DFF的電路工作原理與ModelSim仿真

之前的理解

最近在做設(shè)計(jì)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)之前對(duì)DFF的理解有些模糊，直到有次在實(shí)踐中遇到了一些問(wèn)題，含糊其詞的也不能解決問(wèn)題，于是乎就把DFF理解透徹透徹，畢竟這可是時(shí)序電路的基本概念。

對(duì)于DFF，之前理解的，DFF在時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行對(duì)D端的數(shù)據(jù)采集，再下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿來(lái)臨，Q端輸出D端采集的數(shù)據(jù)。能這么理解，是離開(kāi)書(shū)本時(shí)間太長(zhǎng)了，又觀(guān)察到了ModelSim仿真波形的影響，這么理解只是在描述仿真波形的表征現(xiàn)象，并非根本的原理。比如，在Modelsim仿真中，若通過(guò)DFF將數(shù)據(jù)組進(jìn)行延時(shí)，用時(shí)鐘將寄存器進(jìn)行多個(gè)時(shí)鐘周期的同步，并帶有異步復(fù)位，對(duì)應(yīng)Verilog描述如下：

reg [7:0] data_d0, data_d1, data_d2;always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) begin    if ( !rst_n ) begin        data_d0 <= 8'b0;        data_d1 <= 8'b0;    end else begin        data_d0 <= data_in;        data_d1 <= data_d0;    endend

對(duì)應(yīng)仿真波形如下： 此時(shí)，時(shí)鐘上升沿和數(shù)據(jù)的變化沿都是對(duì)齊的，就產(chǎn)生了不正確的理解：通過(guò)Modelsim的wave窗口查看仿真波形的時(shí)候，如果將光標(biāo)打到時(shí)鐘的上升沿時(shí)候（比如心在光標(biāo)在Event 1時(shí)刻），對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)data_in應(yīng)該是從8‘h00->8‘h0’1，可是光標(biāo)處data_in的數(shù)值顯示為8’h01。這樣，我就理解成了在Even1時(shí)刻，時(shí)鐘的上升沿對(duì)data_in（值為8’h01）進(jìn)行捕獲（接入到寄存器data_d0的D端），在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿到來(lái)的時(shí)刻（Event2時(shí)刻），寄存器data_d0的Q端數(shù)據(jù)發(fā)生改變（值為8’h01）。上述理解完全是根據(jù)波形描述出來(lái)的，是不全面的，是非本源的，是錯(cuò)誤的。

正確的理解

正確的理解應(yīng)該從DFF本身出發(fā)，通過(guò)DFF的電路原理圖分析DFF的電路工作原理，了解時(shí)鐘上升沿之前和之內(nèi)部邏輯的如何變化，如何影響了從D端到Q端的數(shù)據(jù)輸出。

D鎖存器

在網(wǎng)上找到的很多電路圖講的都是D鎖存器，D鎖存器的電路為消除邏輯門(mén)控SR鎖存器不確定狀態(tài)，在電路的S和R輸入端連接一個(gè)非門(mén)（Inverter），從而保證了S和R同時(shí)為0的條件，參考下圖由與非門(mén)構(gòu)成的D鎖存器電路圖：

如果D信號(hào)在E=1期間發(fā)生變化，電路提供的信號(hào)路徑將使Q端信號(hào)跟隨D端變化。 在E由1跳變?yōu)?以后，鎖存器將鎖存跳變前瞬間D端的邏輯值，可以暫存1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。又因?yàn)橛蠭nverter的存在，SR鎖存器不會(huì)存在S&R==1的狀態(tài)，所以就有了D鎖存器的捕獲數(shù)據(jù)，E為0的時(shí)候會(huì)一直維持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)。此D鎖存器的功能表為：

D觸發(fā)器

觸發(fā)和觸發(fā)器——時(shí)鐘脈沖邊沿作用下的狀態(tài)刷新稱(chēng)為觸發(fā)，具有這種特性的存儲(chǔ)單元電路稱(chēng)為觸發(fā)器。D觸發(fā)器的電路圖如下（圖中的SR為了標(biāo)注有兩級(jí)SR鎖存器，方便邏輯推理）：

以上升沿觸發(fā)為例，進(jìn)一步分析D觸發(fā)器在上升沿捕獲數(shù)據(jù)，并維持鎖存的過(guò)程。當(dāng)D端為0，CLK為0時(shí)，此時(shí)第一級(jí)的D鎖存器輸出為0，第二級(jí)SR鎖存器處于保持狀態(tài)，詳情參考下圖：

