写点什么

微机原理:锁存器的基本原理介绍

  • 2019-10-25
  • 本文字数:2528 字

    阅读完需:约 8 分钟

微机原理:锁存器的基本原理介绍

在大多数字电路中,除了需要具有逻辑运算和算数运算功能的组合逻辑电路外,还需要具有存储功能的电路。组合电路与存储电路结合构成时序逻辑电路,就是咱们平时所说的时序电路,本次着重讨论两种逻辑单元电路,锁存器和触发器,详细介绍各自的工作原理与电路结构,以及实现的不同功能。


基本双稳态电路

将两个非门接成交叉耦合形式,则构成最基本的双稳压电路。



如图所示的电路关系可知,若 Q=0,经非门 G2 反相,则 Q¬=1.Q¬反馈到 G1 输入端,又保证了 Q=0,由于两个非门首尾相接的逻辑锁定,因而电路能够自行保持在 Q=0,Q¬=1 的稳定状态,反之,两个信号对调,也会形成第二种稳定状态。在两种稳定状态中,输出的两个信号都是互补的。


可以定义 Q=0 为整个电路的 0 状态,Q=1 则是一状态,信号进入其中任何一种逻辑状态都能够长期保存下去,并可以通过 Q 端电平检测出来。所以,基本双稳态电路具有储存一位二进制数据的功能。

SR 锁存器

来看第一个,SR 锁存器是各种触发器最基本的构成部件,是一种最简单的触发器,而锁存器与触发器的区别在于,锁存器不需要触发信号,输入信号直接完成 0 或 1 操作,触发器则需要一个触发信号,我们称为时钟信号,只有输入信号有效的时候,才按输入信号完成 0 或 1 操作。


时钟概念,稍微解释一下。时钟就是一个高低电平振荡器,叫晶振,时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内,CPU 仅完成一个最基本的动作。时钟周期是一个时间的量。更小的时钟周期就意味着更高的工作频率。时钟信号就是时钟电平高低震荡产生的信号,也就是高低电平的变化。



上面是电路结构图,是一个由或非门组成的逻辑电路,Q 和 Q′为互补输出端,正常工作时,它们的输出状态相反。通常用 Q 的状态表示触发器的状态,即: Q = 0,Q′ = 1 时,称为触发器的“0”态。Q = 1,Q′ = 0 时,称为触发器的“1”态。由此可见,Q 和 Q’为互补输出端。


当 RD=0,SD=1 时,Q=1,Q’=0,锁存器为 1 态,RD=1,SD=0 时,Q=0,Q‘=1,锁存器为 0 态,若 Q=0,Q=0,Q’=1,锁存器为 0 态,若 Q=1,Q=1,Q’=0,锁存器为 1 态,锁存器的状态保持不变,但是当 Q、Q’同时等于 0 的时候,为禁止态。


上面说过,Q 与 Q’为互补输出,如果同时等于 0,违背这一原则,不允许输入 RD = SD = 1 的信号,这就是 SR 锁存器的约束条件。当 RD 和 SD 同时去掉高电平加低电平时,输出状态不稳定。由下面真值表可以看出:




上面是逻辑符号,输入信号直接加在输出门上,在输入信号全部作用时间内,都能直接改变输出端的状态(即只要有输入信号,就能作用于电路)。故又称该电路为直接复位、置位锁存器。


在数字系统中,为协调各部分的动作,常常要求某些触发器在同一时刻动作(即改变状态,也称为翻转),这就要求有一个同步信号来控制,这个控制信号叫做时钟信号(Clock),简称时钟,用 CLK 表示。Clock 是一串周期和脉宽一定的矩形脉冲。具有时钟脉冲控制的触发器统称为时钟触发器,又称钟控触发器。电平触发器(也称同步触发器)是其中最简单的一种。


继续来看电路的动态变化,如果电路的状态为 1 态,也就是 Q=1,Q‘=0,在 RD 端出现逻辑 1 电平的瞬间,将使 Q 端输出的电压下降并作用与 G2 的输入端,随机引发 Q’端电压上升。一旦 Q 和 Q‘端均跨越逻辑阈值电平,便迅速的转换为 Q=1,Q’=1.电路状态由 1 反转为 0。反之,如果此前的电路状态为 0,也就是 Q=0,Q‘=1,则 RD=1 的出现不改变其状态。

基本 SR 锁存器的的动态特征

之前仅仅讨论了电路之间的逻辑关系,接下来看一下电路输出信号的延迟,也就是动态特性,连个或非门工作的时候,都会无法避免的存在一些工作延迟,当输入高低电平的时候,输出限号需要经过一定延时才会产生变化,这种延时是一种潜在的隐患,有可能会对后续电路产生一定影响,可能会造成错误的逻辑输出,有可能导致工作不稳定。为此,需要保证锁存器的可靠转换,这就对输入信号有了时间要求。


