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。

寄存器，D觸發(fā)器和鎖存器都是數(shù)字電路中的重要組件，它們之間存在著密切的關(guān)系和明顯的區(qū)別。寄存器是一種重要的存儲(chǔ)單元，通常由觸發(fā)器組成，用于暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。寄存器的輸出端平時(shí)不隨輸入端的變化而變化，只有在時(shí)鐘有效時(shí)才將輸入端的數(shù)據(jù)送輸出端。

D觸發(fā)器是一種邊沿敏感的存儲(chǔ)單元，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)上升沿到來前保持不變。也就是說，D觸發(fā)器可以作為寄存器使用。

鎖存器與觸發(fā)器不同，它不在鎖存數(shù)據(jù)時(shí)，輸出端的信號(hào)隨輸入信號(hào)變化，就像信號(hào)通過一個(gè)緩沖器一樣；一旦鎖存信號(hào)起鎖存作用，則數(shù)據(jù)被鎖住，輸入信號(hào)不起作用。鎖存器一般由電平信號(hào)控制，屬于電平敏感型。其狀態(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），因此鎖存器不屬于寄存器。

總的來說，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)鎖存器可以構(gòu)建一個(gè)D觸發(fā)器；D觸發(fā)器屬于寄存器。這些設(shè)備由于其各自的特性和工作方式，決定了它們?cè)跀?shù)字電路中的不同應(yīng)用場(chǎng)合。

什么是鎖存器

鎖存器是一種電路元件，用于存儲(chǔ)和保持輸入信號(hào)的狀態(tài)。它通常由一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)或多個(gè)門電路組成。當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，鎖存器會(huì)將當(dāng)前狀態(tài)保存下來，并在下一個(gè)時(shí)鐘周期中輸出該狀態(tài)。

換句話說， 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：

鎖存器在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中有多種應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等。然而，在某些情況下，鎖存器可能會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)錯(cuò)誤或不穩(wěn)定的行為。

什么情況下會(huì)出現(xiàn)鎖存器

以下是一些可能導(dǎo)致鎖存器出現(xiàn)問題的情況：

1.競(jìng)爭(zhēng)條件：當(dāng)多個(gè)信號(hào)同時(shí)改變鎖存器的輸入時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件。這會(huì)導(dǎo)致鎖存器無法正確地存儲(chǔ)和輸出預(yù)期的狀態(tài)。

2.亞穩(wěn)態(tài)：在某些情況下，鎖存器的輸出可能會(huì)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，即亞穩(wěn)態(tài)。這可能會(huì)導(dǎo)致電路的誤操作或故障。

3.毛刺：當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生毛刺信號(hào)。這些毛刺信號(hào)可能會(huì)干擾鎖存器的正常工作，導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出。

4.時(shí)序問題：如果鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)與其他電路的時(shí)序不匹配，可能會(huì)導(dǎo)致電路的不穩(wěn)定行為或錯(cuò)誤。

鎖存器的危害

鎖存器的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.數(shù)據(jù)丟失：由于鎖存器只能存儲(chǔ)和輸出當(dāng)前狀態(tài)，如果輸入信號(hào)的變化被鎖存器忽略或丟失，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失或錯(cuò)誤。

2.競(jìng)爭(zhēng)條件：競(jìng)爭(zhēng)條件可能導(dǎo)致鎖存器無法正確地存儲(chǔ)和輸出預(yù)期的狀態(tài)，從而導(dǎo)致電路的錯(cuò)誤或不穩(wěn)定行為。

3.亞穩(wěn)態(tài)：亞穩(wěn)態(tài)可能導(dǎo)致電路的誤操作或故障，影響電路的穩(wěn)定性和可靠性。

4.時(shí)序問題：時(shí)序問題可能導(dǎo)致電路的不穩(wěn)定行為或錯(cuò)誤，影響電路的性能和可靠性。

數(shù)字IC設(shè)計(jì)中為什么要避免鎖存器

為了避免鎖存器的問題，數(shù)字IC設(shè)計(jì)中通常會(huì)采取以下措施：

1.使用同步電路：同步電路通過使用統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)來控制電路的操作，可以避免競(jìng)爭(zhēng)條件和時(shí)序問題。

2.引入延遲：通過在輸入信號(hào)路徑中引入適當(dāng)?shù)难舆t，可以確保鎖存器能夠正確地采樣和存儲(chǔ)輸入信號(hào)的變化。

3.使用觸發(fā)器：觸發(fā)器是一種具有自定時(shí)功能的鎖存器，它可以確保在正確的時(shí)間點(diǎn)存儲(chǔ)和輸出輸入信號(hào)的狀態(tài)。

4.進(jìn)行時(shí)序分析：通過對(duì)電路進(jìn)行時(shí)序分析，可以評(píng)估電路的穩(wěn)定性和可靠性，并采取相應(yīng)的措施來避免鎖存器的問題。

總之，鎖存器在數(shù)字IC設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但在某些情況下可能會(huì)出現(xiàn)問題。為了避免這些問題，設(shè)計(jì)人員需要了解鎖存器的工作原理和可能的危害，并采取相應(yīng)的措施來確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。