锁存器的工作原理_数字电路学习笔记（十）：更多锁存器和触发器

上一章中提到了普通RS锁存器的两大缺点：

1. S端口和R端口不能同时有效，但实际应用中不能保证这种情况不出现，此时可能会出错；
2. 在计算机中，有许多内存单元协同组成一个寄存器，存储同一个数据。但每一位数据可能是先后到来的（比如加法器，计算出最高一位会花费比低位更多的时间），如果内存单元被写入的时间无法统一，就会造成混乱。RS锁存器并没有提供控制写入的端口——只要输入变化，状态就会改变。

本章中将要探讨如何改进这两点，并设计出更加适合存储数据的存储电路。基础电路仍然是RS锁存器：

一、门控RS锁存器

我们从问题二开始解决。为此我们只需增加一个写控制端口。当该端口为高电平时，

和 可以正常输入；当该端口为低电平时， 和 被保持在0，锁存器处于保持状态。那么，一个与门便可以解决问题。

控制端口，我们将其命名为

，即时钟（clock）。时钟信号依然是一种普通的信号，只是因为它起控制作用，会周期性变化，所以有这么一个特殊的名字。

门控RS锁存器的功能和普通RS锁存器一样，也有一样的状态转换图和特性方程：

，唯一不同的就是多了一个控制的时钟信号。当该信号为高时（ ），锁存器会像普通锁存器一样工作；该信号为低，则无论 输入为什么，状态都会被保持。这样，计算机就可以在时钟为低时做计算，并准备好所有要写入的信号，然后在时钟信号为高时写入。

二、D锁存器

接下来，我们解决第一个问题：摆脱RS锁存器的

的约束条件。最简单的解决方法自然是将 取反之后作为 ，这样两者永远不相等，也就不可能都是1了。我们把剩下的一个输入取名为 （D是Data的意思——D锁存器是数据存储单元的基础结构）。

为此，我们做出的牺牲是放弃了

时的保持功能。我们可以通过特性方程看它的功能：由于 ，我们有

因此我们发现，当

时， 会一直和 保持同步；然后当 后，才会保持之前的最后一个状态。我们画出它的状态转换图：

D锁存器在

时，对输入是“透明”的，和一根导线没有区别；因此，任何输入的变化都会引发状态的变化。其实对于RS锁存器也有这样的问题。但是，这又和我们的第二点设想有冲突：“内存单元被写入的时间应当统一”，如果在时钟信号变为低之前，新的数据就已经到来，就会引起错误。究其原因，是因为锁存器能够改变状态的时间是整个高电平期间——为了改进这一点，我们要设法把改变状态的时间缩短为一个时刻。

三、RS触发器

一个只在某个时刻发生状态更新的锁存器就叫做触发器。我们考虑如何实现在某个时刻的更新。如果有两个RS锁存器，可以将它们串联，并给一个相反的

信号：

尤其注意，主锁存器的Q要连至从锁存器的S，这样才能保持两者状态一致而不是相反

第一个锁存器叫主锁存器，第二个叫从锁存器。从锁存器接收主锁存器的状态作为输入。在时钟信号低→高→低的一个周期中，它的功能发生了这样的变化：

时，主锁存器处于保持状态，不接受输入；从锁存器可以工作，但主锁存器状态不改变，所以它也不会发生改变。此时整个触发器就处于保持状态。主锁存器状态为1，则从锁存器S=1, R=0，状态也为1，反之则状态为0，所以整个触发器的状态和主锁存器状态一致。

时，主锁存器接受输入，能改变状态，但此时从锁存器不再工作，因此该状态改变暂时无法反映到触发器的输出上，触发器仍然处于保持状态；

又变回0，此时从锁存器重新开始工作，把主锁存器的最后一个状态接收，然后改变触发器输出。

一个信号要想通过整个触发器从输入走到输出，要先在时钟为高时进入主锁存器，然后在变成低电平时从主锁存器进入从锁存器，因此，只有在

从1变成0的一个瞬间，触发器才会发生状态更新；其他所有时候，都处于保持状态。这被称作下降沿更新。

要做出上升沿更新，也就是

从0到1的瞬间更新的触发器，只需要让信号在低电平时进入主锁存器，然后在高电平进入从锁存器即可，也就是再加一个反相器：

要注意的是，触发器仅仅改变了锁存器更新的机制，并没有改变它的逻辑功能——比如，对于RS触发器，它的特性方程和RS锁存器一致：

四、JK触发器

对于RS触发器，我们也要继续解决这个约束条件的问题。当然，我们仍可以像D锁存器那样，把

当成 ；这样连出的电路，自然就是D触发器，将会在后文介绍。

但还有第二种方案，就是利用

的这个性质，将其和 分别相与。不妨管两个输入分别叫J和K（为了纪念工程师Jack Kilby）——有 。这样，就必然有 。

仍然用代入的方法得出它的特性方程：

但是，这个特性方程不像D锁存器一般直观，所以在画状态转换图时，我们可以分别代入各种输入并列出特性表：

从此表来看，J和K的四种取值对应四种功能——其中保持（

），置1（ ），置0（ ）三种功能都和RS锁存器对应功能一致，而由于多了 的输入情况，它还有翻转（ ）的功能。

JK触发器相比于RS触发器，还有一个性质，就是它会自己把自己锁死。对于RS锁存器，我们可以放心地在

为高电平时随意改变输入，因为从锁存器只关心当它开始工作的一瞬间，也就是 下降的那一刻时，主锁存器的状态；但对于JK触发器，我们就不得不关心它在高电平期间的输入，而不只是下降沿瞬间的输入。比如，考虑这样的变化：

理论上，在高电平期间的

的那一个小扰动不应该影响最终的输出——触发器应该在时钟的下降沿工作，而那一刻对应的是 。因此， 应该保持在0。然而，却发现 变成了1。

这是因为，由于

和 永远相反，在任意时刻， 和 中只有一个能够工作——比如在这里，当状态为0时，只有 能够产生影响，而 的取值则根本不影响主锁存器的状态。这样，一旦 为1，主锁存器的状态就被保持在了1，无论 的取值为何。这被称作“一次翻转”——JK触发器在两个下降沿之间的一个周期中，一旦被翻转，就无法被还原。它的原理是，只有与现态相反的输入能起作用—— 时， 起作用； 时， 起作用。这种问题可能会导致状态受到干扰。

五、D触发器

仍然令

，便可以得到D触发器。

它的逻辑功能仍然是：

相比JK触发器，由于它不使用自身状态作约束，所以不会产生一次翻转的问题。和RS触发器一样，它只关心下降沿瞬间主锁存器的状态。

六、T触发器

T触发器是一类偏功能性的触发器——它没有做出任何显著的改进，而只是提供了一种特殊的逻辑功能。我们将同一个输入赋给JK触发器的

和 ：

那么，它的特性方程为：

同样画出它的真值表和转换图：

由此发现，它只有“保持”和“翻转”的功能，也就是JK触发器中

对应的两个功能。

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总结：本文中，我们的锁存器经历了如下的迭代：

RS锁存器

门控RS锁存器

D锁存器

RS触发器

JK触发器

D触发器

T触发器

我们改进了上一章所提及的两个问题，并最终得到了两套解决方案：JK触发器和D触发器。这两个触发器，一个更全面，一个更简单，两个都是在时序电路设计中最常用的触发器。

总结

以上是生活随笔为你收集整理的锁存器的工作原理_数字电路学习笔记（十）：更多锁存器和触发器的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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