解讀從CMOS到觸發(fā)器 鎖存器常見結(jié)構(gòu)與鎖存器應(yīng)用

作者 IC_learner 在此特別鳴謝

主要內(nèi)容：

·雙穩(wěn)態(tài)器件

·鎖存器常見結(jié)構(gòu)

·鎖存器的應(yīng)用

·觸發(fā)器

·觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間

1、雙穩(wěn)態(tài)器件

**雙穩(wěn)態(tài)器件**是指穩(wěn)定狀態(tài)有兩種，一種是0，一種是1的器件；雙穩(wěn)態(tài)器件是存儲(chǔ)器件的基本模塊，雙穩(wěn)器件的的一種電路結(jié)構(gòu)是：交叉耦合反相器 結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

連個(gè)反相器連在一起,這就構(gòu)成了一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)器件，為什么是雙穩(wěn)態(tài)呢？我們現(xiàn)在就來分析一下：

由于沒有輸入，于是我們就假設(shè)I1的輸出先為1，即Q=1；那么I2的輸入為1，Q’就為0，于是反饋給Q的輸入，導(dǎo)致Q的輸出為1，也就是使得Q的狀態(tài)穩(wěn)定為1，因此這個(gè)器件有一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)為1.如下圖所示：

我們?cè)偌僭O(shè)I1的輸出先為0，即Q=0；那么I2的輸入為0，Q’就為1，于是反饋給Q的輸入，導(dǎo)致Q的輸出為0，也就是使得Q的狀態(tài)穩(wěn)定為0，因此這個(gè)器件還有一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)為0.如下圖所示：

由此可見，這種交叉耦合反相器的器件是雙穩(wěn)態(tài)器件。但是需要注意的是，電路有可能存在第三種狀態(tài)，稱為 亞穩(wěn)態(tài) ，它不是一種穩(wěn)定的狀態(tài)，關(guān)于亞穩(wěn)態(tài)我們后面會(huì)進(jìn)行介紹。

為什么介紹雙穩(wěn)態(tài)器件呢？那是因?yàn)殒i存器、寄存器都是雙穩(wěn)態(tài)器件，它們都有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)1和0。正是因?yàn)樗鼈冇袃蓚€(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此才可以拿它們來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，也就是說雙穩(wěn)態(tài)電路（比如交叉耦合反相器、鎖存器和寄存器）可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。下面我們就來看看鎖存器和寄存器吧。

2、常見的鎖存器結(jié)構(gòu)

很顯然，上面的那種交叉耦合反相器沒有輸入，是存儲(chǔ)不了輸入的數(shù)據(jù)的了，因此就需要有輸入的類似“ 交叉耦合反相器 ”結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)電路，鎖存器應(yīng)運(yùn)而生了，最常見最基本的鎖存器是S-R鎖存器，然后常見常用的鎖存器是D鎖存器，下面就逐步看看他們的結(jié)構(gòu)和工作原理吧。

①SR鎖存器

在數(shù)字電路里面，SR鎖存器是最簡單的時(shí)序單元，它由一對(duì)交叉耦合的或非門構(gòu)成，如下所示：

主要功能就是通過輸入的S、R端分別控制Q進(jìn)行置位（set）和復(fù)位（reset）。下面我們就對(duì)這個(gè)電路的分析：

二輸入或非門的功能是，只要有一個(gè)輸入為1，輸出就為了0。這SR鎖存電路在正常情況下，輸入RS的組合之一4種可能，即00、01、10和11，下面我們就來看看這4種輸入對(duì)輸出Q的影響：

· 輸入R=0，S=0時(shí)：對(duì)于或非門N1，輸入是0和Q’，由于Q’不知道是0還是1，因此Q的輸出不能確定；對(duì)于或非門N2，輸入是0和Q，由于不知道Q的值，因此Q’也不能確定...這就無限循環(huán)下去了，于是我們像**交叉耦合反相器**那樣進(jìn)行輸出假設(shè)：

