[#tgiguru 14] Eine kurze Geschichte der Technischen Informatik - Teil 14: RAM-Speicher
Peter Reichl
https://www.youtube.com/watch?v=4LrPVAZuvu8

Transkript (automatisch erstellt)

0:06 [Musik] herzlich willkommen bei tgiert home heute sprechen wir über alles was ich
1:01 schon immer über Essraum der Raum wissen wollten im Gegensatz zum rumspeicher dem read only memory zeichnet sich random Access
1:24 Memory Speicherzellen oder RAM Speicher dadurch aus dass sie gelesen und auch wieder beschrieben werden können das heißt sie sind flüchtige Speicherzellen
1:35 das was in ihnen gespeichert ist ist nicht für alle Ewigkeit gedacht sondern kann auch wieder gelöscht und neu beschrieben werden
1:42 RAM Speicherzellen komme dann in größeren verbünden vor und der Name random Access kommt daher das theoretisch der Zugriff auf jede
1:51 einzelne Zelle immer gleich groß ist auch das ist ein Unterschied zu den Raum speichern dort kann es schon mal dauern bis man eine gewünschte Speicherzelle
1:59 überhaupt gefunden hat und sie dann auslesen kann da gibt es jetzt zwei grundsätzlich verschiedene Arten von solchen
2:07 rammspeichern nämlich das statische Rahmen und das dynamische Rahmen und wir werden jetzt beide der Reihe nach einmal anschauen wir beginnen mit dem
2:16 statischen Raum und statische sind im Grunde nichts anderes als Flip Flops das sind also Speicherzellen die zwischen 0 und 1 hin und her schalten und die z.B
2:27 in Form eines solchen einer solchen Schaltung die wir ja schon kennen das ist ein sogenanntes Set Reset realisiert sein können wo wir also
2:38 und hier den Set und den Reset-Eingang haben und in dem Moment wo also der Set Eingang auf 1 gesetzt wird speichert diese Speicherzelle am Ausgang Q eine 1
2:48 und wenn der Reset Eingang auf eins gesetzt wird dann ändert sich das was hier gespeichert wird am Ausgang Q zu einem 0
2:55 das wichtige hier dann ist diese Rückkopplung das sind also zwei norderne die rückgekoppelt sind und man kann sich jetzt allerdings überlegen geht das denn
3:04 vielleicht sogar noch einfacher gibt es denn noch weitere Gatter die das noch einfacher machen können
3:11 und das Entscheidende sind Naturen die wir hier haben also was man ohne weiteres leicht
3:18 auch machen kann bis zum Beispiel nur zwei in Werte nehmen wir vergessen also diesen die Tatsache dass es sich hier im norderte handelt und vereinfachen diese
3:29 Schaltung dahin gehen dass es sich jetzt einfach nur um zwei einander
3:39 wenn ihr also zum Beispiel an diesem Eingang eine Eins anliegt dann wird die hier eine Null diese Null liegt hier als Null an wird am Ende dieses zweiten in
3:48 Wertes wieder eine 1 und liegt das eins wieder hier oben an das ganze Gleichgewicht und das wird diese 1 speichern und umgekehrt natürlich
3:59 genauso wenn hier eine Null ist wird hier eine 1 diese 1 wird jetzt hier oben wieder als 0 hinein und das kann man dann entsprechend auslesen
4:07 indem man dann hier noch einen Ausgang für Kuh schaltet und hier einen Ausgang für Q quer
4:16 man nennt so etwas auch einen wie stabilen Schaltkreis oder eine biestabile Kippstufe das ist also ein System das einfach zwei mögliche stabile
4:23 Zustände hat und sobald das System in einem dieser Zustände drin ist dann bleibt es da typischerweise darin insofern hat so ein Schaltkreis ein
4:30 Gedächtnis anschauen wollen ist wie das Ganze auf Ebene der Transistoren ausschaut und da hat man zunächst einmal an diesen beiden