若繼續(xù)保持D端為0，CLK變?yōu)?時(shí)，第一級(jí)D鎖存器處于保持狀態(tài)，第二級(jí)的SR鎖存器將上一次的D值傳遞到Q端輸出，詳情參考下圖：

若在D端數(shù)值發(fā)生改變?yōu)?，且CLK仍然為1，第一級(jí)的D鎖存器仍處于保持狀態(tài)，不會(huì)由于D端的變化而改變，更不會(huì)影響最后Q端的輸出。

若D端繼續(xù)保持為1，CLK轉(zhuǎn)換為0，此時(shí)第一級(jí)D鎖存器的輸出為D端的數(shù)據(jù)，Q端輸出仍為保持狀態(tài)。

若D端數(shù)據(jù)繼續(xù)保持為1，CLK轉(zhuǎn)換為高，第一級(jí)D鎖存器的結(jié)果就會(huì)輸出到Q端，Q端的值也就隨著CLK的上升沿，捕獲到了1，并進(jìn)行輸出到Q端；

從邏輯圖中，也可以看出DFF的數(shù)據(jù)捕獲和輸出都需要滿(mǎn)足一定的時(shí)間約束。比如：

• • 時(shí)鐘上升沿之前前后的數(shù)據(jù)要做夠穩(wěn)定，否則在時(shí)鐘跳變時(shí)刻，可能無(wú)法將其傳遞到Q端進(jìn)行輸出；

  • 時(shí)鐘上升沿捕獲數(shù)據(jù)之后，到Q端輸出也需要一定的時(shí)間，穩(wěn)定之后才能用于下一級(jí)工作；

DFF捕獲時(shí)鐘上升沿的D端數(shù)據(jù)，并在Q端輸出，一直維持到下一時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前。在此期間，D端的數(shù)據(jù)變化不會(huì)直接影響到Q端的輸出。

ModelSim仿真

將tb文件中的data_in輸入做5個(gè)單位的傳輸延時(shí)，仿真結(jié)果見(jiàn)下圖：

????????可以看出，在時(shí)鐘的上升沿前后數(shù)據(jù)是不發(fā)生變化的，對(duì)于寄存器做延時(shí)的時(shí)序理解為：

Event 1時(shí)刻：

• • 在Event 1時(shí)刻，時(shí)鐘上升沿之前data_in（值為8’h00），data_d0的D端為data_in（值為8’h00）;

  • 在Event 1時(shí)刻，時(shí)鐘上升沿之后data_in（值為8’h00），data_d0的Q端為data_in（值為8’h00）;所以在Event 1時(shí)刻，data_d0的Q端保持為8’h00不變；

Event 2時(shí)刻：

• • 在Event 2時(shí)刻，時(shí)鐘上升沿之后data_in（值為8’h01），data_d0的D端為data_in（值為8’h01）;
  • 在Event 2時(shí)刻，時(shí)鐘上升沿之后data_in（值為8’h01），data_d0的D端為data_in（值為8’h01）;所以在Event 2時(shí)刻，data_d0的Q端從8’h00變?yōu)?’h01;

Event 3時(shí)刻：

• • 在Event 3時(shí)刻，時(shí)鐘上升沿之后data_in（值為8’h02），data_d0的D端為data_in（值為8’h02）;
  • 在Event 3時(shí)刻，時(shí)鐘上升沿之后data_in（值為8’h02），data_d0的D端為data_in（值為8’h02）;所以在Even 3時(shí)刻，data_d0的Q端從8’h01變?yōu)?’h02;

可以看出在Event 1到Event 2一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，data_d0的數(shù)值保持為8’h00；Event 1到Event 2一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，data_d0的數(shù)值保持為8’h01；在時(shí)序上就表明了使用data_d0寄存器，通過(guò)clk對(duì)data_in進(jìn)行了1個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)。在Modelsim仿真中，若數(shù)據(jù)的變化沿與時(shí)鐘的上升沿對(duì)齊，cursor在時(shí)鐘上升沿時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)需要往后加入延時(shí)，才能與實(shí)際電路情況相符合。

總結(jié)

DFF捕獲時(shí)鐘上升沿的D端數(shù)據(jù)，并在Q端輸出，一直維持到下一時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前。在此期間，D端的數(shù)據(jù)變化不會(huì)直接影響到Q端的輸出。

審核編輯：湯梓紅