**A** ，假設(shè)原來的狀態(tài)Q=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的原來狀態(tài)就是Q’=1；那么N2的輸入就是0和0，輸出Q’=1，這樣子就鞏固了原來的狀態(tài)Q’=1；Q’=1，對(duì)于N2，輸入就是0和1，輸出Q=0，也鞏固了原來的狀態(tài)，也就是與原來的假設(shè)一致。所以這個(gè)狀態(tài)可以穩(wěn)定下來，也就是當(dāng)輸入SR=00時(shí)，輸出Q=1，Q’=0是可以存在的，如下圖所示：

B ，假設(shè)原來的狀態(tài)Q=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的原來狀態(tài)就是Q’=0；那么N2的輸入就是0和1，輸出Q’=0，這樣子就鞏固了原來的狀態(tài)Q’=0；Q’=0，對(duì)于N2，輸入就是0和0，輸出Q=1，也鞏固了原來的狀態(tài)，也就是與原來的假設(shè)一致。所以這個(gè)狀態(tài)可以穩(wěn)定下來，也就是當(dāng)輸入SR=00時(shí)，輸出Q=0，Q’=1是也是可以存在的，如下圖所示：

由此可見，只要原來的狀態(tài)一定了，那么輸入SR=00時(shí)，輸出也就是原來的狀態(tài)。

·輸入S=1，R=0時(shí)，根據(jù)或非門的功能，由于S=1，N2的輸出Q’= 0；于是N1的輸入就是00，輸出Q就等于1；然后Q=1反饋回N2的輸入，讓N2的輸出穩(wěn)定為0，從而讓Q的輸出穩(wěn)定為1；輸入SR=10時(shí)，輸出Q=1，稱為置位功能。（這里我們看一下，在SR=10時(shí)，S的信號(hào)穩(wěn)定多久輸出Q和Q’才穩(wěn)定下來：S=1到來，首先經(jīng)過N2的門延時(shí)t1，然后是Q’反饋回N1的線延時(shí)t2，接著是N1的門延時(shí)t3，再然后是Q反饋回N2的門延時(shí)t4，也就是有2個(gè)門延時(shí)和兩個(gè)線延時(shí)，這是對(duì)于Q’的；對(duì)于Q還有增加一個(gè)N2門延時(shí)和一個(gè)Q’反饋回N1輸入的線延時(shí)）如下圖所示：

從上面的分析中，我們知道輸入S=1,R=0時(shí)，輸出Q=1，也就是置位的功能。

·當(dāng)S=0，R=1時(shí)，這種情況跟SR=10類似，只不過是輸出Q=0，也就是復(fù)位的功能。

·當(dāng)S=1，R=1時(shí)，根據(jù)或非門的功能知道，輸出Q=0，Q’=0。很顯然這時(shí)候Q=Q’了，這跟我們給輸出取值的字面意義是相反的，我們把這種狀態(tài)稱為**錯(cuò)誤**輸出，這是要注意的。這里需要說明的是，S和R都有效是沒有意義的，鎖存器不能同時(shí)被復(fù)位和置位，這樣會(huì)引起輸出都是0的混亂電路反應(yīng)。

通過上面的分析，我們知道，SR鎖存器可以具有鎖存數(shù)據(jù)的功能：在S有效時(shí)，復(fù)位輸出Q=1;在R有效時(shí)，輸出復(fù)位Q=0;當(dāng)S和R都無效時(shí)，就會(huì)保持前一個(gè)狀態(tài)的輸出。

②D鎖存器

雖然SR鎖存器可以鎖存數(shù)據(jù)，電路結(jié)構(gòu)也簡單，但是有一個(gè)毛病就是S和R同時(shí)有效時(shí)，輸出錯(cuò)誤，使用不夠方便；還有一個(gè)問題就是某個(gè)時(shí)候存某個(gè)數(shù)據(jù)分不開，相當(dāng)于時(shí)間和內(nèi)容不夠清晰。因此就因此了D鎖存器，D鎖存的功能是在時(shí)鐘高/低電平的時(shí)候通過數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘低/高電平的時(shí)候鎖存數(shù)據(jù)（這樣就明確地說明了什么時(shí)候鎖存什么數(shù)據(jù)，而不是像SR鎖存器一樣，不知道鎖存什么數(shù)據(jù)），具體的結(jié)構(gòu)圖和分析如下所示：