4:38 Eingängen eines solchen wie stabilen Kippstufe typischerweise zwei Transistoren die den Zugang dazu regeln das wäre also ein sogenannter Tor
4:47 Transistor hier und ein Tor Transistor auf dieser Seite und jetzt kann man sich überlegen kann ich denn diese in Werte die er selbst
4:58 auch wieder aus Transistoren bestehen vielleicht sogar noch einfacher formulieren und in der Tat geht es indem man nur zwei Transistoren gegeneinander
5:08 rückkoppeln schaltet das sieht dann folgendermaßen ab da haben wir zunächst einmal einen Transistor hier und einen weiteren
5:18 ebenfalls enden muss Transistor auf diese Seite die beiden Gates jeweils und die Idee ist nun folgende ich nehme das was an diesem Eingang hier
5:29 anliegt und leite es an das Gate dieses Transistors und das an diesem Eingang anliegt leite ich an
5:40 das Geld dieses Transistors und dann müssen wir das nach oben zu verbinden über ohmsche Widerstände mit der Betriebsspannung VCC
5:51 kürzt man die typischerweise ab wir haben hier unten also 0 Volt wir haben hier oben 5 Volt und jetzt schauen wir was hier passiert
6:00 nehmen wir also an hier kommt ein Zustand eins herein
6:09 dann also ein hohes Potential dann wird dieses hohe Potenzial dieses Gates das ist ein Ender Transistor schalten es wird eine Verbindung zwischen Masse und
6:20 hier zustande gekommen das heißt an diesem Ausgang wird ein niedriges Potential Anliegen dieses niedrige Potential liegt dann zugleich an diesem
6:28 Geld hier an sie ist ein niedriges Potential ein niedriges Potenzial am Geld eines Transistors sperrt diesen Transistor
6:37 aber so dass es hier keine Verbindung gibt so dass dieser Ausgang über diesen ohmschen Widerstand hier mit einem hohen Potential verbunden ist und tatsächlich
6:46 wir haben wieder denselben Effekt dass sich das gegenseitig rückkoppelt und stabil ist und erst dann wenn jetzt hier zum Beispiel zu diesem Eingang ein
6:57 niedriges Potenzial erzwungenermaßen hineinkommt dann kann das eben kippen dieses niedrige Potenzial sperrt diesen Transistor woraufhin dieser Ausgang hier
7:08 über den ohmschen Widerstand ein hohes Potential bekommt an dieses Geld geht mit homepotenzial das Geld schaltet einen Kanal frei und setzt das hier
7:16 wiederum auf ein niedriges Potential in diesem Sinne ist das also ein sehr sehr einfach gebautes Flip Flop das hat nämlich nur Zähne zusammen eins zwei
7:24 drei vier Transistoren so etwas nennt man eine essraumzelle es ist also ein statisches rammstein ist deswegen weil wir werden es später sehen im Gegensatz
7:37 zum dynamischen Raum hier keine aufladungsprozesse sein stattfinden müssen sondern wäre das einmal so stabil ist dann bleibt das stabil was jetzt
7:47 noch nicht schön ist ist Beispiel hier oben noch diese ohmschen Widerstände haben man kann sich auch vorstellen das muss man also ziemlich detailliert auch
7:54 jedenfalls jeweils genau spezifizieren dass das hingeht das ist also kein ganz trivialer Vorgang und dass man gerne hätte man möchte das eigentlich auch
8:03 noch mit Hilfe vom Transistoren machen und eine Möglichkeit ist einfach hier oben noch zwei weitere Enden musst Transistoren einzubauen die fix
8:10 geschaltet sind das sieht dann folgendermaßen aus dann haben wir also hier einen Nuss Transistor dessen Gate fixieren mit
8:20 verbunden ist und auch diesen komischen Widerstand ersetzen wir durch einen Enden musst Transistor und auch dessen Geld verbinden wir fix und hier das
8:29 heißt an diesen beiden Gates liegt jeweils fix eine 1 an das heißt der Kanal ist grundsätzlich da aber wir wissen ja dieser Kanal in
