Schaltwerk (Technische Informatik)

Kernidee und Abgrenzung

Ein Schaltwerk, auf Englisch sequential circuit, ist eine digitale Schaltung, die Eingangswerte in Form boolescher Variablen nach einer festgelegten Schaltmatrix zu Ausgangswerten verarbeitet. Der wichtige Unterschied zu einem Schaltnetz ist die Rückkopplung: Bei einem Schaltnetz gibt es definitionsgemäß keine Rückkopplungen, deshalb hängt der Ausgang zu jedem Zeitpunkt nur von den gerade anliegenden Eingängen ab. Bei einem Schaltwerk ist dagegen mindestens einer der Ausgänge auf mindestens einen der Eingänge rückgekoppelt. Dadurch kann die Schaltung frühere Werte berücksichtigen und erhält einen speichernden Charakter, also ein Gedächtnis.

Ein Schaltwerk heißt synchron, wenn Eingänge und Rückkopplungen durch Taktsignale synchronisiert sind. Andernfalls heißt es asynchron.

Asynchrone Schaltwerke

Ein Asynchron-Schaltwerk ist die Grundform einer Schaltung mit Gedächtnis. Es wird benötigt, wenn eine Aufgabe nicht nur von einer Momentaufnahme der Eingangswerte abhängt, sondern auch von Werten, die vorher entstanden sind. Es stellt die schaltungstechnische Realisierung eines booleschen Automaten dar.

Das Asynchron-Schaltwerk kann als Zusammenschaltung von zwei Schaltnetzen betrachtet werden, die die booleschen Funktionen f und g realisieren. Die Funktion f verknüpft die aktuellen Eingangswerte x und die aktuellen Zustandswerte u zu einem neuen Zustandsvektor u^{d}. Der Vektor u ist dabei das zeitverzögerte, im Gedächtnis gespeicherte vorherige Ergebnis von f. Die Zeitverzögerung, englisch delay, ist also ein entscheidender Bestandteil des Gedächtnisses. Gleichzeitig verknüpft die Funktion g zum Zeitpunkt t die Werte x und u zum Ausgangsvektor y.

Synchrone Schaltwerke

In realen Schaltnetzen entsteht ein Ergebnis nicht sofort, sondern erst nach einer gewissen Zeit. Diese Zeit hängt vom Aufbau der Schaltung ab. Damit Eingangswerte mit den richtigen zwischengespeicherten Zuständen verknüpft werden, werden Eingangssignale und rückgekoppelte Ausgänge häufig mit Flipflops und einem Taktsignal synchronisiert.

Ein Taktsignal pulsiert in einer festgelegten Frequenz. Immer nach dem regelmäßigen Auftreten einer gleichen Sequenz im Signal ist eine Zeiteinheit vergangen. Die Abstände werden so groß gewählt, dass alle Schaltnetze im Schaltwerk ihre Berechnungen abschließen können. Dazu müssen alle beteiligten Gatterlaufzeiten verstrichen sein, gegebenenfalls auch nacheinander, wenn Zwischenergebnisse eine Rolle spielen.

Im synchronen Schaltwerk ersetzen Flipflops die reine Zeitverzögerung des asynchronen Modells. Ein Ausgangswert y zu einem späteren Zeitpunkt entsteht aus Eingangswerten x und Zustandswerten u eines früheren Taktschritts. Ebenso wird ein neuer Wert u^{d} berechnet, aber über Flipflops zurückgehalten und erst passend zum Takt weitergegeben.

Technische Realisierung

Schaltwerke werden durch logische Schaltungen realisiert. Solche Schaltungen können mit einzelnen Transistoren aufgebaut oder auf Wafern gefertigt werden. In den Anfängen der Computertechnik wurden statt Transistoren Elektronenröhren verwendet.

In der Digitaltechnik werden Synchron-Schaltwerke häufig mit Schieberegistern realisiert. Ein Schieberegister ist selbst bereits ein Synchron-Schaltwerk. In Schaltungen mit Prozessoren können Schaltwerke auch als Programm realisiert werden; der Speicher der vorhergehenden Eingänge ist dabei als Ringstruktur angelegt.

Anwendungen

Schaltwerke sind in der elektronischen Datenverarbeitung sehr verbreitet. Fast jedes Gerät zur elektronischen Datenverarbeitung, also ein Computer, verwendet in seinen Chips Schaltwerke.

Auch in der Datenübertragung sind Schaltwerke wichtig. Ein Beispiel ist die serielle Schnittstelle, die auf einem Schaltwerk basiert. Besonders die Empfängerseite muss die einzelnen Bits nacheinander einsammeln, damit nach acht Zyklen ein vollständiges Byte zur Verfügung steht.