數(shù)字邏輯設計中鎖存器和觸發(fā)器的定義和比較

1、鎖存器和觸發(fā)器的定義和比較

鎖存器（latch）---對脈沖電平敏感，在時鐘脈沖的電平作用下改變狀態(tài)，當Gate輸入為高電平時，輸入D透明傳輸?shù)捷敵鯭；當Gate從高變低或者保持低電平時，輸出Q被鎖存保持不變。鎖存器是電平觸發(fā)的存儲器。

應用場合：數(shù)據(jù)有效遲后于時鐘信號有效。這意味著時鐘信號先到，數(shù)據(jù)信號后到。在某些運算器電路中有時采用鎖存器作為數(shù)據(jù)暫存器。

觸發(fā)器（flip-flop）---對脈沖邊沿敏感，其狀態(tài)只在時鐘脈沖的上升沿或下降沿的瞬間改變。當時鐘信號C上升沿時刻（或者下降沿時刻），輸入D被賦值到輸出Q，其他情況保持鎖存。觸發(fā)器是邊沿觸發(fā)的存儲器。

應用場合：時鐘有效遲后于數(shù)據(jù)有效。這意味著數(shù)據(jù)信號先建立，時鐘信號后建立。在CP上升沿時刻打入到寄存器。

比較：

1）、latch和flip-flop都是時序邏輯，所以輸出不但同當前的輸入相關還同上一時間的輸出相關；

2）、latch由電平觸發(fā)，異步控制。在使能信號有效時latch相當于通路，在使能信號無效時latch保持輸出狀態(tài)。觸發(fā)器由時鐘沿觸發(fā)，同步控制。所以說，觸發(fā)器是一個同步版鎖存器；

3）、FPGA主要有觸發(fā)器和查找表組成，沒有標準的latch單元，一個latch需要更多資源才能實現(xiàn)；

4）、一般的設計規(guī)則是：在絕大多數(shù)設計中避免產(chǎn)生latch。latch最大的危害在于不能過濾毛刺。這對于下一級電路是極其危險的。所以，只要能用D觸發(fā)器的地方，就不用latch；

5）、if語句或者case語句不全很容易產(chǎn)生latch。在RTL描述中，如果一個信號在一個條件的分支中被賦值，而不是在所有分支中被賦值，則該信號的前一個值就要被保留。

同步情況下（敏感列表時時鐘邊沿）用觸發(fā)器實現(xiàn)，保留到下一個時鐘邊沿為止，異步情況下（即敏感列表中是電平而非時鐘的邊沿）需要由鎖存器來實現(xiàn)，保留到下一個已列出的分支情況的電平有效為止。

2、鎖存器的有與無

推導出鎖存器的一般規(guī)則是：

1）、如果在電平觸發(fā)的always語句所有可能的執(zhí)行過程（如if/case語句）中變量沒有全部被賦值，就會產(chǎn)生鎖存器；

2）、如果在邊沿觸發(fā)的always語句所有的可執(zhí)行過程中變量沒有被全部復制，會產(chǎn)生觸發(fā)器；

3）、如果在always語句中變量在if/case的所有分支中都被賦值則綜合成組合邏輯；

always @ （Toggle）

case （Toggle） //synthesis full_case

2‘b01： NextToggle = 2’b10;

2‘b10： NextToggle = 2’b01;

endcase

always @ （Toggle）

case （Toggle）

2‘b01： NextToggle = 2’b10;

2‘b10： NextToggle = 2’b01;

endcase

第一種寫法用編譯命令synthesis full_case把case語句補全，效果和default語句或將case列舉出所有情況類似。

此時沒有鎖存器，只用兩個2輸入的LUT完成2輸入2輸出的邏輯功能，純粹的組合邏輯。

第二種寫法沒有將case的所有情況列舉出，就產(chǎn)生了鎖存器LD。

查看Xilinx的庫手冊，LD是透明鎖存器，當G使能的時候，Q輸出D的值；當G不使能的時候，Q保持上一狀態(tài)的值。

以下改用的時鐘的上調(diào)沿觸發(fā)，生成了兩個D觸發(fā)器，當時鐘上調(diào)沿來臨時用輸入端D更新輸出端Q的數(shù)據(jù)。

always @ （posedge clk）

case （Toggle）

2‘b01： NextToggle = 2’b10;

2‘b10： NextToggle = 2’b01;

endcase

這說明邊沿觸發(fā)的always塊中，即使if.。.else或者case沒寫全也不會出現(xiàn)鎖存器。