8:40 dieser Konstellation ist eigentlich nur brauchbar wenn hier ein niedriges Potential durchzuleiten wäre jetzt haben wir hier aber ein hohes Potential
8:48 Anliegen das heißt der Kanal bricht zusammen aber das kann wenn man es geschickt macht durchaus einen ohmschen Widerstand emulieren und auf diese Weise
8:56 haben wir hier so also eine typische sogenannte enden muss statische raumzelle aus sechs Transistoren was wir jetzt hier noch nicht
9:05 eingezeichnet haben sind wortlautern und mitleitung also die Frage wie aktiviere ich denn die Zelle als Gesamtes und wo lese ich denn hier etwas aus die
9:13 wortleitungen das sind die die diese habe ich auch noch nicht gemacht das sind natürlich auch ändern muss Transistoren
9:23 und wortleitungen sind dazu da diese enden muss Transistoren diese Tor Transistoren überhaupt zu aktivieren das heißt wenn so eine wortleitung auf eins
9:31 gesetzt wird dann halte ich über diese Transistoren überhaupt Zugang zu dieser schaltzelle wenn die Wortgleichung auf Null gesetzt ist dann ist die quasi
9:39 isoliert und behält sowieso einfach nur den Zustand der den sie gerade speichern soll zeichne ich hier oben her dass sie jetzt
9:48 also sogenannte Wort Leitung und dann haben wir noch zwei mit Leitungen nämlich an diesen beiden
9:57 Ausgängen q&q wäre also eine Bitte Leitung hier
10:10 und eine Begleitung auf dieser Seite ich nenne die hier mal mit Leitung quer um zu illustrieren dass es sich hierher
10:21 um den um den Ausgang Q quer handelt und hier und den Ausgang Q man kann sich fragen wozu braucht man eine zwei Begleitung naja typischerweise bei
10:28 diesen Zellen ein Zustand zugänglich ist es der andere automatisch auch zugänglich dann wäre es dumm denn nicht erst abzugreifen
10:35 andererseits allerdings kann man auch so argumentieren dass man sagt wenn ich diese beiden Werte hier und hier ablese dann erhöht das zugleich auch die
10:44 Messung die Lese Genauigkeit natürlich weil ich auf diese Weise hat zwei Werte habe und dann genauer entscheiden kann ist das jetzt eine 0 oder eine Eins denn
10:51 wir haben es natürlich immer noch mit analogen physikalischen Vorgänge zu tun das ist also eine Nuss statische rangelle weil das lauter er muss
11:02 Transistoren sind man könnte jetzt natürlich auch sagen okay ich kann es ja gleich in CMOS Technologie bauen also mit unserem
11:10 Prinzip der Nachteil von solchen Speicherzellen ist dass die etwas längere Zugriffszeiten haben dafür sind sie viel viel stromsparender weil hier
11:19 natürlich immer noch ein kleines bisschen Strom hier die ganze Zeit fließt dass sie es ja nichts anderes als zwei ohmsche Widerstände und da fließt
11:26 natürlich typischerweise immer Strom deswegen ersetzen wir jetzt hier diese beiden Transistoren durch zwei pemos Transistoren und diese Gates werden nun
11:36 ihrerseits mit diesen Zuständen hier verbunden und wenn man sich das jetzt genauer überlegt dann sieht man schon nehmen wir wieder so einen einfachen
11:48 Pfeil nehmen wir an hier an diesen an dieser Stelle haben wir eine 0 diese 0 schaltet dieses n muss Gatte aus diesen
11:59 Transistor aus es geht eines enden muss auf Null liegt sperrte natürlich zugleich öffnet es aber hier diesen pemos Transistor hier oben so dass von
12:09 der Betriebsspannung an diese Stelle hier eine Eins herunterkommt und auch hier als am q-ausgang ausgelesen werden kann diese 1 liegt dann an diesem Gatte
12:20 nicht an diesen Transistor hier an diesen Gate das schaltet also und schaltet die Null von hier unten durch und zugleich liegt diese eins auch hier