D鎖存器常見結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)圖如下所示：

可以看到，D鎖存器可以分為前級(jí)門電路（兩個(gè)與門和一個(gè)非門）和后級(jí)SR鎖存器組成，（PS：反相器2個(gè)晶體管，兩個(gè)與門共12個(gè)晶體管，兩個(gè)或非門共8個(gè)晶體管，D鎖存器一個(gè)22個(gè)晶體管）下面我們就來分析一下它的功能：

輸入是Clk和D，也就是輸入有四種可能：

·當(dāng)clk=0時(shí)，紅S紅R都為0，也就是SR鎖存器的輸入為00，根據(jù)SR鎖存器的功能，輸出Q和Q’將保持原來的狀態(tài)；因此clk=0時(shí)，不管D是什么，輸出Q和Q’都不隨D變化，只與原來的狀態(tài)有關(guān)，也就是保持。

·當(dāng)clk=1時(shí)，R=(1·D’)=D’；S=(1·D)=D。

也就是說，當(dāng)clk=1的時(shí)候，SR鎖存的輸入是互補(bǔ)的，不會(huì)出現(xiàn)S和R同時(shí)有效的情況。當(dāng)D=1時(shí)，S=1，置位有效，輸出Q=1；當(dāng)D=0時(shí)，R=1，復(fù)位有效，輸出Q=0；因此就可以知道，在clk=1時(shí)，輸出Q=D，也就是輸出等于輸入。

通過上面的分析，上面的D鎖存器結(jié)構(gòu)功能為：在clk=1時(shí)，數(shù)據(jù)通過D鎖存器流到了Q；在Clk=0時(shí)，Q保持原來的值不變。這樣的鎖存器也稱為透明鎖存器或者**電平**敏感鎖存器（這里需要注意的是，上面結(jié)構(gòu)中 **電平敏感鎖存器是高電平敏感** ，**也是就是高電平有效，這里的有效不是指“鎖存”的這個(gè)功能有效，而是指輸出發(fā)生變化即輸入信號(hào)得以傳送到輸出，方便后面的鎖存操作**）。然后低電平敏感的D鎖存器的電路結(jié)構(gòu)這里就不介紹了。

3、D鎖存器的應(yīng)用

鎖存器用來鎖存數(shù)據(jù)，這是初始的功能應(yīng)用，這里來聊聊鎖存的其他的簡單應(yīng)用吧。

①鎖存器的常用應(yīng)用就是用來防電路毛刺了，具體的應(yīng)用就是門控時(shí)鐘了，這里請(qǐng)查看我的另外一篇博文，那里有較為詳細(xì)的關(guān)于門控電路的描述。

②此外，鎖存器可以用來構(gòu)造觸發(fā)器，這個(gè)我們?cè)诤竺娴挠|發(fā)器中進(jìn)行介紹。

③鎖存器的一種叫做鎖定鎖存器（ lockup latch）的玩意用于修復(fù)掃描鏈插入時(shí)引起的時(shí)鐘偏移問題，幫助修復(fù)保持時(shí)間違規(guī)

④類似通過修復(fù)保持時(shí)間來增強(qiáng)性能、鎖存器流水線的應(yīng)用，這些應(yīng)用很難三言兩語的說明，有些我也不是完全掌握，以后有時(shí)間再進(jìn)行撰寫。

4、（D）觸發(fā)器

觸發(fā)器有很多類型，比如J-K觸發(fā)器、T觸發(fā)器、D觸發(fā)。前面我們也說了，鎖存器的應(yīng)用之一就是構(gòu)成觸發(fā)器，這里我們只聊最簡單的觸發(fā)器——D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)圖如下所示：

D觸發(fā)器可以由兩個(gè)D鎖存器構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的相位相反（也就是），前面的D鎖存器稱為主鎖存器，后面的D鎖存器稱為從鎖存器，因此D觸發(fā)器也可以稱為主從觸發(fā)器（PS：兩個(gè)D鎖存器共44個(gè)晶體管，非門2個(gè)晶體管，因此D觸發(fā)器46個(gè)晶體管）。下面我們分析一下D觸發(fā)的功能：