在这里补充一个新的概念:定时图。定时图是表达时序电路动态特性的工具之一,主要功能就是表示电路工作过程中,输出对输入信号相应的延迟时间,以及对输入信号的时间要求。



传输延长时间 tpLH 和 tpHL


如上图所示,当置 1 信号 S 上升时,姿势为高电平,需要一定的传输延时时间 tpLH 之后,Q 端才转换为高电平。同样,置 0 信号 R 作用于电路,Q 端电平也经一定的传输延迟时间 tpHL 才变化为零。这里把 tpLH 和 tpHl 定义为基本 SR 锁存器的传输延迟时间,但是对于具体电路,由于信号传输路径不同,这两个值在一般情况下是不相等的。


脉冲宽度 tw


基本 SR 锁存器工作的时候,必须保证输入两端的高电平脉冲不小于某一最小值 tw。如图中的 tw1 和 tw2 均满足上述要求,因此电路可以可靠的实现基本运行。如果在 S 端或者 R 端的脉冲宽度过窄,如上图显示的 tw3 脉冲,在 Q 端电压还没越过逻辑阈值电平时,S 端的高电平就要被撤销,电路就与可能回到原来的状态,或者使 Q 的最终状态不确定。所以基本 SR 锁存器必须满足脉冲宽度不小于一个最低值 tw,这样才能保证 S 或 R 脉冲有确定的作用状态。


同样的道理,5 基本 SR 锁存器也可以用与非门构成,大致原理都一样,但是有一点席位的差别,这里不多说了,感兴趣自行百度一下。


还有稍微了解一下 RS 锁存器在现实中的主要用途。


基本 SR 锁存器主要可以应用于数字系统中某些特定标志的设置。比如,当某种预设逻辑,条件具备的时候,电路可以通过输入端 S 将基本 SR 锁存器置 1,标志着时间的发生,而当遇到相反的逻辑条件时,,则可以通过输入端 R 端将其至 0,标志着没有发生,就像是咱们开关灯一样。


接下来看一下门控 SR 锁存器。


我们之前所说的基本 SR 锁存器是由输入信号 S,R 输入信号,但是门控 SR 锁存器不同,他是在 基本 SR 锁存器的基础上加上了一道“门”CLK


用使能信号控制锁存器在某一指定时刻,根据输入端,输出的信号确定输出状态,可以实现多个锁存器同步的数据锁存。



相比与 SR 锁存器,只多了两个门和一条 CLK,CLK = 0 时,G3、G4 被封锁,输入信号 R、S 不起作用。 SR 锁存器的输入均为 1,触发器状态保持不变。


只有在 CLK=1 时,S、R 才能起作用。



以上是本次的内容,持续更新微机原理和汇编知识,感谢您的支持。


2019-10-25 14:073868

评论

发布
暂无评论
  • 数字人之 Embeddings 及 Hypernetwork

    2023-03-16

  • 导学(一)| 拆解 CPU 的基本结构和运行原理

    CPU做为计算机的总司令官,它管理着计算机的所有资源。它有两个主要的作用,分别是计算和控制。

    2021-10-25

  • 复杂组合逻辑电路

    集成三线—八线译码器74138除了3线到8线的基本译码输入输出端外,为便于扩展成更多位的译码电路和实现数据分配功能,74138还有三个输入使能端 EN1, EN2A和EN2B 。74138真值表和内部逻辑图如下图:

    2022-11-16

  • 简单组合逻辑电路

    在 Verilog HDL 中一个信号可能有如下四种基本的值:i.0:逻辑 0 或假ii.1:逻辑 1 或真iii.x:未知iv.z:高阻态(三态)在门电路的输入端或是表达式中的 z 值通常会被译为一个 x 值(待确定)。通常情况下, Verilog HDL 是区分大小写的,但是作为值来表示时

    2022-11-15

  • 17|RISC-V 指令精讲(二):算术指令实现与调试

    今天我们继续学习逻辑指令(and、or、xor)和移位指令 (sll、srl、sra)。

    2022-09-02

  • 20|ControlNet:出道即巅峰,构图控制没有对手

    握了ControlNet这个“大杀器”,你对于AI绘画效果的控制能力会上一个台阶,在下个实战篇实现创意AI绘画任务时也会更加得心应手。

    2023-09-01

  • SR 锁存器与 D 锁存器设计与建模

    锁存器和触发器的基本特性 锁存器和触发器是构成时序逻辑电路的基本逻辑单元,它们具有存储数据的功能。每个锁存器或触发器都能存储1位二值信息,所以又称为存储单元或记忆单元。若输入信号不发生变化,锁存器和触发器必然处于其中一种状态,且一旦状

    2023-02-02

  • 计算机网络——码元、波特

    码元是指一个用固定时长的信号波形(数字脉冲),代表不同离散数值的基本波形,是数字通信中数字信号的计量单位,这个时长内的信号称为k进制码元

    2022-09-16

  • 10 分钟带你彻底搞懂策略设计模式

    2022-08-26

  • 计算机网络(二、物理层)

      网络物理层(Physical Layer,PH)是指计算机与计算机之间通信的OSl模型的第一层也即七层中的最底层。该层中定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性,其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输。

    2022-08-18

  • 二极管及其应用

    (1)定义:导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质,称为半导体。常用的半导体材料是硅和锗。

    2022-08-02

  • QPSK/DQPSK 调制解调系统仿真

    1、掌握多进制数字调制与解调的概念; 2、掌握 QPSK 调制及解调的原理及实现方法; 3、了解 QPSK 调制的 A 方式及 B 方式,并观测对应的星座图; 4、了解 QPSK 的相位模糊情况,并思考解决办法; 5、了解 DQPSK 的差分编码和译码算法。

    2023-03-24

  • 09|手写 CPU(四):如何实现 CPU 流水线的访存阶段?

