3.2 锁存器、寄存器和移位寄存器
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锁存器、触发器、寄存器和缓冲器一、锁存器锁存器(latch)---对脉冲电平敏感,在时钟脉冲的电平作用下改变状态。
锁存器是电平触发的存储单元,数据存储的动作取决于输入时钟(或者使能)信号的电平值,仅当锁存器处于使能状态时,输出才会随着数据输入发生变化。
(简单地说,它有两个输入,分别是一个有效信号EN,一个输入数据信号DATA_IN,它有一个输出Q,它的功能就是在EN有效的时候把DATA_IN的值传给Q,也就是锁存的过程)。
锁存器不同于触发器,它不在锁存数据时,输出端的信号随输入信号变化,就像信号通过一个缓冲器一样;一旦锁存信号起锁存作用,则数据被锁住,输入信号不起作用。
锁存器也称为透明锁存器,指的是不锁存时输出对于输入是透明的。
应用场合:数据有效迟后于时钟信号有效。
这意味着时钟信号先到,数据信号后到。
在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。
缺点:时序分析较困难。
不要锁存器的原因有二:1、锁存器容易产生毛刺,2、锁存器在ASIC(专用集成电路)设计中应该说比ff(触发器)要简单,但是在FPGA的资源中,大部分器件没有锁存器这个东西,所以需要用一个逻辑门和ff来组成锁存器,这样就浪费了资源。
(用CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程逻辑阵列)来进行ASIC设计是最为流行的方式之一)优点:面积小。
锁存器比FF快,所以用在地址锁存是很合适的,不过一定要保证所有的latch信号源的质量,锁存器在CPU设计中很常见,正是由于它的应用使得CPU的速度比外部IO部件逻辑快许多。
latch完成同一个功能所需要的门较触发器要少,所以在asic中用的较多。
二、触发器触发器(Flip-Flop,简写为FF),也叫双稳态门,又称双稳态触发器。
是一种可以在两种状态下运行的数字逻辑电路。
触发器一直保持它们的状态,直到它们收到输入脉冲,又称为触发。
当收到输入脉冲时,触发器输出就会根据规则改变状态,然后保持这种状态直到收到另一个触发。
基于EWB的电路设计和仿真――寄存器与移位寄存器部分前言在现今电子设计领域中,EDA设计和仿真是一个非常重要的环节。
在众多的EDA设计和仿真软件中,EWB软件以其强大的仿真设计应用功能,在各高校电信类专业电子电路的仿真和设计中得到了较为广泛的应用。
EWB软件及其相关的应用对提高学生的仿真设计能力,更新设计理念有较大的好处及帮助。
EWB(电子工作平台)软件,最突出的特点是用户界面友好,各类器件和集成芯片丰富,尤其是其直观的虚拟仪表是EWB软件的一大特色。
它采用直观的图形界面创建电路:在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台,绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取。
EWB软件所包含的虚拟仪表有:示波器,万用表,函数发生器,波特图图示仪,失真度分析仪,频谱分析仪,逻辑分析仪,网络分析仪等。
这些仪器的使用使仿真分析的操作更符合平时实验的习惯。
本次毕业设计主要是利用EWB软件来仿真和设计寄存器和移位寄存器电路,并通过硬件实验调试来验证理论和仿真结果。
1 EWB软件的简介1.1 EWB软件的概述随着电子技术和计算机技术的发展,电子产品已与计算机紧密相连,电子产品的智能化日益完善,电路的集成度越来越高,而产品的更新周期却越来越短。
电子设计自动化(EDA)技术,使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。
EDA是在计算机辅助设计(CAD)技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。
与早期的CAD软件相比,EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快,而且操作界面友善,有良好的数据开放性和互换性。