假設(shè)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)D=D1：在(clock簡稱clk)**clk=0**的時(shí)候，主鎖存打開進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，把輸入傳送到從到從鎖存器的輸入端，即Qm = D1。然后**clk從0→1**的時(shí)候，主鎖存器準(zhǔn)備關(guān)閉，保持原來的值D1，與此同時(shí)從鎖存器準(zhǔn)備打開，把Qm的值傳輸?shù)捷敵鯭s，也就是Qs=Qm=D1。在**clk=1**的時(shí)候，主鎖存器是關(guān)閉的，Qm保持D1不變，即Qm=D1；從鎖存器是打開的，Qs=Qm=D1。接著**clk從1→0**的時(shí)候，主鎖存器準(zhǔn)備打開，準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)；而從鎖存器準(zhǔn)備關(guān)閉。在clk=0的時(shí)候，主鎖存打開進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，把輸入傳送到從到從鎖存器的輸入端，即Qm *= D2；與此 **同時(shí)** ，從鎖存器關(guān)閉，由于新的Qm即Qm*還沒有到達(dá)從鎖存器的D端，因此在從鎖存器關(guān)閉的時(shí)候，從鎖存器鎖存的是原來的值即D1，因此輸出Qs =D1。然后接下來上升沿就傳輸D2....

從上面的分析可以找到，D觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿的時(shí)候鎖存在時(shí)鐘上升沿采到的值，并且保持一個(gè)時(shí)鐘周期。這種在時(shí)鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)的觸發(fā)器稱為正邊沿觸發(fā)器，與此對(duì)應(yīng)的還有負(fù)邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器，這里就不進(jìn)行介紹了。

由D觸發(fā)器延伸出去的知識(shí)點(diǎn)還有很多，比如寄存器，寄存器由多個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成（一個(gè)D觸發(fā)器可以看做1位的寄存器）；比如帶使能的觸發(fā)器：

帶復(fù)位的觸發(fā)器：

OK，觸發(fā)器的結(jié)果和功能就聊到這里，接下來我們來聊聊觸發(fā)器的建立時(shí)間（setup time）和保持時(shí)間(hold time).

5、（D）觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間

首先我們來看看建立時(shí)間和保持時(shí)間的定義，然后再看看為什么會(huì)這樣。

**建立時(shí)間** ：時(shí)鐘有效沿到來之前的某段時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)必須穩(wěn)定，否則觸發(fā)器鎖存不住數(shù)據(jù)，這段時(shí)間成為建立時(shí)間，用Tsetup或者Tsu表示，也就是說要鎖存的數(shù)據(jù)必須比上升沿早來時(shí)間必須大于建立時(shí)間。

**保持時(shí)間** ：時(shí)鐘有效沿到來之后的某段時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)也必須穩(wěn)定，否則觸發(fā)器鎖存不住數(shù)據(jù)，這段時(shí)間成為保持時(shí)間，用Thold或者Th表示。也就是說，要鎖存的數(shù)據(jù)，在上升沿到來之后，還要停留比保持時(shí)間大的時(shí)間。

如下圖所示：

在第二個(gè)時(shí)鐘上升沿的時(shí)候，要鎖存住輸入端D的高電平，D1是滿足了建立時(shí)間和保持時(shí)間的情況；而D2則是建立時(shí)間沒有滿足，因此不能成功鎖存住輸入的高電平；D3保持時(shí)間不滿足，也不能成功鎖存輸入的高電平。

下面我們就來探討一下為什么會(huì)會(huì)有建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求（別跟我說不滿足要求就不能鎖存正確數(shù)據(jù)，我要的是根本原因，不是后果，也就是為什么不滿足建立/保持時(shí)間會(huì)導(dǎo)致不能捕獲正確鎖存數(shù)據(jù)的原因）：

首先D觸發(fā)器的門級(jí)結(jié)果如下所示：

我們知道D觸發(fā)器是在（上升）邊沿進(jìn)行鎖存數(shù)據(jù)的，也就是clk從在0→1的時(shí)候鎖存數(shù)據(jù)，那我們就看看這個(gè)上升沿的時(shí)候發(fā)生了什么：

假設(shè)原來的數(shù)據(jù)是1（也就是從鎖存器鎖存的數(shù)據(jù)是1），然后我們要鎖存的數(shù)據(jù)是0。我是這么理解建立時(shí)間和保持時(shí)間的：

