锁存器

复习

1. 第八章：设计完成了半加器，可以完成两个一位二进制数的加法，但不能处理来自低位的进位
2. 第九章：设计完成了加法器，可以处理三个输入（两个加数和一个进位），并可以串联构成多位加法器
3. 第十章：掌握了原码、反码和补码的概念，理解了补码可以统一加减法运算
4. 第十一章：设计完成了减法器、乘法器和除法器，它们都基于加法器和移位操作
5. 第十二章：理解了算术逻辑单元（ALU）如何集成各种运算功能

TL;DR

• 触发器是计算机中最基本的记忆单元
• 触发器可以存储一位二进制数据（0 或 1）
• 触发器是实现时序逻辑电路的基础
• 触发器是构建寄存器和存储器的基本单元

正文

引言

　　到目前为止，我们已经了解了计算机如何进行运算：通过 ALU 执行各种算术和逻辑操作。计算机四大部件中的运算器勉勉强强算是完成了（忘记了？请返回第二章：计算机的构成，做个提醒，四大部件分别为输入设备、存储器、运算器和输出设备）。接下来让我们将目光瞄向存储中间结果的存储器。

需要存储的理由

　　想象一下，如果计算机只有 ALU 而没有存储功能：

1. 不能保存中间结果
2. 不能记住程序状态
3. 不能存储用户数据
4. 每次都要重新输入数据
5. 一旦输入错误就完蛋了

　　所以，存储功能和运算功能一样重要。

锁存器：最简单的记忆电路

　　最基本的存储单元就是触发器（Flip-Flop）。但在介绍触发器之前，我们先来看一个更简单的电路：锁存器（Latch）。锁存器由一个非常奇妙的想法引发。

首尾相连？

　　既然有反相器这么好玩儿的东西，为什么没有人想到将它首尾相连呢？

SR 锁存器

　　最基本的锁存器是 SR 锁存器（Set-Reset Latch）：

1. 两个输入：

   • S（Set）：设置输出为 1
   • R（Reset）：设置输出为 0

2. 两个输出：

   • Q：存储的值
   • Q̄（Q非）：存储值的反转

3. 真值表：

从锁存器到触发器

　　锁存器有一个问题：它对输入信号太敏感了。只要输入变化，输出就可能变化。这在复杂的电路中可能导致混乱。

　　触发器通过增加时钟信号解决了这个问题：

1. 只在时钟信号的特定时刻（如上升沿）才响应输入
2. 其他时候保持状态不变
3. 这样就实现了同步操作

思考题 1

　　为什么计算机需要时钟信号？直接用锁存器不行吗？

思考题 2

　　触发器是如何实现掉电不丢失数据的？

小结

知识点

• 锁存器的基本原理
• 触发器的类型和特点
• 时钟信号的作用
• 触发器的应用场景
• 设计中的关键考虑

思考题答案（仅供参考）

思考题 1

　　时钟信号的重要性：

1. 同步控制，避免数据竞争
2. 提供稳定的时序参考
3. 便于调试和故障排除
4. 简化电路设计
5. 提高系统可靠性

思考题 2

　　一般的触发器在掉电后会丢失数据。要实现掉电不丢失，需要：

1. 使用非易失性存储技术（如FRAM）
2. 添加备用电源（如超级电容）
3. 在掉电前将数据保存到非易失性存储器
4. 使用特殊的存储单元（如铁电存储器）

参考资料

1. Wikipedia(zh)：触发器：触发器的详细介绍
2. Wikipedia(zh)：时序逻辑：时序逻辑的基本概念

推荐

• Bilibili：触发器是如何工作的

协议

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封面图

设计师 | 南国微雪