12:30 an und sperrt denn zehn muss Transistor hier oben und wenn sich das Ganze dann irgendwann mal umdreht denn also null und einzeln vertauscht werden
12:39 dann dreht sich das entsprechend um so dass wir hier also eine lupenreine c-mos-schaltung haben für so eine essraumzelle die ebenfalls 1 2 3 4 5 6
12:50 Transistoren umfasst dynamische RAM oder der RAM Speicherzellen beruhen im Vergleich zu diesen estranzellen auf einem ganz
12:59 anderen Prinzip aber auch einen Prinzip dass sie schon aus der Schule kennen es ist das Prinzip des Kondensators sie haben sicher schon einmal einen Platten
13:07 Kondensator kennengelernt das ist ein Teil das aus zwei Metallplatten besteht ich habe ja mal zwei Kochtopfdeckel mitgebracht zu Veranschaulichung die an
13:16 eine Spannungsquelle angeschlossen sind die ich in einem bestimmten Abstand zueinander anbringen und dazwischen ist ein Isolator ein dialektrik und die sind
13:24 also nicht leiden miteinander verbunden und wenn ich jetzt diese beiden Platten auflade die eine Platte positiv die andere Platte negativ dann entsteht
13:32 zwischen den beiden Platten eine elektrisches Feld die positiven negativen Ladungen ziehen sich an und selbst wenn ich jetzt die ladungszufuhr
13:40 unterbreche indem ich die Leitung unterbreche ziehen diese Ladungen sich natürlich weiterhin an und es dauert eine ganz schöne Zeit
13:49 sich die Ladungen dann doch langsam durch abfließen wegbewegt haben und das ganze Ding entladen ist auf diese Weise kann man
14:00 das geladen ist dann soll mir das eine 1 darstellen und wenn er entladen ist eine Null aber sie sehen natürlich auch das Problem wenn sie da eine Eins darstellen
14:08 sie wird nicht unbeschränkt lange auf diese Kondensator auf diesem Platten bleiben sondern dadurch dass die Ladungen eben dann doch abfließen und
14:16 zwar auch binnen eines Bruchteils einer Sekunde also typischerweise muss man so etwas alle 32 oder 64 Millisekunden wieder auffrischen das heißt ich lese
14:25 alle 32 Millisekunden aus ist ja eine Null oder eine eins auf diesen Platten Kondensator drauf und belade den dann von neuem das ist also ein Vorgang der
14:34 kontinuierlich im Hintergrund ablaufen muss daher auch der Name dynamische Randzellen oder der das sieht dann als Schaltung aber
14:43 natürlich sehr viel einfacher aus denn ich habe ja nur im Wesentlichen diesen Kondensator
14:50 der in meiner Schaltung ebenso dargestellt wird der auf der einen Seite mit der Masse verbunden ist und auf der anderen Seite
15:03 brauche ich dann nur noch einen tortransistor den ich wieder über eine wortleitung ansteuern
15:14 und über eine bildleitung hier auslesen oder beschreiben kann und wenn eben dieser Kondensator aufgeladen ist
15:24 wenn ich also zum Beispiel in einem Schreibvorgang diese wortleitung auf Einsätze diesen tor-transistor passierbar mache und dann hier eine eins
15:33 drauf schreibe dann lädt sich dieser Kondensator auf und wenn ich dann diese diese Zugang unterbreche dann bleibt das also eine bestimmte Zeit lang auf eins
15:41 geladen und entlädt sich dann umgekehrte warum diesen Zustand eins kann ich aber eben wenn ich dann einen Lesezugriff mache über die bildleitung auch wieder
15:48 abfragen um diese Speicherzellen allerdings dann wirklich zu einem Arbeitsspeicher zu machen muss man sie natürlich noch nach einem bestimmten
15:55 System anordnen aber das ist ein anderes Thema für diesmal bedanke ich mich herzlich für Ihre Aufmerksamkeit
16:02 [Musik]