    手写CPU第四步,咱们继续挑战。这节课我们先想办法解决流水线的数据冒险问题,然后再完成流水线访存阶段相关模块的设计。

    2022-08-15

  • 为什么变压器经常烧毁?怎么预防解决?

    变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要功能有:电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器)等。按用途可以分为:电力变压器和特殊变压器(电炉变、整流变、工频

    2022-11-16

  • 状态机的概念与设计

    一般情况下,状态触发器的数量是有限的,其状态数也是有限的,故称为有限状态机(Finite State Machine,简称为FSM)。状态机中所有触发器的时钟输入端被连接到一个公共时钟脉冲源上,其状态的转换是在同一时钟源的同一脉冲边沿同步进行的,所以它也被称作时

    2023-02-09

  • 信息论与编码:随参信道特性

    随参信道的传输特性主要依赖于传输媒质特性,以电离层反射信道、对流层散射信道为主要代表。 随参信道是一种信道传输特性随时间随机快速变化的信道, 包括陆地移动信道,短波电离层反射信道、超短波微波对流层散射信道、超短波视距绕射信道。

    2022-11-29

  • 跟着卷卷龙一起学 Camera-- 黑电平 Blacklevel

    在camera的sensor中,将光信号通过CMOS管转化为电信号。图像的Buffer的颜色内容是由电信号决定的。图像每个像素的0~65535代表了不同的颜色。为了定义图像信号中的纯黑,这里我们需要定义一个纯黑色的参考电信号值,即黑电平,也被叫做OB值,optical Black。整

    2022-09-01

  • 结合实际聊聊电平转换电路(常用电平转换电路总结)

    电路小课堂时间到,今天我们要聊的是 电平转换电路

    2022-08-09

  • 元器件科普 | 为什么电感在直流电路中相当于短路?(附视频讲解)

    ​这其实也是电感“通直阻交”的特性,原理是一样的。即交流电通过电感时,会产生感应电流,阻碍交流电流过电感;但如果是直流电通过电感,不会产生感应电流,阻力几乎为0,直流电能顺利通过电感。

    2022-11-29

  • D 触发器 (D-FF) 详解

    D触发器的逻辑功能 D触发器的逻辑符号 把 CP 有效沿到来之前电路的状态称为现态,用表示。 把 CP 有效沿到来之后,电路所进入的新状态称为次态,用表示。 特性表 特性方程

    2023-02-04

发现更多内容

作业 - 认识产品经理

Geek_971380

产品经理训练营

岗位模型差异

王一凡

产品 0 期 第一次作业

小C同学

产品经理 极客大学认识产品经理

Dreamed Job?

顾远山

作业 极客大学产品经理训练营 Job Model

作业1

YING꯭YING

可恶的爬虫直接把生产机器全部爬挂了!

root

Java 爬虫 布隆过滤器 反爬

第一章 总结

青葵

学习笔记2

类别型特征

IT蜗壳-Tango

机器学习 七日更

DevSecOps如何提高应用程序安全性?

啸天

安全 DevSecOps 应用安全

极客产品训练营第一课作业

HaoJi

产品经理训练营

Windows DHCP最佳实践(二)

BigYoung

windows Windows Server 2012 R2 DHCP

「产品经理训练营」作业 01

🌟

产品经理训练营

智能对话系统产品经理岗位拆解

元二

产品训练营-第一课作业

释心

第一章作业

Kalman

产品经理 产品经理训练营

产品经理定位

让我思考一会儿

产品经理训练营第一周学习总结

月亮 😝

产品经理训练营--第一章作业

Lucas zhou

产品经理训练营

重学JS | 跨域的原因和解决方案

梁龙先森

大前端 编程语言 28天写作

【并发编程的艺术】JVM体系与内存模型

程序员架构进阶

Java 架构 并发编程 内存 28天写作

产品经理训练营 第一周作业

DB

产品经理训练营

产品经理训练营Week1作业

Mai

产品经理第0期训练营第一周作业提交

Krystal

Worktile 王涛的经营之道:7 年牵引式破局 | TGO 科技领袖三十人

李忠良

28天写作

认识产品经理-通过岗位模型了解自己的发展方向与空间20210119

WooBeyna

产品经理训练营第一课作业

Jobs

产品经理训练营

创业失败启示录|校园微生活之“极致宣传”

阿萌

28天写作 创业失败启示录 青城

【作业-01】认识产品经理

西西里奇

产品经理 产品经理训练营

一文讲弄懂什么是vlan、三层交换机、网关、DNS、子网掩码、MAC地址

第一周笔记

Ashley.

PM

作业一

清醒梦境

微机原理:锁存器的基本原理介绍_语言 & 开发_周澳_InfoQ精选文章