鎖存器、觸發(fā)器和寄存器詳細(xì)介紹

鎖存器

在實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)中，通常把能夠用來(lái)存儲(chǔ)一組二進(jìn)制代碼的同步時(shí)序邏輯電路稱(chēng)為寄存器.由于觸發(fā)器內(nèi)有記憶功能，因此利用觸發(fā)器可以方便地構(gòu)成寄存器。由于一個(gè)觸發(fā)器能夠存儲(chǔ)一位二進(jìn)制碼，所以把n個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘端口連接起來(lái)就能構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)n位二進(jìn)制碼的寄存器。鎖存器是電平觸發(fā)的存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的動(dòng)作取決于輸入時(shí)鐘(或者使能)信號(hào)的電平值，盡當(dāng)鎖存器處于使能狀態(tài)時(shí)，輸出才會(huì)隨著數(shù)據(jù)輸入發(fā)生變化。

觸發(fā)器

觸發(fā)器是邊沿敏感的存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的動(dòng)作有某一信號(hào)的上升或者下降沿進(jìn)行同步的。在實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)中，通常把能夠用來(lái)存儲(chǔ)一組二進(jìn)制代碼的同步時(shí)序邏輯電路稱(chēng)為寄存器.由于觸發(fā)器內(nèi)有記憶功能，因此利用觸發(fā)器可以方便地構(gòu)成寄存器。由于一個(gè)觸發(fā)器能夠存儲(chǔ)一位二進(jìn)制碼，所以把n個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘端口連接起來(lái)就能構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)n位二進(jìn)制碼的寄存器。寄存器用來(lái)存放數(shù)據(jù)的一些小型存儲(chǔ)區(qū)域，用來(lái)暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果。其實(shí)寄存器就是一種常用的時(shí)序邏輯電路，但這種時(shí)序邏輯電路只包含存儲(chǔ)電路。寄存器的存儲(chǔ)電路是由鎖存器或觸發(fā)器構(gòu)成的，因?yàn)橐粋€(gè)鎖存器或觸發(fā)器能存儲(chǔ)1位二進(jìn)制數(shù)，所以由N個(gè)鎖存器或觸發(fā)器可以構(gòu)成N位寄存器。 觸發(fā)器是在時(shí)鐘的沿進(jìn)行數(shù)據(jù)的鎖存的，而鎖存器是用電平使能來(lái)鎖存數(shù)據(jù)的。所以觸發(fā)器的Q輸出端在每一個(gè)時(shí)鐘沿都會(huì)被更新，而鎖存器只能在使能電平有效器件才會(huì)被更新。有一些教科書(shū)里的觸發(fā)器實(shí)際是鎖存器。在FPGA設(shè)計(jì)中建議如果不是必須那么應(yīng)該盡量使用觸發(fā)器而不是鎖存器。

鐘控D觸發(fā)器其實(shí)就是D鎖存器，邊沿D觸發(fā)器才是真正的D觸發(fā)器，鐘控D觸發(fā)器在使能情況下輸出隨輸入變化，邊沿觸發(fā)器只有在邊沿跳變的情況下輸出才變化。兩個(gè)D鎖存器可以構(gòu)成一個(gè)D觸發(fā)器,歸根到底還是dff是邊沿觸發(fā)的，而latch是電平觸發(fā)的。鎖存器的輸出對(duì)輸入透明的，輸入是什么，輸出就是什么，這就是鎖存器不穩(wěn)定的原因，而觸發(fā)器是由兩個(gè)鎖存器構(gòu)成的一個(gè)主從觸發(fā)器，輸出對(duì)輸入是不透明的，必須在時(shí)鐘的上升/下降沿才會(huì)將輸入體現(xiàn)到輸出，所以能夠消除輸入的毛刺信號(hào)。

觸發(fā)器與鎖存器的比較：

1、latch由電平觸發(fā)，非同步控制。在使能信號(hào)有效時(shí)latch相當(dāng)于通路，在使能信號(hào)無(wú)效時(shí)latch保持輸出狀態(tài)。DFF由時(shí)鐘沿觸發(fā)，同步控制。

2、latch對(duì)輸入電平敏感，受布線(xiàn)延遲影響較大，很難保證輸出沒(méi)有毛刺產(chǎn)生;DFF則不易產(chǎn)生毛刺。

3、如果使用門(mén)電路來(lái)搭建latch和DFF，則latch消耗的門(mén)資源比DFF要少，這是latch比DFF優(yōu)越的地方。所以，在A(yíng)SIC中使用 latch的集成度比DFF高，但在FPGA中正好相反，因?yàn)镕PGA中沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的latch單元，但有DFF單元，一個(gè)LATCH需要多個(gè)LE才能實(shí)現(xiàn)。latch是電平觸發(fā)，相當(dāng)于有一個(gè)使能端，且在激活之后(在使能電平的時(shí)候)相當(dāng)于導(dǎo)線(xiàn)了，隨輸出而變化。在非使能狀態(tài)下是保持原來(lái)的信號(hào)，這就可以看出和flip-flop的差別，其實(shí)很多時(shí)候latch是不能代替ff的。

