, sodass an dieser Stelle später ein 0-Signal und an allen anderen Stellen ein 1-Signal produziert wird.

2. Schreib-Lese-Speicher

Ein Computer wäre ohne Schreib-Lese-Speicher nicht realisierbar. Stellen Sie sich vor, ein Computer würde nur aus Festspeicher bestehen: Dann würden das Ergebnis eines Befehls (z.B. Addition) nur solange existieren, bis ein neuer Befehl ausgeführt wird. Was wir also brauchen ist ein Speicher, den man durch elektrische Signale mit Daten füllen kann. Ich möchte im Folgenden auf zwei gängige Schreib-Leser-Speicher-Konzepte eingehen und diese anhand von elektrischen Schaltungen erklären.

SRAM

Die Abkürzung RAM haben Sie bereits kennen gelernt: Sie bedeutet Random Access Memory, was soviel heißt, wie wahlfreier oder frei adressierbarer Speicher. Das S steht für Static (statisch) und mag ein wenig verwirren, da es uns fälschlicherweise an den Festspeicher erinnert, bei in dem die Daten unveränderlich – also statisch eingespeichert sind. Auch das RAM grenzt diese Art des Speichers nicht eindeutig zum Festspeicher ab auch ein Festspeicher kann frei adressierbar sein.
Es sieht wohl so aus, als müssten wir uns an dieser Stelle mit diese etwas unpräzisen Namensgebung zufrieden geben. Kommen wir stattdessen zum Aufbau einer simplen S-RAM Speicherzelle.

Um den Folgenden Aufbau verstehen zu können müssen Sie die Funktionsweise des Transistors verstanden haben. Falls dies nicht der Fall ist, lege ich Ihnen den folgenden Exkurs an Herz: Der Transistor als Schalter

Diese Schaltung nennt sich auch Flipflop oder bistabile Kippstufe. Sie verfügt über zwei Eingänge (E1, E2) und zwei Ausgänge (A1,A2). Sie kann zwei Zustände annehmen: Entweder führt A1 ein 1-Signal und A2 ein 0-Signal oder umgekehrt. Wir könnten also an A1 und an A2 je ein Lämpchen anschließen und es würde immer nur eines der beiden zur selben Zeit leuchten. Doch wie setzt man die Zustände? Dazu nun im folgenden eine Schritt-für-Schritt Erörterung:

  1. an E2 wird ein 1-Signal angelegt
  2. der Transistor T2 wird dadurch leitend
  3. dadurch wird dem Ausgang A2 die Spannung „gestohlen“
  4. auch der Basis von T1 wird die Spannung „gestohlen“
  5. weswegen der Transistor T1 sperrt
  6. dadurch liegt an A1 Spannung an

Doch was geschieht nun, wenn an E2 kein 1-Signal mehr anliegt? Wenn es sich wirklich um einen Speicher handelt, müsste A1 weiterhin ein 1-Signal führen und A2 ein 0-Signal.

  1. an E2 liegt ein 0-Signal an
  2. der Transistor T1 sperrt immer noch
  3. dadurch fällt führt A1 ein 1-Signal
  4. und über RB2 liegt auch ein 1-Signal an der Basis von T2 an
  5. T2 ist immer noch leitend
  6. über RB1 gelangt kein 1-Signal an die Basis von T1
  7. weswegen T1 immer noch sperrt

Sie sehen also, dass unsere Information nachdem der Schreibbefehl über E2 abgeklungen ist erhalten bleibt.
Die folgende Darstellung zeigt Ihnen die Funktionsweise der bistabilen Kippstufe in Tabellarischer Form.

E1 E2 A1 A2 Zustand
0 1 1 0 Speichern
0 0 0 0 Alter zustand bleibt
1 0 0 1 Speichern
1 1 0 0 Nicht definiert

In der Fachliteratur wird oft statt der Eingänge E1 und E2 ein Eingang zum setzten (Set) und ein Eingang zum Zurücksetzen (Reset) angegeben, sodass sich diese Darstellung ergibt:

S R Q _|Q Zustand
0 1 1 0 Speichern
0 0 0 0 Alter zustand bleibt
1 0 0 1 Speichern
1 1 0 0 Nicht definiert


Anmerkung
: Die gestrichelte Linie bei _|Q soll andeuten, dass dieser Ausgang oftmals weggelassen wird, da er ja nur eine Negation des Ausganges Q darstellt.

Aus welchen Bauteilen genau sich eine bistabile Kippstufe aufbauen lässt, erfahren Sie im Kapitel Der 8-Bit Register-Baustein.

DRAM

Das D in DRAM steht für dynamic (dynamisch). Es ist darauf zurückzuführen, dass die DRAM-Zelle den Inhalt ihres Speichers verliert, wenn dieser nicht durch so genannte Refreshs in regelmäßigen Abständen abgefragt und neu geschrieben wird. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass jede DRAM-Speicherzelle aus einem Kondensator besteht, der nach einer gewissen Zeit an Spannung verliert. Auch  müssen die Daten wieder neu eingespeichert werden, wenn Sie einmal abgerufen wurden, da sich dann die Kondensatoren entleert haben.

An dieser Stelle möchte ich nicht weiter auf die Funktionsweise des DRAMs eingehen. Lesen Sie bitte den Exkurs über den Kondensator, um zu erfahren wie dieser funktioniert. Natürlich reicht die Kenntnis über die Funktionsweise eines Kondensators nicht aus, um eine DRAM-Speicherzelle zu realisieren, ich werde später noch einmal explizit auf die Adressierungstechniken und die Refresh-Funktion eingehen.

Wir haben nun zwei Arten von Schreib-Lese-Speichern kennen gelernt, doch welche Vor- und Nachteile haben die beiden Varianten und für welches Einsatzgebiet sind sie besonders geeignet?

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