寄存器、触发器、锁存器的区别与联系

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分类专栏： FPGA常识杂谈文章标签： fpga开发

于 2024-12-16 15:54:20 首次发布

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在FPGA中，寄存器、触发器和锁存器是用于存储和控制数据的基本元件，它们在功能和应用上有一些差异。下面是它们的区别与应用：

1. 寄存器 (Register)

定义： 寄存器是一个数据存储元件，通常由多个触发器组成，用于在时钟信号的控制下存储数据。寄存器通常是同步的，它的数据更新是在时钟边缘发生的。

特点：

通常是时序逻辑元件，具有时钟信号控制。
可以存储多个比特的值（例如，8位、16位或更多位宽）。
适用于在时钟周期内存储和传输数据。

应用：

用于存储处理器中的临时数据（如寄存器文件）。
存储状态信息、计数器等。

Verilog示例代码：

module register_example (
    input clk,               // 时钟信号
    input reset,             // 复位信号
    input [7:0] data_in,     // 8位输入数据
    output reg [7:0] data_out // 8位输出数据
);

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset)
        data_out <= 8'b0;    // 复位时输出为0
    else
        data_out <= data_in; // 在时钟上升沿时，存储输入数据
end

endmodule

2. 触发器

定义： 触发器（Flip-Flop，简写为 FF）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下一个触发。触发器对脉冲边沿敏感，其状态只在时钟脉冲的上升沿或下降沿的瞬间改变。

特点：

触发器是最基本的存储元件，通常具有一个时钟输入（有时也有使能信号）。
在时钟信号的边缘触发时，触发器的输出会改变状态（如从0变到1或从1变到0）。

应用：

广泛用于数据寄存器中，作为构建更复杂寄存器的基础单元。
用于设计时序电路，如计数器、时序逻辑等。

Verilog示例代码：

一个简单的D型触发器，在时钟上升沿更新数据。

module flip_flop_example (
    input clk,           // 时钟信号
    input reset,         // 复位信号
    input d,             // 输入数据
    output reg q         // 输出数据
);

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset)
        q <= 0;          // 复位时输出为0
    else
        q <= d;          // 在时钟上升沿时，存储输入d
end

endmodule

3. 锁存器 (Latch)

定义： 锁存器是一种具有“透明”特性的存储元件，它不是完全依赖于时钟的边缘，而是依赖于一个使能信号。当使能信号为高时，锁存器的输入数据会立即传递到输出；当使能信号为低时，锁存器保持其最后的状态。

特点：

锁存器是异步的，输出数据随使能信号的变化而改变。
当使能信号为高时，输入数据传递到输出。
锁存器在没有时钟信号的情况下，可以直接受到输入数据变化的影响。

应用：

用于数据存储，需要在时钟外控制数据传输的场景（例如，简单的信号保持）。
常用于流水线数据存储、控制信号的缓存等。

Verilog代码示例：

一个简单的D型锁存器，它在使能信号为高时，将输入数据传递到输出。

module latch_example (
    input en,             // 使能信号
    input d,              // 输入数据
    output reg q          // 输出数据
);

always @(en or d) begin
    if (en)
        q <= d;           // 使能信号为高时，存储输入d
end

endmodule

总结区别：

元件	类型	时钟控制方式	存储方式	主要区别
寄存器	组合（由触发器构成）	同步，时钟边缘触发	多比特存储	多个触发器组合，适合存储和传输多位数据
触发器	基本时序元件	同步，时钟边缘触发	单比特存储	基本的时序元件，单比特存储，时钟边缘控制
锁存器	异步时序元件	不依赖时钟边缘触发	单比特存储	异步工作，依赖使能信号，适合数据保持