「FPGA」基本时序电路元件——锁存器和触发器

FPGA是一种数字电路实现的方式，它是基于小型查找表（16X1）设计的，它的兄弟CPLD是基于高密度复杂组合逻辑设计的。FPGA的一个优点是触发器资源丰富，适合实现复杂的时序设计。本文将从 门级电路的角度来介绍时序电路的基本结构，锁存器（Latch）和触发器（flip-flop）。实际上，还可以直接使用晶体管来构建锁存器和触发器，这样更节约。

1. 最简单的双稳态元件

双稳态元件是记忆电路的基础，它的特点是有两个稳定状态（Q=1，Q=0），当外界无外来触发信号的时候，它将保持上一个状态。

最简单的双稳态元件是交叉耦合的反相器，如图1。当Q=1的时候，下面反相器的输入为1，输出为0，即Q-=0，这个输出0又作为上面反相器的输入，从而进一步“巩固”Q=1。Q=0同理。

不过，这个电路是没有使用价值的，因为没有输入，其状态完全由一个无法控制的初始状态决定，Q=1则一直为1，Q=0则一直为0。因此，具有实用价值的是它的改进版，锁存器和触发器。

2. SR锁存器

其中S是set的首字母，表示置位，R是reset的首字母，表示复位。它的组成是两个交叉耦合的或非门，如图2，其中绿线表示高电平，灰线表示地电平。当S=1，R=0的时候，Q=1，Q-=0。当R=0时，与的结果一定是0，则其上面的或非门的输出Q=1。Q=1作为下面的或非门的输入，同时S=1，两个1相或结果为1，则下面的或非门的输出为0。

当S=0，R=1的时候，Q=0，Q-=1。分析同理。

当S=0，R=0的时候，这两个或非门和两个反相器在逻辑功能上没有区别。当一个或非门的一端输入常为0，那么当另外一端输入为1，输出为0，另一端输入为0，则输出为1。其分析可参考交叉耦合反相器。该锁存器将保持原有的状态。

当S=1，R=1的时候，由于或门是有1为1，因此两个或非门的输出都是0。这是一个混乱的电路响应（正常的Q和Q-应互为相反数）。

值得注意的是，以上电路是采用或非门实现的SR锁存器，实际上，我们可以，只要满足上述输入输出关系的元件都是SR锁存器。比如可以采用与非门实现SR锁存器，如图3。注意区别，当S=0，R=0时，该器件无效，当S=1，R=1时，该器件保持。

3. D锁存器（data latch）

SR锁存器可以在Q上储存一个1bit的状态值，还可以通过S和R来控制Q=1或者是Q=0。但是这种设计有个缺陷，我们不知道什么时候进行置位和复位。或句话说，SR锁存器在时间和内容上是混在一起的。

因此，对电路进行改进，引入一路时钟信号（占空比为50%的方波），当时钟信号为高电平的时候，才让数据信号（D）作用在SR锁存器的S端，并直接体现在Q上，就好像一根导线，用专业术语叫透明（transparent）。当时钟信号为低电平的时候，SR锁存器保持，就好像把数据信号阻断了一样，叫不透明（opaque）。要实现该功能，需要在外侧加入两个与门，其电路结构如图4。

D锁存器又称电平敏感锁存器。

4. D触发器

触发器的英文是flip-flop，flip是轻抛，flop是重重地落下。相比于电平敏感的D锁存器，D触发器是上跳沿敏感的，只有当时钟CLK从低电平变化到高电平的时候，电路才是透明的。所以其实现可以是，用两个D锁存器，第一个锁存器在时钟低电平的时候储存D的值，当变化成高电平的时候，再将储存的值送到第二个D锁存器中。

如图5，左图是当CLK为低电平时，下侧的D锁存器（又称“主锁存器”），读入输入数据，右图是当CLK为高电平时，上侧的D锁存器（又称“从锁存器”），将主锁存器的输出作为输入。

5. 寄存器（register）

寄存器的概念，最开始接触，可能是在学习C语言的时候。那个时候刚刚接触到内存，知道一个变量的值是被储存在某个地址对应的内存空间，内存则是由寄存器构成的。然后如果使用到一些微处理器，也会接触到寄存器的概念，通过对某些寄存器写入特定值，从而设置微处理器的工作模式。

所谓寄存器，是由共用一路时钟的一列D触发器构成。图6所示的寄存器，被设置成1001。