锁存器、触发器和寄存器

  • 锁存器

锁存器(latch)---对脉冲电平敏感,在时钟脉冲的电平作用下改变状态 

锁存器是电平触发的存储单元,数据存储的动作取决于输入时钟(或者使能)信号的电平值,当锁存器处于使能状态时,输出才会随着数据输入发生变化。(简单地说,它有两个输入,分别是一个有效信号EN,一个输入数据信号DATA_IN,它有一个输出Q,它的功能就是在EN有效的时候把DATA_IN的值传给Q,也就是锁存的过程);

下面简单的介绍一下常用的D锁存器:

 

 

应用场合:数据有效滞后于时钟信号有效,这意味着时钟信号先到,数据信号后到。在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器 ;

优点:面积小、锁存器比FF快,所以用在地址锁存是很合适的,不过一定要保证所有的latch信号源的质量,锁存器在CPU设计中很常见,正是由于它的应用使得CPU的速度比外部IO部件逻辑快许多。latch完成同一个功能所需要的门较触发器要少,所以在asic中用的较多;

缺点:时序分析较困难;

不用锁存器的原因有二:1、锁存器容易产生毛刺,2、锁存器在ASIC设计中应该说比FF要简单,但是在FPGA的资源中,大部分器件没有锁存器这个东西,所以需要用一个逻辑门和FF来组成锁存器,这样就浪费了资源;

  • 触发器 

触发器(Flip-Flop,简写为 FF)---对脉冲边沿敏感,其状态只在时钟脉冲的上升沿或下降沿的瞬间改变 ;

触发器也叫双稳态门,又称双稳态触发器,是一种可以在两种状态下运行的数字逻辑电路。触发器一直保持它们的状态,直到它们收到输入脉冲,又称为触发。当收到输入脉冲时,触发器输出就会根据规则改变状态,然后保持这种状态直到收到另一个触发 ;

下面简单的介绍一下常用的主从D触发器:

应用场合:时钟有效迟后于数据有效,这意味着数据信号先建立,时钟信号后建立,在CP有效沿时刻打入到寄存器 ;

常用的触发器包括:

 

  • 寄存器 

寄存器(register):用来存放数据的一些小型存储区域,用来暂时存放参与运算的数据和运算结果,它被广泛的用于各类数字系统和计算机中。其实寄存器就是一种常用的时序逻辑电路,但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的,因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数,所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。 工程中的寄存器一般按计算机中字节的位数设计,所以一般有8位寄存器、16位寄存器等 ;

寄存器的应用

a)可以完成数据的并串、串并转换;

b)可以用做显示数据锁存器:许多设备需要显示计数器的记数值,以8421BCD码记数,以七段显示器显示,如果记数速度较高,人眼则无法辨认迅速变化的显示字符。在计数器和译码器之间加入一个锁存器,控制数据的显示时间是常用的方法。

c)用作缓冲器;

d)组成计数器:移位寄存器可以组成移位型计数器,如环形或扭环形计数器。

<think>好的,用户想了解锁存器在计算机科学或电子工程中的应用原理。首先,我需要明确锁存器的基本定义功能。根据引用[4],锁存器是存储设备,用于临时存储单个比特的数据,特别是在同步电路中很重要。用户提到可能是硬件或软件中的概念,但锁存器主要是硬件层面的,不过软件设计中可能有类似机制。 接下来要解释锁存器的工作原理。需要区分电平触发边沿触发,比如SR锁存器D锁存器的不同。引用[4]提到Verilog中的实现方法,可能涉及到门级描述或always块,这部分可以作为硬件描述语言的例子。 然后讨论应用场景。计算机组成中的地址锁存,如8086中使用74LS373锁存器分离地址数据信号,引用[5]中有相关例子。数字电路中的状态保持,比如按键消抖,这也是常见的应用。通信系统中的数据缓冲,可能涉及锁存器暂存数据。可编程逻辑器件中的配置存储,比如FPGA中的锁存器存储配置信息。 还要注意锁存器触发器的区别,用户可能混淆这两个概念。锁存器是电平触发,触发器是边沿触发,这点需要强调。此外,软件中的锁存概念可能是指同步机制,如Java中的CountDownLatch,虽然不同于硬件锁存器,但功能上有相似之处,可以提及。 最后生成相关问题,要覆盖原理、应用、比较、实现软件中的概念,确保问题有针对性,帮助用户深入理解。同时检查引用是否正确,比如地址锁存器部分引用[5],Verilog实现引用[4],确保引用标记正确。</think>### 锁存器的原理与应用 #### 一、锁存器的基本概念 锁存器(Latch)是一种用于**临时存储单个比特数据**的电子元件,通过电平触发实现状态保持[^4]。其核心功能是在特定信号(如时钟信号或使能信号)的控制下,将输入数据暂时保存并输出,直到下一次控制信号到来时更新。 - **电平触发特性**:锁存器在控制信号为有效电平期间(如高电平或低电平)对输入敏感,数据可能随输入变化。 - **存储机制**:通过交叉耦合的逻辑门(如与非门、或非门)构成反馈回路,实现状态锁定。 #### 二、锁存器的硬件实现与原理 ##### 1. 典型电路结构 - **SR锁存器**:由两个交叉耦合的与非门构成,通过置位(Set)复位(Reset)信号控制状态。 $$Q = \overline{R} \cdot \overline{Q_{prev}}$$ - **D锁存器**:在SR锁存器基础上增加数据输入端(D)使能端(Enable),避免SR锁存器的无效状态问题。 ```verilog // Verilog门级实现示例 module D_latch(input D, Enable, output Q, Qn); wire S, R; assign S = ~(D & Enable); assign R = ~(~D & Enable); nand(Q, S, Qn); nand(Qn, R, Q); endmodule ``` 当Enable=1时,输出Q跟随D变化;Enable=0时保持原值[^4]。 ##### 2. 计算机系统中的应用实例 - **地址/数据总线分离**:在8086 CPU中,使用3片74LS373锁存器分离复用总线上的地址信号数据信号,确保时序正确[^5]。 - **状态寄存器**:在I/O接口电路中暂存设备状态(如中断请求标志)。 #### 三、锁存器的应用场景 | 应用领域 | 具体功能 | 典型场景示例 | |----------------|-----------------------------------|---------------------------| | 计算机组成 | 地址锁存与总线驱动 | 8086地址锁存电路[^5] | | 数字电路 | 按键消抖/状态保持 | 机械开关信号稳定化 | | 通信系统 | 数据缓冲与同步 | 串口通信中的字节暂存 | | 可编程逻辑器件 | 配置信息存储 | FPGA内部配置存储器 | #### 四、锁存器触发器的关键区别 | 特性 | 锁存器 | 触发器 | |--------------|-------------------------|-------------------------| | 触发方式 | 电平触发 | 边沿触发(上升/下降沿) | | 抗干扰能力 | 较低(易受毛刺影响) | 较高 | | 时序分析难度 | 更难(透明期可能冲突) | 更简单 | | 功耗 | 通常较低 | 通常较高 | #### 五、软件中的"锁存"概念 在软件设计中,"锁存"常指**同步控制机制**,例如: - **Java中的CountDownLatch**:用于线程同步,等待指定操作完成。 - **数据库事务锁**:临时锁定数据访问权限。 虽与硬件锁存器原理不同,但均体现了"临时保持状态"的核心思想。
评论 4
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值