触发器和半导体存储电路

触发器

概述

所有软件算法都是在硬件基础上实现的

数据是怎么存在内存里的

如何去记忆一个电信号

触发器：能够存储1位值信号的基本单元电路

基本特性

• 具有两个自行保持的稳定状态，表示0/1
• 根据不同的输入信号可以置成1/0

触发器的作用：记录数值信号，如用8个触发器记录一个8位二进制数储存ASCII码代表字符

不仅取决于该时刻的输入，还和电路原来的状态有关

半导体存储器：一种能存储大量二值信息的半导体器件（硬盘、内存条）

性能指标：存储量、存取速度

电路结构特点：存储单元数目多，但器件的引脚数目有限 ——> 给每个存储单元编地址，与总线连接后才可传输

触发器的类型：

根据功能

• RS触发器
• JK触发器
• T触发器，T’触发器
• D触发器

根据原理

• 动态触发器（MOS管栅极输入电容上存储电荷来存储数据）
• 静态触发器（电路状态的自锁存储数据）

SR锁存器

又称基本RS触发器

电路结构和工作原理

对于一个或非门：Vo1 = (VI1 + A)'

当A=1时，输入VI1与输出无关，一定输出低电平

当A=1时，输入端变化引起输出端变化（输入位高，输出为低；输入为低，输出为高）

联合两个或非门，单个或非门的输出为另一个或非门的输入之一

VI1一开始为1，使得VO1为0，VO2为1

当VI1变为0，由于VO2为1，之前的状态仍然保持，不会跟随VI1改变而改变，输出不变

只有当VI2输入也改变时，这个状态才会被打破

• 此之谓记忆功能

或非门的RS触发器

两个输入端、两个输出端，在各自的输出端中牵出一根并联线去组成另一个或非门的输入端

Q为第一个或非门的输出端，Q'为第二个或非门的输出端：

当Q=1，Q'=0，称为触发器的1状态，记为Q=1

当Q=0，Q'=1，称为触发器的0状态，即为Q=0

初态（Qn）：触发器在接收触发信号之前的状态，也叫原态

次态：触发器在接收信号之后所建立的新的稳定状态，也叫未态

触发器的特性表（功能表）：含有状态变量的真值表

• 上一个状态的结果Qn可能是下一个状态的输入逻辑
• 即真值表的某一行与电路当前状态有关

S(D)	R(D)	Q(n)	Q(n+1)
0	0	0	0
0	0	0	1
1	0	0	1
1	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	1	0	0*（不定）
1	1	1	0*（不定）

保持功能：当输入都为零，下一状态保持上一状态值

置1功能：当S为1，R=0，无论之前什么状态，当前态均为1

• R=0说明置1信号有效

置0功能：当S为0，R=1，无论之前什么状态，当前态均为0

• R=1就说明置零信号有效

当S=1、R=1、Q(n)=0，其结果不定，取决于微观上S/R谁先变成1。为了避免这种不确定结果，我们禁用输入同为1

与非门的RS触发器

由与非门组成的基本RS触发器，更常用

低电平有效，其他与或非门基本无区别

R(D)'	S(D)'	Q(n+1)	Q(n+1)'	功能
0	0	不定	不定	不允许两个都有效
0	1	0	1	触发器置0
1	0	1	0	触发器置1
1	1	Q(n)（保持）	Q(n)	保持不变

R(D)'	S(D)'	Q(n+1)
0	0	不定
0	1	0
1	0	1
1	1	Q(n)

注意低电平有效，禁用R(D)' = S(D)' = 0

动作特点

在RS触发器中，输入信号直接加在输出门上，输入信号在全部作用时间里都能有效改变Q的状态

• 直接置位触发器
• 直接复位触发器

当两个输入端均有效时，我们将Q置1，将Q'同样置1，其余情况与上述真值表保持一致

• 注意要根据或非门和与非门判断有效的电平

触发器

电平触发的触发器

靠时间信号的高电平影响输入端功能，进而控制输出端

电路结构和工作原理

触发器和锁存器的区别在于增加了一个触发信号输入端，只有触发信号到来时，启动锁存器的功能

触发信号：时钟信号（CLOCK）

不仅仅需要出发输入信号，还要求按照一定的节拍工作，为此要增加一个时钟控制端CP

• 一串周期和脉宽一定的矩形脉冲
• 最简单的时钟脉冲控制端：同步触发器

同步RS触发器：只有当CP=1时，输入端R/S才起作用，若CP=0，R/S将被封锁成0，对后面的储存器不产生影响（始终保持）

• 有时CP也叫CLK（CLOCK）
• 同步RS触发器

电平触发器特性表

CP	S	R	Q(n)	Q(n+1)
0	x	x	0	0
0	x	x	1	1
1	0	0	0	0
1	0	0	1	1
1	1	0	0	1
1	1	0	1	1
1	0	1	1	0
1	0	1	0	0
1	1	1	0	1*
1	1	1	1	1*

