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触发器

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R1, R2 = 1 kΩ, R3, R4 = 10 kΩ
触发器電路圖,取自Eccles與Jordan在1918年時申請專利的檔案。

触发器英语:Flip-flop, FF),中國大陸譯作「触发器」、臺灣及香港譯作「正反器」,是一种有两种稳态的用于储存元件,可記錄二进位制数字信号「1」和「0」。触发器是一种雙穩態多諧振盪器bistable multivibrator)。该电路可以通过施加在一个或多个控制输入端的信号来改变状态,并会有1个或2个输出。触发器是构成时序逻辑电路以及各种复杂数字系统的基本逻辑单元。触发器和锁存器是在计算机、通讯和许多其他类型的系统中使用的数字电子系统的基本组成部分。

触发器的線路圖由逻辑门組合而成,其結構均由SR锁存器衍生而來(广义的触发器包括锁存器)。触发器可以处理輸入、輸出信號和時脈之间的相互影响。这里的触发器特指flip-flop,flip-flop一词主要是指具有两个状态相互翻转,例如编程语言中使用flip-flop buffer(翻译作双缓冲)。

触发器的種類[编辑]

正反器可以分成幾種常見的類型: SR (設置-重置,"set-reset"), D (資料或延遲,"data" or "delay"[1]), T(反轉,"toggle"),和JK。 以上類型的正反器皆可用特徵方程,以現有的輸入、輸出訊號(Q),導出下個(即下個時鐘脈衝的)輸出(Qnext)。

RS触发器[编辑]

或非所组成的RS触发器

基本RS触发器又称SR锁存器,是触发器中最简单的一种,也是各种其他类型触发器的基本组成部分。两个与非门或非门的输入端输出端进行交叉耦合或首尾相接,即可构成一个基本RS触发器。

當R與S皆為低電位,回授會讓Q與Q(Q的反相)保持於一個固定的狀態。當S("Set")為高電位,R("Reset")為低電位時,輸出Q會被強制設定為高電位;相反的,當S為低電位,R為高電位時,輸出Q會被強制設定為低電位。

SR閂鎖運算[2]
狀態轉移表 激發表
S R Qnext 動作 Q Qnext S R
0 0 Q 保持 0 0 0 X
0 1 0 重置 0 1 1 0
1 0 1 設置 1 0 0 1
1 1 X 不允許的輸入 1 1 X 0

特徵方程为Q_{next} =  S + \overline{R}Q,且RS=0。

D触发器[编辑]

D正反器符號。> 是時脈輸入,D是資料輸入,Q是暫存資料輸出,Q'則是Q的反相值,S為1時強迫Q值為1,R為1時強迫Q值為0,以下圖例同

D触发器有一個輸入、一個輸出和一個時脈輸入,當時脈由0轉為1時,輸出的值會和輸入的值相等。此類触发器可用於防止因為噪声所帶來的錯誤,以及通过管道增加處理資料的數量。

Q_{next} = D

真值表如下:

D CK Q Qnext
0 X 0
1 X 1
X 0 0 0
X 0 1 1

JK触发器[编辑]

JK正反器符號。J、K是資料輸入
JK正反器的時序圖

JK 触发器設有兩個輸入,其輸出的值由以下的算式來決定。

Q_{next} =  \overline{K}Q + J\overline{Q}

JK触发器和触发器中最基本的RS触发器结构相似,其区别在于,RS触发器不允许R与S同时为1,而JK触发器允许J与K同时为1。当J与K同时变为1的同时,輸出的值状态会反转。也就是说,原来是0的话,变成1;原来是1的话,变成0。 對應表如下:

JK正反器運算[3]
狀態轉移表 激發表
J K 動作 Qnext Q Qnext 動作 J K
0 0 保持 Q 0 0 不變 0 X
0 1 重置 0 0 1 設置 1 X
1 0 設置 1 1 0 重置 X 1
1 1 反轉 Q 1 1 不變 X 0

T触发器[编辑]

T正反器符號。T是資料輸入

T触发器(Toggle Flip-Flop,or Trigger Flip-Flop)設有一個輸入和輸出,當時脈由0轉為1時,如果T和Q不相同時,其輸出值會是1。输入端T为1的时候,输出端的状态Q发生反转;输入端T为0的时候,输出端的状态Q保持不变。把JK触发器的J和K輸入點連接在一起,即構成一個T触发器。

T正反器運算[3]
狀態轉移表 激發表
T Q Q_{\rm next} 動作 Q Q_{\rm next} T 動作
0 0 0 保持(無上升沿 0 0 0 不變
0 1 1 保持(無上升沿 1 1 0 不變
1 0 1 反轉 0 1 1 反相
1 1 0 反轉 1 0 1 反相

同步触发器[编辑]

在一个较为复杂的数字系统中,需要多个触发器翻转时间同步,这时候需要附加门控电路而构成同步触发器。

主从触发器[编辑]

为了防止空翻现象对触发器实际工作的影响,主从结构触发器被研制出来。

主从RS触发器[编辑]

它由两个同步RS触发器以及一个反相器所构成。

主从JK触发器[编辑]

由于主从触发器对输入信号有所约束,又开发出了主从JK触发器。

時序考量[编辑]

  • 建立時間(setup time)是指數據在被採樣時鐘邊沿採樣到之,需保持穩定的最小時間。
  • 維持時間(hold time)是指數據在被採樣時鐘邊沿採樣到之,需保持穩定的最小時間。

在正反器的數據手冊一般會標示元件的建立時間(tsu)及維持時間(th),一般會是以奈秒(ns)為單位,有些先進的正反器可以到數百皮秒(ps)。若資料及控制輸入從採樣時鐘邊沿之前就維持定值,且時間超過建立時間,在採樣時鐘邊沿之後就維持定值,且時間也超過維持時間,可以避免正反器的亞穩態英语metastability現象。

参见[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ Shiva, Sajjan G. Computer design and architecture 3rd. CRC Press. 2000: 81. ISBN 978-0-8247-0368-4. 
  2. ^ Roth, Charles H. Jr. "Latches and Flip-Flops." Fundamentals of Logic Design. Boston: PWS, 1995. Print.
  3. ^ 3.0 3.1 Mano, M. Morris; Kime, Charles R. Logic and Computer Design Fundamentals, 3rd Edition. Upper Saddle River, NJ, USA: Pearson Education International. 2004: pg283. ISBN 0-13-191165-1. 
  • Hwang, Enoch. Digital Logic and Microprocessor Design with VHDL. Thomson. 2006. ISBN 0-534-46593-5. 
  • Salman, E., Dasdan, A., Taraporevala, F., Kucukcakar, K., Friedman, E. Pessimism Reduction in Static Timing Analysis Using Interdependent Setup and Hold Times. Proc. of Int. Symp. on Quality Electronic Design (ISQED): 159–164. 2006.  (This paper explains the interdependence of setup time, hold time, and clock-to-q delay and shows how to use it for pessimism reduction in static timing analysis.)
  • Schulz, Klaus-E. Ideal pulse circuit without RC-combination and non-clocked JK flip-flops (look discussion) (PDF). 2007. 
  • Michael Keating, Pierre Breacaud. 片上系统——可重用设计方法学(第二版)(英文名:Reuse Methodology Manual for System-on-a-Chip Designs, Third Edition). 北京: 电子工业出版社. 2004. ISBN 7-5053-9338-3. 

相關[编辑]

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