首先，要讓時(shí)鐘上升沿之后Q輸出為了，就是要讓從鎖存器輸出為0，即是要主鎖存器在時(shí)鐘上升沿之后穩(wěn)定地鎖存住0，換個(gè)角度看就是：在上升沿到來以及到來之后，主鎖存器負(fù)責(zé)鎖存數(shù)據(jù)，而從鎖存器則是負(fù)責(zé)傳輸 主鎖存器所鎖存好的 數(shù)據(jù)；這樣一來，我們的研究重點(diǎn)就放在了 主鎖存器 。

對(duì)于主鎖存器，我們可以看這個(gè)圖：

在時(shí)鐘上升沿到來后，我們要讓 Q輸出0 。假如數(shù)據(jù)的建立時(shí)間不足，會(huì)發(fā)生什么呢，也就是數(shù)據(jù)（0）相對(duì)于時(shí)鐘上升沿來得太晚了會(huì)怎么樣呢？

假設(shè)在T=0ns的時(shí)候，clk從0變成1（為方便分析，假設(shè)時(shí)鐘是理想的，沒有跳變延時(shí)）。我們假設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)D1=0在 **T=-0.7ns（即比時(shí)鐘上升沿提前0.7s）** 的時(shí)候到達(dá)數(shù)據(jù)的端口，然后另一個(gè)數(shù)據(jù)D2=0在**T=-0.3ns**的時(shí)候才來到數(shù)據(jù)端口（也就是說，D1來得早，而D2來得比較晚即建立時(shí)間不足）。然后D1這個(gè)0翻山越嶺越過了反相器，變成1，經(jīng)過了與門（由于與門的另一個(gè)輸入為1）變成了1，經(jīng)過或非門之后，使輸出Q變成了0，也就是變成了從鎖存器要鎖存的0值。然后主鎖存器Q剛輸出0的時(shí)候，還不穩(wěn)定，需要通過反饋使得自己的或非門的輸入為1就是需要t1+t2+t3的時(shí)間（如下圖所示）進(jìn)行維持Q的穩(wěn)定。

然后我們?cè)倏纯碊2數(shù)據(jù)翻山越嶺，剛剛翻到與門那里，時(shí)鐘沿就來了，它都 沒有成功到達(dá)或非門輸入 。于是D2就肯定達(dá)不到目標(biāo)了，也就是變不成了從鎖存器要鎖存的0值，這就是建立時(shí)間不足的引起鎖存不住值的問題。

接著我們看一下 保持時(shí)間 ，還是從主鎖存器這邊看。加入0時(shí)刻時(shí)鐘clk發(fā)生0→1的上升沿跳變時(shí)候，clk的1信號(hào)首先需要經(jīng)過反相器（inst10）變成0信號(hào)后傳到后面的與門（inst13和inst14）。信號(hào)從時(shí)鐘端口到達(dá)與門需要經(jīng)過t1的延遲時(shí)間（如下圖所示）即他t1時(shí)刻與門的輸入就為低電平0。那么在這個(gè)t1時(shí)刻之前，與門的輸入端clk始終保持高電平1； 在t1時(shí)刻之前 ，如果輸入端D發(fā)生跳變，也就是從0變成1（也就是低電平0這個(gè)信號(hào)保持得不夠久，由于某些原因被沖成了高電平1），變換后的數(shù)據(jù)端高電平1經(jīng)過t2延時(shí)之后，到達(dá)與門的另一個(gè)輸入端。當(dāng)t2

因此我們需要輸入D在時(shí)鐘沿跳變之后保持不變，這個(gè)保持時(shí)間的實(shí)質(zhì)就是這個(gè)t1與t2的差值，即數(shù)據(jù)到達(dá)之后，要保持t1-t2。假如這跟導(dǎo)線很長，即t2的延遲很長，比t1還長，那么保持時(shí)間就是一個(gè)負(fù)值，這時(shí)候就完全沒有必要關(guān)注保持時(shí)間了，而是關(guān)注建立時(shí)間了。

從上面的分析可以知道，保持時(shí)間一般情況下會(huì)比建立時(shí)間小。