就是在RS触发器的基础上加了一个CP控制器，CP为1时RS触发器起效，遵循上上述表，否则R/S都锁在0，输出端保持

在这里不定的情况更容易出现，如本来R/S均为1，但CP为0，二者不起效，突然CP=1，R/S均为1，必然会出现不定

• 必须要对S/R取值加强约束
• 这里的CP就是时钟信号，周期性的置1和复0

动作特点

基本RS触发器，同步RS触发器：

在CP=1的全部时间里S/R的变化都将直接引起触发器输出端状态的变化

当CP=0时，触发器输出端保持原来状态不变

D触发器

S/R输入端通过一个D输入，S=D，R=D'

• 如果没有特殊说明，D触发器指的是D型边沿触发器
• 为了区分这里的叫：D型锁存器

这自然消除了不定的情况，R/S相反，不可能同为1，其实就表示了真值表的置0和置1功能，当CP=0时为保持，即锁存功能

边沿触发的触发器

我们希望在时钟信号的上升/下降时对触发器进行状态改变，而不是整个高电平时间均生效

为了提高可靠性，增强抗干扰能力

D锁存器的边沿触发器

用两个D锁存器组成边沿触发器

共用一个CLK（CP）控制器，但二者反向，即第一个D锁存器CLK为1时，第二个必为0

• CLK1 = CLK'
• CLK2 = CLK

第一个D锁存器的输出G1为第二个锁存器的输入D，第二个锁存器的输出G2为边沿触发器的输出Q

• 当CP为0时，从触发器被封锁，输入S只作用主触发器，总输出保持不变
• 当CP从0转为1时，即上升沿这一时刻，G1的值一定是确定的（由S和R决定）
• 在CP=1了，主触发器被封锁，输入S不起作用，G1始终不变，从触发器正常工作，输出Q由G1的值决定（G1为第一个锁存器的输出，同时作为从触发器的输入）
• 当CP由1转为0时，这一时刻，G2正常输出，之后马上转为CP为1的状态，完成一次轮回

整个轮回中，只有在CP的上升沿，整个边沿触发器的输出Q才会发生变化，此之谓边沿触发器，即在边沿触发

CMOS传输门的边沿触发器

CMOS传输门组成的边沿触发器

同样用同一个CLK作为控制端，CMOS控制电路C1=CLK', C2=CLK

两个CMOS管串连，第一个管的输出为第二个管的输入

• 当C1 = 1即CLK=0，TG1形成导电沟道导通，TG2断开；TG3断开，TG4导通。反馈通路接通，自锁，输出Q保持
• 当CLK上升时，TG1断，TG2通；TG3通，TG4断。此时反馈不通，输出Q=G1（第一个CMOS管的输出）
• 当CLK下降时，TG1通，TG2断；TG3断，TG4通。此时反馈接通，输出Q保持

真值表

CLK	D（输入）	Q（第一个输出）	Q*（总输出）
X	X	X	Q
上升	0	X	0
上升	1	X	1

只有上升沿Q*才会发生改变，下降沿不导通

动作特点

Q*变化只发生在上升沿/下降沿

Q*仅取决于上升沿到达时输入的状态，与前后D状态无关

• 就像高考前后考多少无关

脉冲触发的触发器

主从触发器

RS主从触发器

基本RS触发器 ——> 同步RS触发器 ——> 主从结构RS触发器

主从结构RS触发器：两个同步RS触发相连

第一个为主触发器，第二个为从触发器（两个触发器结构完全一样），使用同一个时钟信号（主使用CLK，从使用CLK‘）

• 基本有了边缘触发器的功能

第一个触发器的输出Qm为第二个锁存器的输入，第二个触发器的输出Q为边沿触发器的输出

有CLK1=CP, CLK2=CP'，主触发器输入电平S,R，从触发器的输入为主触发器的输出Qm和CLK2

• 当CP为1时，从触发器被封锁，输入S只作用主触发器，输出保持不变
• 当CP从1转为0时，下降沿这一时刻，Qm的值一定是确定的（由S和R决定）
• 在CP=0了，主触发器被封锁，输入S不起作用，Qm始终不变，从触发器正常工作，输出Q由Qm的值决定（Qm为第一个锁存器的输出，同时作为从触发器的输入）
• 当CP由0转为1时，这一时刻，Q正常输出，之后马上转为CP为1的状态，完成一次轮回