4、latch將靜態(tài)時(shí)序分析變得極為復(fù)雜。

5、目前l(fā)atch只在極高端電的路中使用，如intel 的P4等CPU。FPGA中有l(wèi)atch單元，寄存器單元就可以配置成latch單元，在xilinx v2p的手冊(cè)將該單元成為register/latch單元，附件是xilinx半個(gè)slice的結(jié)構(gòu)圖。

一般的設(shè)計(jì)規(guī)則是：在絕大多數(shù)設(shè)計(jì)中避免產(chǎn)生latch。它會(huì)讓您設(shè)計(jì)的時(shí)序完蛋，并且它的隱蔽性很強(qiáng)，非老手不能查出。latch最大的危害在于不能過(guò)濾毛刺。這對(duì)于下一級(jí)電路是極其危險(xiǎn)的。所以，只要能用D觸發(fā)器的地方，就不用latch。

有些地方?jīng)]有時(shí)鐘，也只能用latch了。比如現(xiàn)在用一個(gè)clk接到latch的使能端(假設(shè)是高電平使能),這樣需要的setup時(shí)間，就是數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿之前需要的時(shí)間，但是如果是一個(gè)DFF，那么setup時(shí)間就是在時(shí)鐘的上升沿需要的時(shí)間。這就說(shuō)明如果數(shù)據(jù)晚于控制信號(hào)的情況下，只能用latch,這種情況就是，前面所提到的latch timing borrow?；旧舷喈?dāng)于借了一個(gè)高電平時(shí)間。也就是說(shuō)，latch借的時(shí)間也是有限的。

對(duì)latch進(jìn)行STA的分析其實(shí)也是可以,但是要對(duì)工具相當(dāng)熟悉才行.不過(guò)很容易出錯(cuò).當(dāng)前PrimeTime,是支持進(jìn)行l(wèi)atch分析的.現(xiàn)在一些綜合工具內(nèi)置的STA分析功能也支持,比如RTL compiler, Design Compiler.除了ASIC里可以節(jié)省資源以外。latch在同步設(shè)計(jì)里出現(xiàn)的可能還是挺小的，現(xiàn)在處理過(guò)程中大都放在ff里打一下。

1、鎖存器(Latch)

①作用：鎖存器是一種具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)(0或1)的存儲(chǔ)元件，它能夠根據(jù)輸入信號(hào)保持其輸出狀態(tài)不變，直到另一個(gè)輸入信號(hào)到來(lái)改變其狀態(tài)。

②原理：鎖存器通常由兩個(gè)交叉耦合的晶體管或邏輯門(mén)組成，形成一個(gè)正反饋環(huán)。當(dāng)輸入信號(hào)滿(mǎn)足特定條件時(shí)，正反饋環(huán)被激活，使輸出狀態(tài)鎖定。

③特點(diǎn)：鎖存器具有速度快、功耗低的特點(diǎn)，但通常需要外部信號(hào)來(lái)重置其狀態(tài)。

2、寄存器(Register)

①作用：寄存器是一種能夠存儲(chǔ)多個(gè)二進(jìn)制位的數(shù)字電路，通常用于暫存數(shù)據(jù)或作為CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)緩沖。

②原理：寄存器由多個(gè)鎖存器組成，每個(gè)鎖存器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)。通過(guò)控制不同的輸入信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器中各個(gè)位的讀寫(xiě)操作。

③特點(diǎn)：寄存器具有存儲(chǔ)容量大、可并行操作的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀寫(xiě)。

3、觸發(fā)器(Flip-Flop)

①作用：觸發(fā)器是一種具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電子開(kāi)關(guān)，能夠根據(jù)輸入信號(hào)改變其輸出狀態(tài)，并在輸入信號(hào)消失后保持輸出狀態(tài)不變。

②原理：觸發(fā)器通常由兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端和一組控制輸入端組成。當(dāng)控制輸入端滿(mǎn)足特定條件時(shí)，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

③特點(diǎn)：觸發(fā)器具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，常用于時(shí)序邏輯電路和計(jì)數(shù)器中。

4、三寶在數(shù)字電路中的作用

鎖存器、寄存器和觸發(fā)器作為數(shù)字電路中的基本元素，它們共同實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和處理。在復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，它們相互配合，使電路更加穩(wěn)定、可靠和高效。

例如，在時(shí)序邏輯電路中，觸發(fā)器可以用來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)時(shí)鐘周期的狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。而在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，寄存器則起到了緩沖和暫存數(shù)據(jù)的作用，確保數(shù)據(jù)能夠在不同模塊之間可靠地傳輸。