數(shù)字IC設(shè)計(jì)中為什么要避免鎖存器呢？

前言

數(shù)字IC設(shè)計(jì)中為什么要避免鎖存器(Latches)？

上學(xué)時(shí)，老師說(shuō)判斷語(yǔ)句要把條件寫全， 不然會(huì)生成鎖存器，做項(xiàng)目時(shí)又說(shuō)多比特寄存器信號(hào)的賦值一定要加if條件，不讓出現(xiàn)else的賦值 。就很矛盾，本文主要講下什么是鎖存器，什么情況下會(huì)出現(xiàn)鎖存器，以及鎖存器的危害。

基本邏輯門電路圖形符號(hào)

零、鎖存器，D觸發(fā)器和寄存器的關(guān)系與區(qū)別

前言

數(shù)字IC設(shè)計(jì)里，常會(huì)出現(xiàn)鎖存器，D觸發(fā)器和寄存器，很多人（比如我）老傻傻分不清，搞不懂他們的區(qū)別是什么。這篇博客主要解釋鎖存器，D觸發(fā)器和寄存器的工作原理以及他們的關(guān)系和區(qū)別。

一、鎖存器

鎖存器(Latch)是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)【1】。換句話說(shuō)，如果一個(gè)模塊的只有在特定電平的作用下，才會(huì)將輸入信息更新到他的輸出引腳，否則該模塊的輸出將保持不變，那么這個(gè)模塊就可以被看成是一個(gè)鎖存器。

舉個(gè)例子：

二、鎖存器構(gòu)建D觸發(fā)器

如圖是一個(gè)D觸發(fā)器的示意圖，當(dāng)CLK輸入一個(gè)上升沿時(shí)，D端的輸入被傳輸?shù)絈。而CLK未輸入上升沿時(shí)，Q保持不變。

如圖所示，當(dāng)CLK = 0時(shí)，Q1=D；當(dāng)CLK=1時(shí)，Q=Q1；也就是說(shuō)，當(dāng)CLK上升沿來(lái)臨時(shí)，D信號(hào)被傳輸?shù)絈端，因此這兩個(gè)鎖存器組成了一個(gè)D觸發(fā)器；

三、什么是寄存器？

寄存器，是集成電路中非常重要的一種存儲(chǔ)單元，通常由觸發(fā)器組成 ， 寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件 ，它們可用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)和地址【2】。也就是說(shuō)， 擁有緩存數(shù)據(jù)功能的，都可以被稱為寄存器 ，而寄存器常被用于CPU中，因此屬于邊沿信號(hào)敏感器件。

D觸發(fā)器具有緩存數(shù)據(jù)的功能 ，當(dāng)CLK輸入上升沿時(shí)，D被傳輸?shù)絈，之后Q將在CLK下一個(gè)上升沿到來(lái)前保持不變。因此D觸發(fā)器可以作為寄存器使用，即（D觸發(fā)器∈寄存器），鎖存器狀態(tài)的變化和特定電平有關(guān)（高電平和低電平），而寄存器的狀態(tài)變化往往需要邊沿信號(hào)（上升沿和下降沿），因此鎖存器notin寄存器，由于兩個(gè)鎖存器可以構(gòu)建一個(gè)邊沿信號(hào)敏感的觸發(fā)器（如上節(jié)所示），因此鎖存器可以搭建寄存器。

四、總結(jié)

• 鎖存器為電平敏感器件，而D觸發(fā)器和寄存器為邊沿信號(hào)敏感器件；
• 兩個(gè)鎖存器可以搭建一個(gè)D觸發(fā)器；
• D觸發(fā)器屬于寄存器；

一、什么是鎖存器？

鎖存器(Latch)是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路 ，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)【1】。

換句話說(shuō)， 如果一個(gè)模塊的只有在特定電平的作用下，才會(huì)將輸入信息更新到他的輸出引腳 ，否則該模塊的輸出將保持不變，那么這個(gè)模塊就可以被看成是一個(gè)鎖存器。

常見的S-R寄存器的結(jié)構(gòu)如下所示：

真值表為

由于S，R為00時(shí)，可以使輸出Q保持不變，從而達(dá)到用組合邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的目的；

二、什么情況下會(huì)出現(xiàn)鎖存器？

時(shí)序邏輯由于寄存器的存在 ，因此不需要鎖存器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)； 而組合邏輯的條件未給全時(shí)則會(huì)出現(xiàn)鎖存器 ；

always@(*)    if(vld)        a = b;

這時(shí)由于沒(méi)有寫vld為0的情況，因此不會(huì)例化成二選一的選擇器，而是會(huì)例化出鎖存器，達(dá)到當(dāng)vld為0時(shí)，保持?jǐn)?shù)據(jù)不變的存儲(chǔ)功能；

三、為什么要避免出現(xiàn)鎖存器？

鎖存器有以下缺點(diǎn)：

• 不能異步復(fù)位，在上電后處于不確定的狀態(tài)。
• 鎖存器會(huì)使靜態(tài)時(shí)序分析變得非常復(fù)雜；
• 如果是FPGA上的搭建電路的話，由于FPGA中基本的單元是由查找表和觸發(fā)器組成的，若生成鎖存器反而需要更多的資源；
• 鎖存器對(duì)毛刺敏感，會(huì)造成電路的不穩(wěn)定

例化成選擇器就能解決這個(gè)問(wèn)題嗎？