整个轮回中，只有在CP的下降沿，整个边沿触发器的输出Q才会发生变化，此之谓边沿触发器，即在边沿触发

真值表

在除下降沿之外，总输出电平在其余时间均保持不变

当处于上升沿，主触发器的输入（R/S）输出（Qm）和同步触发器保持一致：置零、置一、不变

当处于下降沿，输入（Qm/Qm'）输出（Q）和同步触发器一致，其中输入Qm->S, Qm'->R

• 这里实际上Qm=1则Q置一，Qm=0则Q置零

优点：克服了CP=1期间触发器输出状态可能多次翻转

缺点：

• 本身是同步RS触发器，在CP=1期间，Qm状态会随S/R的变化而多次改变
• 当S/R同为1，触发器状态不定

主从JK触发器

典型的边沿触发器

输入从R/S变为J/K：

• 输入J比S多了一个输入为从触发器的输出Q
• 输入K比R多了个一个输入为从触发器的输出Q'
• 输入CP不变

特性表：上面的主从触发器基本保持一致

关键之处在于：当输入J/K同时为1时

• 不为不定，而为上个状态的反状态，即1->0, 0->1
• 这个操作叫做翻转

具有多输入端的主从JK触发器

• J变为J1 J2（并的结果）
• K变为K1 K2

动作特点

在CP=1的阶段，接收输入端（J/K, S/R）正常工作，接收输入，从触发器不动

在CP下降沿到来时从触发器按照主触发器翻转

对于主从RS触发器，在整个CP=1的阶段，输入S/R的变化都可以造成主触发器输出的变化

对于JK触发器，在整个CP=1的阶段，主触发器输出的只有可能发生一次变化，一旦翻转了就不会翻回原来的状态，即J/K只会引起一次主触发器输出改变

• 对于JK触发器，一旦Qm翻转过后，就已经可以确定这一周期Q的输出状态

触发器按逻辑功能的分类

触发器的逻辑功能：指触发器的次态和现态以及输入信号之间在稳定状态下的逻辑关系

逻辑关系可以用特性表、特性方程或状态转换图给出

按逻辑功能的不同特点，通常将时钟控制的触发器分为

• RS触发器
• JK触发器
• T触发器
• D触发器

描述触发器的状态转换关系及转换条件的图形成为状态图，也叫状态（有点像一个有限自动机）

电路结构形式的不同，带来了各不相同的逻辑功能

• 二者是两个不同的概念
• 同一逻辑功能的触发器可以用不同的电路结构（与非门、或非门、CMOS传输门）实现
• 用同一电路结构形式也可以形成不同逻辑功能的触发器

RS触发器

化简约束得：

• 特性方程：Q(n+1) = S + R'Q(n)
• 约束条件：SR=0（只有RS有约束条件）

RS触发器的状态图

JK触发器

特性方程：Q(n+1) = JQ(n)' + K'Q(n)

驱动表：使输出变化输入驱动

Q(n)	Q(n+1)	J	K
0 ——>	0	0	x
0 ——>	1	1	x
1 ——>	0	x	1
1 ——>	1	x	0

状态图：状态只有两个1, 0，由上述表驱动

T触发器

T：翻转

具有保持和翻转功能的电路，T=0时保持，T=1时翻转

J/K触发器的两种情况：J+K=0, JK=1

特性表：

特性方程：Q(n+1) = TQ(n)' + T'Q(n)

D触发器

特性方程：Q(n+1) = D

当前输出只与当前输入有关，和原先状态无关

比较

RS和JK触发器只有当输入端均为1时不同

T触发器只有保持和翻转的功能，为JK/RS触发器的一部分

D触发器输出永远等同于输入

• JK的逻辑功能最强，包含了RS、T触发器所有的逻辑功能
• 可以用JK触发器当作RS、T触发器使用

触发器的动态特性

建立时间

保持时间

传输延迟时间

最高时钟频率

• 触发器的电路结构和动作特点

• 触发器的波形图、特性方程

半导体存储电路

寄存器

暂存，就是一个多位的触发器

由触发器构成：4、6、16、32位（bit位）触发器

用于寄存一组二值代码，N位寄存器由N个触发器组成，可存放一组N位二值代码

只要求其中每个触发器可置1、置0（T触发器就没有这种功能，只能保持和翻转）

存储器

内存条、固态、U盘等

半导体存储器：一种能存储大量二值信息的半导体器件

性能指标：存储容量和存取速度

电路结构特点：存储单元数目多（一个单元可存1bit），而器件的引脚有限 ——> 在存储器中每个存储单元编了一个地址，只有被输入代码指定的那个地址才能与公共的输入/输出引脚接通，进行数据的读写

