鎖存器的主要特性、種類及應(yīng)用

鎖存器是具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)序邏輯電路，即它是雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。鎖存器有一個(gè)反饋路徑來保留信息。因此，鎖存器可以是存儲(chǔ)設(shè)備。只要設(shè)備處于開機(jī)狀態(tài)，鎖存器就可以存儲(chǔ)一位信息。當(dāng)使能啟用時(shí)，鎖存器會(huì)在輸入更改時(shí)立即更改存儲(chǔ)的信息，即它們是電平觸發(fā)設(shè)備。當(dāng)使能信號打開時(shí)，它會(huì)持續(xù)對輸入進(jìn)行采樣。

取決于觸發(fā)信號的高電平或低電平，鎖存電路可以在兩種狀態(tài)下工作：有效 - 高電平或者有效 - 低電平。

在Active – High鎖存電路的情況下，通常兩個(gè)輸入都是低電平，該電路由任一輸入上的瞬時(shí)高電平觸發(fā)。

在Active – Low鎖存電路的情況下，通常兩個(gè)輸入都為高電平，該電路由任一輸入上的瞬時(shí)低電平觸發(fā)。

鎖存器主要特性

鎖存器是時(shí)序電路中的基本構(gòu)建元素。鎖存器沒有任何時(shí)鐘信號，即它們是異步時(shí)序電路。

鎖存器由靜態(tài)門組成。

鎖存器是一種雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，即它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)并且可以在這些狀態(tài)之間切換。

鎖存器將具有來自輸出的反饋路徑。因此，它們使用輸入信號的先前和當(dāng)前狀態(tài)隨時(shí)改變其輸出。

使能后，鎖存器的輸出會(huì)持續(xù)受到其輸入的影響，即當(dāng)輸入改變時(shí)輸出會(huì)立即改變。禁用時(shí)，鎖存器的狀態(tài)保持不變，即它會(huì)記住以前的值。時(shí)鐘或使能信號用作控制信號。

鎖存器不斷檢查所有輸入，并在啟用時(shí)相應(yīng)地更改其輸出。

SR鎖存器

其實(shí)，可以使用靜態(tài)門作為基本構(gòu)建塊來構(gòu)建一個(gè)簡單的鎖存器，并且可以通過向NOR門電路引入反饋來構(gòu)建具有兩個(gè)NOR門。

帶反饋的簡單NOR門邏輯電路如下圖所示：

這里，輸入S和R都是0 (S = R = 0)。第一個(gè)或非門的輸出是P = 1。這與R = 0一起被饋送到第二個(gè)或非門，因此第二個(gè)門的輸出是Q = 0。由于電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，P = 1，Q = 0，如果使 S = 1，則 P = 0，Q = 1，如下圖所示：

這也是一種穩(wěn)定的狀態(tài)，如果S為0，則沒有變化，因?yàn)镼 = 1被反饋給第一個(gè)NOR，P仍然保持為0，如下圖所示。

如果R變?yōu)?，則Q變?yōu)?，這將使P變回1，如下圖所示：

如果R為0，那么就沒有變化，這樣就到達(dá)了最開始的地方。

由于輸出不僅取決于當(dāng)前的輸入，還取決于過去的輸入序列，因此該電路被稱為具有記憶性。如果不允許輸入條件S = R = 1，則穩(wěn)定狀態(tài)輸出始終是互補(bǔ)的。當(dāng)S和R都等于1時(shí)，P = 0和Q = 0，這與互補(bǔ)條件相矛盾。因此，輸入條件 S = R = 1被認(rèn)為是不允許的。鎖存電路總是畫成交叉耦合形式，以強(qiáng)調(diào)柵極之間的對稱性。

在該電路中，當(dāng)S=1時(shí)，它將輸出Q'設(shè)置'為 1，當(dāng)輸入R=1時(shí)，它將輸出Q '重置'為 0。在 S = R = 1的限制下，該電路稱為設(shè)置 – 復(fù)位鎖存器(SR鎖存器)。

關(guān)于競態(tài)條件

在邏輯電路中，競態(tài)條件是指“邏輯電路的兩個(gè)輸入同時(shí)變化并使輸出暫定的情況”。輸入相互競爭以改變輸出，它通常發(fā)生在將輸出作為電路反饋輸入的設(shè)備中。當(dāng)設(shè)備嘗試同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)操作(即同時(shí)更改兩個(gè)輸入的狀態(tài))時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這種情況。有幾種方法可以避免條件競爭，例如使用邊沿觸發(fā)或使用主從觸發(fā)器。

SR鎖存器狀態(tài)表

SR鎖存器狀態(tài)表(真值表)提供有關(guān)電路狀態(tài)的信息，由于時(shí)序電路的輸出取決于當(dāng)前和先前的狀態(tài)，因此這些以稱為狀態(tài)表的表格形式表示，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和其他輸入顯示下一個(gè)狀態(tài)。

