数字电路基础---触发器

       触发器（Flip-Flop）也是数字电路中的一种具有记忆功能的逻辑元件。触发器对脉冲边沿敏感的存储单元电路，它只在触发脉冲的上升沿（或下降沿）瞬间改变其状态。在数字电路中可以记录二进制数字信号“0”和“1”。

1、简介

        根据逻辑功能，触发器一般包括 RS 触发器、JK 触发器、D 触发器、T 触发器和 T’触发器。

        实际使用中，我们一般使用 D 触发器，下面我们就以 D 触发器为例，先讲解 D 触发器是如何构成的。在给出 D 触发器的电路图之前，我们先来看下 D 锁存器的逻辑符号，如下图所示。

       D 锁存器的电路结构还是比较复杂的，为了简化起见，我们一般使用右面的图示作为 D 锁存器的逻辑符号。

下面我们来看下 D 触发器的构成。

       从 D 触发器的电路图中我们可以看出，该电路是由两个相同的 D 锁存器以及两个非门连接而成的，图中的 F1 和 F2 就是 D 锁存器的电路符号，F1 为主锁存器，F2 为从锁存器，由于主锁存器的输出信号 Q1 就是从锁存器的输入信号，因而造成了两个锁存器的主从关系，这两个锁存器的控制信号都由外部时钟信号 CLK 提供。

1.1、D 触发器是如何工作的

       下面我们来分析 D 触发器是如何工作的。当 CLK=0 时，CLK 经过非门后直接作为 F1 的控制信号，那么此时 F1 的控制信号为 1，F1 被选通，处于工作状态，如果现在输入信号 D 为 1 的话，它经过 F1，F1 的输出 Q1 将为 1，这里的 Q1，不仅是 F1 的输出信号，也同时是 F2 的输入信号，不过现在 F2 的控制信号为 0，F2 被锁存了，处于保持状态，输入信号 D 没有办法直接改变输出 Q 的状态，这是前半拍的工作情况，也就是说，输入信号先存入主锁存器中，而不直接影响输出 Q 的状态。下面我们再来看后半拍，外部的控制信号 CLK 由 0 变为 1 了，这个 1，经过非门后直接作为 F1 的控制信号，那么此时 F1 的控制信号为 0，主锁存器 F1 就被封锁了，它的输出 Q1 将保持在当前的状态，即使现在输入信号 D 再发生改变，Q1 的值也不再受影响了。而 F2 的控制信号 CLK 此时为 1，F2 处于工作状态，Q1 将会作为 F2 这个从锁存器的输入信号，直接影响到输出信号 Q 的状态。Q1 为 1，那么根据 D 锁存器的逻辑规律，输出的 Q 将为 1，Q 非将为 0。这就是后半拍的工作情况，在后半拍里我们才能实现整个电路状态的改变，因此从上面的分析中我们就可以看出，在 CLK 信号由 0 变为 1 这样的一个变化周期内，触发器的输出状态只可能改变一次。

       通过 D 锁存器和 D 触发器的学习，可能有些同学已经发现了，D 锁存器与 D 触发器的逻辑功能其实是相同的，只不过它们的触发方式有所不同。接下来我们通过将 D 触发器的波形图与前面 D 锁存器的波形图进行比较，来看一看，它们的触发方式不同在哪里。

       大家先看 D 触发器的波形图，D 触发器是在控制信号 CLK 为 0 时，才会接收输入信号 D 的值，并将这个值锁存起来，当控制信号 CLK 变为 1 时，输出信号 Q 才会被改变。那么 D 触发器，其实就是在 CLK 这个时钟信号由 0 变为 1 的这个边沿进行触发的，通常我们就将这种触发方式称为边沿触发，通过这种边沿触发方式的 D 触发器我们也将它称为边沿 D 触发器。

       D 锁存器的触发方式是电平触发，和我们刚刚讲的边沿触发是有所不同的。这种不同是由于锁存器和触发器的电路结构不同造成的。这里需要注意的是，由于 D 锁存器的功能和 D 触发器的功能是一 样的，所以在编写代码时很容易把 D 锁存器当成 D 触发器来使用，这种情况我们是要避免的，锁存器对电路的危害我们在锁存器章节已有过描述。

       D 触发器的基础知识已经讲完了，我们前面讲的所有内容其实都是为边沿触发器做铺垫。在组合电路中我们知道，与或非门是组合电路的核心知识，没有搞清楚与或非，就看不懂组合逻辑电路，在时序电路中，边沿触发器就是时序电路的核心知识，如果不懂边沿触发器，那么也就看不懂时序电路，后续讲解的寄存器和计数器都是用这些边沿触发器组合而成的。

2、实验任务

使用 Verilog 语言设计一个触发器电路。（只要能用触发器的地方， 就不用锁存器。）

3、程序设计

触发器电路一般需要有时钟，复位信号，输入和输出，由此我们写出如下代码。

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/06/19 10:43:55
// Design Name: 
// Module Name: flip_flop
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//
//实验任务
//使用 Verilog 语言设计一个触发器电路。（只要能用触发器的地方， 就不用锁存器。）

//触发器电路一般需要有时钟，复位信号，输入和输出.
module flip_flop(
    input         clk,   // system clock 50Mhz on board
    input         rst_n, // system rst, low active 
    input         a, 
    output reg    y     // output signal
    );

//******************************************************
//**       main code
//******************************************************
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (rst_n == 1'b0)
        y <= 1'b0 ;
    else
        y <= a ;
end

endmodule

我们使用 Vivado 的 RTL ANALYSIS 中的 Schematic（Quartus II 综合后也可以看到电路结构）来看下综合的电路结构。

从上图可以看出，这个触发器有 clk 输入信号，图上标识出 reg 的名字，可以看出这个电路就是一个触发器。

下面我们编写一个 testbech 测试电路，通过仿真来看下触发器的波形。

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/06/19 10:56:16
// Design Name: 
// Module Name: tb_flip_flop
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//


module tb_flip_flop();

reg        sys_clk;
reg        sys_rst_n;

reg        a;
wire       y;

initial begin
    sys_clk = 1'b0;
    sys_rst_n = 1'b0;
    // 初始化 a 为 0
    a = 1'b0;
    
    #200
    sys_rst_n = 1'b1;
    
    #100
    // 让 a 为 1
    a = 1'b1;
    #60
    // 让 a 为 0
    a = 1'b0;
end

always #10 sys_clk = ~sys_clk;

flip_flop u_flip_flop(
    .clk         (sys_clk     ),
    .rst_n       (sys_rst_n   ),
    .a           (a           ),
    .y           (y           )
    );

endmodule

4、仿真验证

       测试程序在 Modelsim 或者其他仿真工具（Xilinx 的 Vivado 软件也有仿真功能）运行后的波形如下显示，可以看出，当复位撤销（复位信号低有效）之后，当 a 为 1 之后，在下一个时钟上升沿之后，y 就输出为 1，当 a 为 0 之后，下一个时钟上升沿之后，y 就输出为 0，可以看出寄触发器的采样都是在时钟上升沿进行的，其他时候触发器是保持之前采样的信号。