种类

按存取功能分类：

• 只读存储器：ROM（Read Only Memory）

  在正常工作状态下只能从中读，不能写或修改，掉电后信息不丢失

  • ROM：最原始的只读
  • PROM：可一次性写，不能改
  • EPROM：可擦除，但用的紫外线
  • EEPROM：用电擦除
  • Flash Memory：闪存，现在的U盘属于这种

• 随机存储器：RAM（Random Access Memory）

  一开始是顺序存储的，读文件只能顺序读，最多是快进或者后退，不能切歌，可随时读写，掉电后信息丢失

  内存条一大半是RAM，一小部分是ROM，存储了牌子啊等信息

按制造工艺分类：

• 双极型
• MOS型

随机存储器

优点：读写方便，使用灵活

缺点：数据易失性

静态随机存储器

SRAM

主要由静态触发器构成，靠触发器的自动保持功能存储数据

SRAM速度比DRAM要快，也更贵，多用于计算机的缓存中，DRAM常用于内存中

• 缓存通常是几MB
• 内存条通常是几GB

六管N沟道增强型MOS管组成的一个SRAM存储单元

动态随机存储器

DRAM

存储单元利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理制成

电荷不能长时间存储，容易损坏器件，需要定期刷新

利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理，更多用于内存条

只读存储器

ROM

掩模ROM：数据在制作时已经确定，无法更改

• 如海尔品牌的电冰箱和生产日期的一次性写入（烧入）

可编程ROM（PROM）：其中的数据可以根据自己的需要写入，但一经写入就不能再修改

• 你可以自己去写数据，不用丢给生产厂家烧进去

可擦除的可编程ROM（RPROM）：其中的数据不但可以由用户根据自己的需要写入，并且能擦除重写，具有更大的使用灵活性

• 一开始是紫外线擦除，需要在紫外线环境下照射数个小时，后来是电擦除

掩模ROM

数据在制作时”固化“到芯片里，无法更改

二极管门阵列、三态门、MOS管

例子：二极管门阵列组成的ROM单元

出厂时已经固定，不能更改，适合大量生产，简单便宜，非易失性

可编程ROM

总体结构与掩模ROM一样，但存储单元不同，多加了一根熔丝，想更改时将熔丝熔断（1变为0），一次性编程，不能改写

可擦除可编程ROM

紫外线擦除EPROM ——> 电擦除EEPROM ——> Flash Memory

存储器容量扩展

位扩展和字扩展

• 当字数（存储单元的个数）够用但位数（每个存储单元能够记录的二进制位）不够时，使用位扩展

  例子：用8片1024x1位并联 ——> 1024x8位的RAM

• 当位数够用但字数不够时，使用字扩展

  例子：用四片256x8位 ——> 1024x8位RAM

默认的扩展方式为子扩展，即存储单元不够

考试：256x4位转2048x8位需要多少片

存储器实现组合逻辑函数

组合逻辑函数 ——> 逻辑组合电路

组合逻辑函数组成

• 38译码器
• 数据选择器
• 存储器

对于一个ROM，两个地址线A1,A0，四个输出D0,D1,D2,D3

A1	A0	D0	D1	D2	D3
0	0	0	1	0	1
0	1	1	0	1	1
1	0	0	1	1	0
1	1	1	1	0	0

具有n位地址，m位数据的ROM，可产生一组Y<m个任何形式的n变量组合逻辑函数

可以由4位输入地址，8位输出数据的ROM来实现译码电路

实现过程与38译码器、数据选择器基本一致，拿到一组多输出逻辑函数后，化成最小项和形式，根据最小项和写出输出的真值表

Summary

半导体存储器的电路结构：

• 地址译码器
• 存储矩阵
• 输入/输出电路

半导体存储器分类

• 只读
  • 掩模
  • 可编程
  • 可擦除可编程
  • 闪存
• 随机
  • 静态
  • 动态

扩展

• 字扩展
• 位扩展