电子工作平台Electronics Workbench (EWB)(现称为MultiSim) 软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件,它具有这样一些特点:(1)软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似,可以实时显示测量结果。
配合学习'液晶屏逻辑驱动电路原理、电路分析及故障检修'的预备知识:郝铭博客–平板电视维修技术学习学习液晶屏逻辑驱动电路原理的必备的预备知识:一、触发器:触发器是逻辑电路的基础,种类很多,用处也不同。
常见的触发器有:RS触发器、同步RS触发器、D触发器、单稳态触发器和施密特触发器等。
为了理解我们此文介绍的液晶屏逻辑电路原理,这里重点以框图的形式简单的介绍“D 触发器”。
D触发器:D触发器又称为延迟触发器,其输出状态的改变依赖于时钟脉冲的触发,即在时钟脉冲边沿的触发下,数据由输入端传递到输出端。
D触发器也是最常用的触发器之一。
图6.1图6.1所示;是一个 D 触发器简单的框图;它有两个输入端(左边和上面)和一个输出端(右边);左边的输入端是数据输入端;上面的输入端是触发脉冲输入端(控制端);右边是输出端。
D触发器的简单工作过程:图6.2及图6.3所示;图6.2图6.3在D触发器的“数据输入端”给一个数据信号STV,此时;当上面的“触发脉冲输入端”没有信号输入时;数据信号STV 就停留在“数据输入端”,图6.2所示。
如果此时,在上面的“触发脉冲输入端”输入一个脉冲信号CKV,则在脉冲信号CKV的前上升沿的触发下;数据信号STV由输入端迅速传递到输出端,图6.3所示。
电路的特点:(1)D触发器在“数据输入端”有数据信号STV输入;“触发脉冲输入端”无触发脉冲的状态下:D触发器没有传递信号的动作(D触发器没有“搬运”动作)“数据输出端”没有信号输出,此时输出端为零电平。
(2)D触发器在“数据输入端”无数据信号STV输入;“触发脉冲输入端”有触发脉冲触发的状态下:D触发器有传递信号的动作(D触发器工作;有“搬运”动作)但是“数据输出端”没有信号输出(因为输入端没有信号可以传递),此时输出端为零电平。
(3)D触发器在“数据输入端”有数据信号输入;“触发脉冲输入端”有触发脉冲触发的状态下:D触发器有传递信号的动作(D触发器工作;有“搬运”动作)“数据输出端”有信号输出(因为输入端有信号可以传递),此时原输入端的数据信号被传递到输出端。
锁存器的作用在LED和数码管显示方面,要维持一个数据的显示,往往要持续的快速的刷新。
尤其是在四段八位数码管等这些要选通的显示设备上。
在人类能够接受的刷新频率之内,大概每三十毫秒就要刷新一次。
这就大大占用了处理器的处理时间,消耗了处理器的处理能力,还浪费了处理器的功耗。
锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。
当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后,锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。
这样在数码管的显示内容不变之前,处理器的处理时间和IO引脚便可以释放。
可以看出,处理器处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候,这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。
而处理器在处理完后可以有更多的时间来执行其他的任务。
这就是锁存器在LED和数码管显示方面的作用:节省了宝贵的MCU时间。
锁存器和缓冲器的作用和区别锁存器就是把当前的状态锁存起来,使CPU送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间锁存后状态不再发生变化,直到解除锁定。
还有些芯片具有锁存器,比如芯片74LS244就具有锁存的功能,它可以通过把一个引脚置高后,输出就会保持现有的状态,直到把该引脚清0后才能继续变化。
缓冲寄存器又称缓冲器,它分输入缓冲器和输出缓冲器两种。
