RS-Flipflop (reset-set-flipflop)

Laut Wikipedia:

Ein RS-Flipflop (Reset-Set-Flipflop) ist die einfachste Art eines Flipflops. Grundelement dieser Schaltungen ist ein Flipflop ohne Taktsteuerung, wie es in der nachfolgenden Tabelle in der ersten Zeile gezeigt ist. Mit geeigneter Zusatzbeschaltung können daraus sowohl taktpegelgesteuerte RS-Flipflops (asynchrone Schaltungen) als auch taktflankengesteuerte RS-Flipflops generiert werden. Diese RS-Flipflops dienen als Grundschaltungen zum Aufbau komplexerer Flipflops.

Ein RS-Flipflop verfügt über zwei Eingänge, die üblicherweise mit R (reset) und S (set) bezeichnet werden, ggf. ist ein dritter, typischerweise mit C (Clock) bezeichneter Eingang vorhanden, an den ein Taktsignal angelegt werden kann. Mit einem Signal am „Setz“-Eingang, das heißt S = 1 und gleichzeitig R = 0, wird der Ausgang Q des Flipflops auf 1 gesetzt. Aktiviert man hingegen den „Rücksetz“-Eingang (also R = 1 und gleichzeitig S = 0), so wird das Flipflop zurückgesetzt: Am Ausgang Q liegt dann eine logische 0 an. Liegt anschließend an beiden Eingängen eine 0 an, so verharrt das Flipflop in dem zuvor eingestellten Zustand. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Eingangszustand gewidmet werden, bei dem sowohl R- als auch S-Eingang aktiv sind (R = S = 1 beim RS-Flipflop aus NOR-Gattern bzw. \bar R = \bar S = 0 beim RS-Flipflop aus NAND-Gattern). Dabei nimmt das zustandgesteuerte Flipflop einen dritten Zustand an, bei dem beide Ausgänge den Zustand 1 annehmen. Oft wird behauptet, dieser Zustand sei instabil, was allerdings nicht stimmt. Er ergibt nur einen logischen Widerspruch und wird deswegen auch “Verbotener Zustand” genannt. Ist das Flipflop taktgesteuert, können Änderungen der Ausgangszustände natürlich nur dann vorgenommen werden, wenn der steuernde Eingang aktiviert ist. Bei taktzustandsgesteuerten Flipflops muss dementsprechend eine 1 am Eingang C anliegen, bei Takt-Flankengesteuerten Flipflop eine geeignete Flanke (steigend oder fallend, je nach Konstruktion). Ein flankengesteuertes RS-Flipflop kann durch (annähernd) gleichzeitiges Takten beider Eingänge ebenfalls in einen undefinierten Zustand gelangen.

Ein Eingang kann jedoch dominierend geschaltet und somit der dritte Zustand vermieden werden. Solche Flipflops werden am dominierenden Eingang mit einer 1 nach dem Buchstaben gekennzeichnet. In der Automatisierungstechnik, beispielsweise bei speicherprogrammierbaren Steuerungen ist die Nutzung der Dominanz verpflichtend, da instabile oder nicht vorhersagbare Zustände hier nicht tolerierbar sind. Die Dominanz wird dabei dadurch sichergestellt, dass der dominante Zustand zeitlich nach dem dominierten programmiert wird und diesen somit überschreibt, so dass zum Synchronisationszeitpunkt das gewünschte dominierende Verhalten gewährleistet ist. Innerhalb von Multitaskingsystemen muss daher die Abarbeitung des Setzens und Rücksetzens gekapselt sein und darf nicht unterbrochen werden. Dominierende RS-Flipflops waren nicht als einzelne Hardwarebausteine erhältlich. Die Dominanz kam nur indirekt dann zum Einsatz, wenn ein komplexer Baustein mit Reset- und Set-Eingängen ausgestattet war. Als symbolisches Einzelelement traten sie erst in Erscheinung, als ihre Funktion durch Programmierung implementiert wurde.
Vergleich zwischen RS-Flipflop und Wippe

Vergleich zwischen RS-Flipflop und Wippe

Die Arbeitsweise eines RS-Flipflops lässt sich grob mit der einer mechanischen Wippe vergleichen (dieser Vergleich motiviert auch die Bezeichnung Kippstufe). Eine Wippe besitzt zwei stabile Zustände: Einerseits, wenn ihr linkes Ende den Boden berührt, andererseits, wenn ihr rechtes Ende auf dem Boden aufliegt. Durch geeigneten Kraftaufwand kann man die Wippe von einem stabilen Zustand in den anderen stabilen Zustand überführen (bei einem Flipflop entspricht dies der Aktivierung der Eingänge, d. h. R = 0,S = 1 bzw. R = 1,S = 0). Lässt die steuernde Kraft nach (entspricht R = 0 und S = 0), so verharrt die Wippe in dem zuvor eingestellten Zustand: Dieser ist damit gleichsam gespeichert. Eine horizontale Ausrichtung der Wippe führt jedoch zu einem metastabilen Zustand (entspricht dem Fall R = 1 und S = 1): Da die Wippe nicht exakt symmetrisch gebaut ist und nicht alle äußeren Störeinflüsse ausgeschaltet werden können, kippt die Wippe nach einer bestimmten Zeit und nimmt einen der beiden stabilen Zustände ein, sobald die steuernde Kraft nachlässt. in der Regel kann nicht vorhergesagt werden, ob ihr linkes Ende oder ihr rechtes Ende in Richtung des Erdbodens kippen wird, da nicht alle Störungen exakt genug bekannt sind. Ein getaktetes Flipflop entspricht dabei einer Wippe, bei der die steuernde Kraft nur während einer durch ein äußeres Taktsignal bestimmten Zeit wirken kann.

In der folgenden Gegenüberstellung ist die erste Ausführung in negativer Logik ausgeführt. Das heißt, dass der Ruhezustand der Eingangssignale durch den 1-Pegel gebildet wird, und der aktive, schaltende Zustand durch 0-Pegel der Eingänge. Das ist durch den Aufbau des Flipflops aus NAND-Gattern bedingt und durchaus auch in der Praxis üblich. Bei der zweiten Ausführung ist den Eingängen praktisch eine zusätzliche Inverterstufe vorgeschaltet, so dass hier wieder in positiver Logik gearbeitet wird.

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