什么是时序电路?
这次讲解的「时序电路」和「组合电路」不同。「时序电路」的输出不仅受现在输入状态的影响,还要受过去输入状态的影响。
那么,如何才能将过去的输入状态反映到现在的输出上呢?「时序电路」到底需要些什么呢?人类总是根据过去的经验,决定现在的行动,这时我们需要的就是—记忆。同样,「时序电路」也需要这样的功能。这种能够实现人类记忆功能的元器件就是触发器。
按结构和功能,触发器可以分为RS型、JK型、D型和T型。在这里,我们只讲解比较有代表性的类型,RS型和D型。
触发器就象一个跷跷板
图1:RS触发器的电路图
跷跷板的两端是输出Q和Q#。
左右的2个人是R君和S君,表示输入。坐上跷跷板表示逻辑高H状态,没有在跷跷板上表示逻辑低L状态。
(每次只允许一个人坐,两人不能同时坐。)
图2:跷跷板的初始状态(Q=L、Q#=H、R=L、S=L)
当S君坐上跷跷板(S=H)时,输出Q就变为H(Q#变成L)(图3 )
图3:S君坐在跷跷板上的状态(Q=H、Q#=L、R=L、S=H)
图4:S君从跷跷板上下来的状态(Q=H、Q#=L、R=L、S=L)
用真值表表示RS触发器的工作过程的话,就象图5所示一样。表中Q0和Q0#表示的是输入变化以前的输出。
RS触发器是最简单的触发器。主要用于防止机械式开关的误操作。
按时钟变化记忆的D触发器
图6:D触发器
Q0:输入变化前的输出
x:H或L都可以
↑:L向H的转移
图7:D触发器的真值表
图8:D触发器的初始状态 (CK=L、D=H、Q=L、Q#=H)
图9:D触发器的CK处于上升状态(D=H、Q=H、Q#=L)
这种动作的触发器被称为D触发器,具有在时钟上升瞬间,保持(记忆)输入状态的功能,是一种时钟同步时序电路。D触发器是时序电路的基本元件,用途广泛。D触发器的多级组合,可以做成移位寄存器、分频电路等。也可用于CPU内部的寄存器等。
SRAM是触发器构成的吗?
尽管我们这样说,实际上CPU中内置的存储器或寄存器并非使用的是RS触发器这样的逻辑门。由于使用逻辑门,会使电路规模变大,所以,一般使用4到6个FET,再经过优化,构成存储器的1位(图A)。
图A:SRAM的基本电路
时钟同步电路的必要性
在「组合电路」中,微小的信号传输迟延,都有可能造成输出毛刺。尽管毛刺是一个极其短暂的信号,但也可以引起逻辑电路的误动作。为了回避这个问题,就要使用时钟同步电路。
图10:时钟同步电路的思路