前者的作用是将外设送来的数据暂时存放,以便处理器将它取走;后者的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据。
有了数控缓冲器,就可以使高速工作的CPU与慢速工作的外设起协调和缓冲作用,实现数据传送的同步。
由于缓冲器接在数据总线上,故必须具有三态输出功能。
电信设备,在数据传输中,用于弥补不同数据处理速率速度差距的存储装置叫做缓冲器。
把数据存放到缓冲器中的技术叫缓冲。
一般来说,当收、发数据双方的工作速度匹配时,这里的缓冲器可以用不带锁存结构的电路来实现。
而当收、发数据双方的工作速度不匹配,就要用带锁存结构的电路来实现了,(否则,会出现数据丢失)你可以参阅一下《脉冲与数字电路》2.三态门和锁存器有什么区别三态门具有…1‟,…0‟,…Z‟三态,用于器件间信号隔离,当需要隔离的时候就置本器件为…Z‟态,那么其他器件的信号就不会对本器件内数据构成影响,例如一条数据总线上连接有两片RAM 芯片(甲和乙),甲在输出的时候,乙一定要置输出为…Z‟态,否则数据总线上的数据将是甲和乙输出做“OR”运算的结果。
5.3寄存器和移位寄存器5.3.1寄存器寄存器用于寄存一组二值代码,一个触发器能存储一位二值代码,所以用n个触发器组成的寄存器能储存一组n位二值代码。
图5-3-l所示是由边沿D触发器组成的4位寄存器74LSl75的逻辑电路图,其输出状态仅取决于CP上升沿到达时刻的输入状态。
5.3.2锁存器由同步D触发器组成的寄存器,称为锁存器。
图5-3-2所示是双二位锁存器74LS75的逻辑电路图。
时钟信号端接入锁存信号,锁存信号没到来时,输出状态随输入状态的改变而变化(相当于输出直接接到输入端,即所谓“透明”),当锁存信号到达时,锁存器输出状态保持锁存信号跳变时的输出状态。
寄存器和锁存器虽然都能暂存数码,但是由于采用了不同触发方式的触发器,其适用范围是不同的。
5.3.3移位寄存器移位寄存器不但具有寄存器的功能——可以暂存数码,还可以在移位脉冲的作用下数码依次左移或右移。
无论左移还是右移都是相对于电路结构而言的。
1.单向移存器图5-3-3所示为由4个边沿D触发器组成的移位寄存器。
触发器间接移位方式串接,即每个触发器的输出端依次接到下一个触发器的输入端。
假定输人信号D为串行数码,依次为1101,移位寄存器的初始状态QoQ1Q2Q3=0000,第一个移位脉冲(时钟脉冲)作用下,数值1存人Fo,Fo的原有Qo(0)移至Fl,依次右移,即Q O Q l Q2Q3=1000;在第二个移位脉冲作用下,数值0存入Fo,依次右移,有Q O Q l Q2Q3=0100。
单向移位寄存器的状态转换表,如表5-3-1所示。
经4个CP触发,与CP同步的串行数码“1101”,就由FO输入端全部移人移存器。
这时“1101”码可以从Q O Q l Q2Q3端并行输出;从而实现了将串行码(时间先后码)转换成并行码(空间位置码)的串/并转换功能,即串入一并出功能。
当需要串行输出时,则以Q3为串行输出端,再经4个移位脉冲,移存器中存入的4位数码“1101”可由Q3端全部移出(输出),实现串入一串出功能,从而达到对串行码延时的目的。
寄存器与锁存器的区别
¾触发器:能够存储一位二值信息的基本单元电路称为“触发器”。
¾寄存器:在实际的数字系统中,通常把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器。
由于触发器有记忆功能,因此利用触发器可以方便地构成寄存器。
由于一个触发器能够存储一位二进制码,所以把n个触发器的时钟端口连接起来就能构成一个存储n位二进制码的寄存器。
¾锁存器:一位D触发器只能传送或存储一位数据,而在实际工作中往往希望一次传送或存储多位数据。
为此可把多个D触发器的时钟输入端口CP连接起来,用一个公共的控制信号来控制,而各个数据端口仍然是各自独立地接收数据。
这样所构成的能一次传送或存储多位数据的电路就称为“锁存器”。
区别:从寄存数据的角度来年,寄存器和锁存器的功能是相同的;它们的区别在于寄存器是同步时钟控制,而锁存器是电平信号控制。
可见,寄存器和锁存器具有不同的应用场合,取决于控制方式以及控制信号和数据之间的时间关系:若数据有效一定滞后于控制信号有效,则只能使用锁存器;数据提前于控制信号而到达并且要求同步操作,则可用寄存器来存放数据。