鎖存器是具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)的時序邏輯電路,即它是雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。鎖存器有一個反饋路徑來保留信息。因此,鎖存器可以是存儲設(shè)備。只要設(shè)備處于開機狀態(tài),鎖存器就可以存儲一位信息。當(dāng)使能啟用時,鎖存器會在輸入更改時立即更改存儲的信息,即它們是電平觸發(fā)設(shè)備。當(dāng)使能信號打開時,它會持續(xù)對輸入進行采樣。
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,通常兩個輸入都是低電平,該電路由任一輸入上的瞬時高電平觸發(fā)。
在Active – Low鎖存電路的情況下,通常兩個輸入都為高電平,該電路由任一輸入上的瞬時低電平觸發(fā)。
鎖存器主要特性
鎖存器是時序電路中的基本構(gòu)建元素。鎖存器沒有任何時鐘信號,即它們是異步時序電路。
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)隨時改變其輸出。
使能后,鎖存器的輸出會持續(xù)受到其輸入的影響,即當(dāng)輸入改變時輸出會立即改變。禁用時,鎖存器的狀態(tài)保持不變,即它會記住以前的值。時鐘或使能信號用作控制信號。
鎖存器不斷檢查所有輸入,并在啟用時相應(yīng)地更改其輸出。
SR鎖存器
其實,可以使用靜態(tài)門作為基本構(gòu)建塊來構(gòu)建一個簡單的鎖存器,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)。第一個或非門的輸出是P = 1。這與R = 0一起被饋送到第二個或非門,因此第二個門的輸出是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,因為Q = 1被反饋給第一個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)輸出始終是互補的。當(dāng)S和R都等于1時,P = 0和Q = 0,這與互補條件相矛盾。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,以強調(diào)柵極之間的對稱性。
在該電路中,當(dāng)S=1時,它將輸出Q'設(shè)置'為 1,當(dāng)輸入R=1時,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“邏輯電路的兩個輸入同時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)備嘗試同時執(zhí)行兩個操作(即同時更改兩個輸入的狀態(tài))時,會出現(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,鎖存器都是即時的,即當(dāng)輸入發(fā)生變化時,輸出會立即發(fā)生變化。但對于許多應(yīng)用來說,最好有一個隔離期,即使輸入發(fā)生變化,輸出也不會發(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(使能或時鐘或門)來實現(xiàn)。如果使能(或時鐘或門)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,反向SR鎖存器變?yōu)殚T控SR鎖存器。當(dāng)使能(或時鐘)為高時,鎖存器被稱為啟用狀態(tài),即輸出響應(yīng)輸入。當(dāng)使能(或時鐘)為低電平時,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)是存儲數(shù)據(jù)的簡單鎖存器之一,它也被稱為透明鎖存器。一個簡單的D鎖存器可以由兩個NAND門構(gòu)成。
當(dāng)S = R = 1時發(fā)生的SR鎖存器中的競態(tài)條件可以在D鎖存器中避免,因為R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)時鐘或使能為高電平(邏輯 1)時,輸出會鎖存D輸入上的任何內(nèi)容。當(dāng)使能或時鐘為低電平(邏輯 0)時,最后一個使能高電平的D輸入將是輸出。
這個鎖存電路永遠(yuǎn)不會遇到“競爭”情況,因為單個D輸入被反轉(zhuǎn)以提供給兩個輸入。因此,沒有機會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,因為可以使用與非門來獲得反相值。上述電路需要進行一些修改,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方面:
它們是基本的1位存儲設(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
鎖存器的優(yōu)點包括以下幾方面內(nèi)容:
速度更快,因為它不需要等待時鐘信號,最常用于高速設(shè)計。
需要更少的電力。
基于鎖存器的設(shè)計具有小芯片尺寸。
主要優(yōu)點是“借時”。其中,如果某項操作未在規(guī)定時間內(nèi)完成,則從其他操作時間借用執(zhí)行該操作所需的時間。
鎖存器的缺點
鎖存器的缺點包括以下幾方面內(nèi)容:
鎖存器不太可預(yù)測,因為有更多機會影響競爭條件。
電平敏感設(shè)備,因此亞穩(wěn)態(tài)的機會更大。
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)不會隨輸入端的狀態(tài)變化而變化,僅在有鎖存信號時輸入的狀態(tài)才被保存到輸出,直到下一個鎖存信號到來時才改變。
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