SR鎖存器的狀態(tài)表如下所示：

門控SR鎖存器

通常情況下，鎖存器都是即時(shí)的，即當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，輸出會(huì)立即發(fā)生變化。但對于許多應(yīng)用來說，最好有一個(gè)隔離期，即使輸入發(fā)生變化，輸出也不會(huì)發(fā)生變化。在此期間，輸出被稱為真正“鎖定”。這可以通過使用額外的輸入(使能或時(shí)鐘或門)來實(shí)現(xiàn)。如果使能(或時(shí)鐘或門)信號未置位，則忽略輸入并將輸出鎖存到先前的值。為了使用這個(gè)額外的信號，應(yīng)該添加額外的邏輯，這些電路稱為門控SR鎖存器。

門控SR鎖存器可以通過兩種方式制成：通過將第二級與門添加到SR鎖存器或通過將第二級與非門添加到反向SR鎖存器。

由NOR門構(gòu)成的門控SR鎖存器的電路圖如下所示：

由NAND門構(gòu)成的門控SR鎖存器的電路圖如下所示：

當(dāng)NAND門將輸入反相時(shí)，反向SR鎖存器變?yōu)殚T控SR鎖存器。當(dāng)使能(或時(shí)鐘)為高時(shí)，鎖存器被稱為啟用狀態(tài)，即輸出響應(yīng)輸入。當(dāng)使能(或時(shí)鐘)為低電平時(shí)，鎖存器被禁用并保持在該狀態(tài)，直到使能啟用。

門控SR鎖存器的符號如下圖所示：

門控SR鎖存器的真值表如下圖所示：

D鎖存器

數(shù)據(jù)鎖存器或延遲鎖存器(D鎖存器)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的簡單鎖存器之一，它也被稱為透明鎖存器。一個(gè)簡單的D鎖存器可以由兩個(gè)NAND門構(gòu)成。

當(dāng)S = R = 1時(shí)發(fā)生的SR鎖存器中的競態(tài)條件可以在D鎖存器中避免，因?yàn)镽輸入被重命名為D的反轉(zhuǎn)S替換。因此沒有非法或禁止的輸入。在 D鎖存器中，Q始終為D。

D鎖存器的符號如下所示：

這些簡單的D鎖存器不常用，但門控D鎖存器很常見。簡單D鎖存器的真值表如下所示。

門控D鎖存器

通過修改門控SR鎖存器可以輕松構(gòu)建門控D鎖存器。對門控SR鎖存器的唯一修改是必須將R輸入更改為反相S。由NOR SR鎖存器形成的門控鎖存器如下所示。

當(dāng)時(shí)鐘或使能為高電平(邏輯 1)時(shí)，輸出會(huì)鎖存D輸入上的任何內(nèi)容。當(dāng)使能或時(shí)鐘為低電平(邏輯 0)時(shí)，最后一個(gè)使能高電平的D輸入將是輸出。

這個(gè)鎖存電路永遠(yuǎn)不會(huì)遇到“競爭”情況，因?yàn)閱蝹€(gè)D輸入被反轉(zhuǎn)以提供給兩個(gè)輸入。因此，沒有機(jī)會(huì)獲得相同的輸入條件。所以D鎖存電路可以安全地用于任何電路。

門控D鎖存器的符號如下所示：

與門控NOR SR鎖存器類似，門控D鎖存器也可以由門控NAND SR鎖存器構(gòu)成。門控NAND SR鎖存器的門控D鎖存器電路如下所示。

當(dāng)然，可以避免使用反相器，因?yàn)榭梢允褂门c非門來獲得反相值。上述電路需要進(jìn)行一些修改，得到的電路如下所示：

門控D鎖存器的真值表(或狀態(tài)表)如下所示：

鎖存器的應(yīng)用

鎖存器的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

它們是基本的1位存儲(chǔ)設(shè)備。

D鎖存器通常用作異步系統(tǒng)中的I/O端口。

數(shù)據(jù)鎖存器有時(shí)用于同步兩相系統(tǒng)中以減少晶體管數(shù)量。

鎖存器的優(yōu)點(diǎn)

鎖存器的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾方面內(nèi)容：

速度更快，因?yàn)樗恍枰却龝r(shí)鐘信號，最常用于高速設(shè)計(jì)。

需要更少的電力。

基于鎖存器的設(shè)計(jì)具有小芯片尺寸。

主要優(yōu)點(diǎn)是“借時(shí)”。其中，如果某項(xiàng)操作未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，則從其他操作時(shí)間借用執(zhí)行該操作所需的時(shí)間。

鎖存器的缺點(diǎn)

鎖存器的缺點(diǎn)包括以下幾方面內(nèi)容：

鎖存器不太可預(yù)測，因?yàn)橛懈鄼C(jī)會(huì)影響競爭條件。

電平敏感設(shè)備，因此亞穩(wěn)態(tài)的機(jī)會(huì)更大。

由于鎖存器電路的電平敏感特性，所以分析鎖存器電路很困難。

總結(jié)

簡單來說，鎖存器，就是數(shù)字電路中的一種具有記憶功能的邏輯元件，可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。

需要注意的是，鎖存器輸出端的狀態(tài)不會(huì)隨輸入端的狀態(tài)變化而變化，僅在有鎖存信號時(shí)輸入的狀態(tài)才被保存到輸出，直到下一個(gè)鎖存信號到來時(shí)才改變。