在電子學中，觸發(fā)器（Flip-Flop）或鎖存器（latch）是具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)并可用于存儲狀態(tài)信息的電路，專業(yè)術(shù)語雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（多諧振蕩器是一種電子電路，用于實現(xiàn)各種簡單的兩態(tài)設備，例如張弛振蕩器、定時器和觸發(fā)器，bistable multivibrator）。該電路可以通過施加到一個或多個控制輸入的信號來改變狀態(tài)，并將具有一個或兩個輸出。它是時序邏輯中的基本存儲元素。觸發(fā)器和鎖存器是計算機、通信和許多其他類型系統(tǒng)中使用的數(shù)字電子系統(tǒng)的基本組成部分。

觸發(fā)器的線路圖由邏輯門組合而成，其結(jié)構(gòu)均由SR鎖存器派生而來（廣義的觸發(fā)器包括鎖存器）。觸發(fā)器可以處理輸入、輸出信號和時序脈波（CK）之間的相互影響。這里的觸發(fā)器特指flip-flop，flip-flop一詞主要是指具有兩個狀態(tài)相互翻轉(zhuǎn)，例如編程語言中使用flip-flop buffer（翻譯作雙緩沖）

觸發(fā)器和鎖存器用作數(shù)據(jù)存儲元件。觸發(fā)器是一種存儲單個位（二進制位）數(shù)據(jù)的設備；它的兩個狀態(tài)之一代表“一”，另一個代表“零”。這種數(shù)據(jù)存儲可用于存儲狀態(tài)，這種電路在電子學中被描述為時序邏輯。在有限狀態(tài)機中使用時，輸出和下一個狀態(tài)不僅取決于其當前輸入，還取決于其當前狀態(tài)（因此也取決于先前的輸入）。它還可用于脈沖計數(shù)，以及將可變定時輸入信號與某個參考定時信號同步。

觸發(fā)器可以是電平觸發(fā)（異步、透明或不透明）或邊沿觸發(fā)（同步或時鐘）。觸發(fā)器一詞歷來泛指電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)電路，它們使用門存儲單個數(shù)據(jù)位。最近，一些作者保留術(shù)語“觸發(fā)器”專門用于討論時鐘電路。簡單的通常稱為透明閂鎖。[1] [2]使用這個術(shù)語，電平敏感觸發(fā)器稱為透明鎖存器，而邊沿觸發(fā)觸發(fā)器簡稱為觸發(fā)器。使用任一術(shù)語，術(shù)語“觸發(fā)器”指的是存儲單個數(shù)據(jù)位的設備，但術(shù)語“鎖存器”也可以指使用單個觸發(fā)器存儲任意數(shù)量的數(shù)據(jù)位的設備。術(shù)語“邊緣觸發(fā)”和“電平觸發(fā)”可用于避免歧義。[3]

當啟用電平觸發(fā)鎖存器時，它變得透明，但邊沿觸發(fā)觸發(fā)器的輸出僅在單一類型的時鐘邊沿（正向或負向）上改變。

觸發(fā)器發(fā)展歷史

來自 Eccles 和 Jordan 1918 年專利的觸發(fā)器原理圖，一個被繪制為具有正反饋路徑的級聯(lián)放大器，另一個被繪制為對稱交叉耦合對1918 年，英國物理學家s William Eccles 和 F. W. Jordan發(fā)明了第一臺電子觸發(fā)器。它最初被稱為Eccles-Jordan 觸發(fā)電路，由兩個有源元件（真空管）組成。該設計用于 1943 年的英國Colossus 密碼破譯計算機 ，即使在引入集成電路之后，這種電路及其晶體管版本在計算機中也很常見。早期的觸發(fā)器被稱為觸發(fā)電路或多諧振蕩器。

根據(jù)美國噴氣推進實驗室（ Jet Propulsion Laboratory）的工程師 PL Lindley 的說法，下面詳述的觸發(fā)器類型（SR、D、T、JK）首先在 1954 年由 Montgomery Phister 的加州大學洛杉磯分校計算機設計課程中討論，然后出現(xiàn)在他的《數(shù)字計算機的邏輯設計》一書。Lindley 當時在 Eldred Nelson 手下的 Hughes Aircraft 工作，他創(chuàng)造了術(shù)語 JK 來表示當兩個輸入都打開時會改變狀態(tài)的觸發(fā)器（邏輯上的“1”）。其他名字是菲斯特創(chuàng)造的。它們與下面給出的一些定義略有不同。在設計邏輯系統(tǒng)時，Nelson 將以下字母分配給觸發(fā)器輸入：#1：A & B，#2：C & D，#3：E & F，#4：G & H，#5：J & K. Nelson在 1953 年提交的專利申請中使用了符號“ j -input”和“ k -input”。

基于雙極結(jié)型晶體管的傳統(tǒng)（簡單）觸發(fā)器電路觸發(fā)器可以是簡單的（透明的或異步的）或同步的。在硬件描述語言(HDL)的上下文中，簡單的語言通常被描述為鎖存器，而時鐘控制的語言被描述為觸發(fā)器。

簡單的觸發(fā)器可以圍繞一對交叉耦合的反相元件構(gòu)建：真空管、雙極晶體管、場效應晶體管、反相器和反相邏輯門都已用于實際電路。

時鐘設備是專門為同步系統(tǒng)設計的；此類設備會忽略其輸入，除非在專用時鐘信號（稱為時鐘、脈沖或選通）的轉(zhuǎn)換中。時鐘使觸發(fā)器根據(jù)轉(zhuǎn)換時輸入信號的值改變或保持其輸出信號。一些觸發(fā)器在時鐘的上升沿改變輸出，另一些在下降沿改變輸出。

由于初級放大級是反相的，因此可以將兩個級連續(xù)連接（作為級聯(lián)）以形成所需的同相放大器。在這種配置中，每個放大器可以被視為另一個反相放大器的有源反相反饋網(wǎng)絡。因此，盡管電路圖通常繪制為對稱的交叉耦合對（這兩幅圖最初都在 Eccles-Jordan 專利中引入），但兩個級在同相環(huán)路中連接。

觸發(fā)器類型

觸發(fā)器可以分為常見的類型：SR（“set-reset”）、D（“data”或“delay”）、T（“toggle”）和JK。特定類型的行為可以通過所謂的特征方程來描述，該方程導出“next”（即，在下一個時鐘脈沖之后）輸出。

復位鎖存器

當使用靜態(tài)門作為構(gòu)建塊時，最基本的鎖存器是簡單的SR 鎖存器，其中 S 和 R 代表 set 和 reset。它可以由一對交叉耦合的NOR或NAND 邏輯門構(gòu)成。存儲的位出現(xiàn)在標記為 Q 的輸出上。

基于雙極結(jié)型晶體管的傳統(tǒng)（簡單）觸發(fā)器電路## SR NOR鎖存器

SR 鎖存器的動畫，由一對交叉耦合的NOR 門構(gòu)成。紅色和黑色分別表示邏輯“1”和“0”。當 R 和 S 輸入均為低電平時，反饋將 Q 和 ~Q 輸出保持在恒定狀態(tài)， ~Q 是Q的補碼。如果 S ( Set ) 脈沖高電平而 R ( Reset ) 保持低電平，則 Q 輸出強制為高，當 S 回到低時保持高；同樣，如果在 S 保持低電平時 R 脈沖為高電平，則 Q 輸出被強制為低電平，并在 R 恢復為低電平時保持低電平。

SR 鎖存操作真值表

注意：X 表示don't care ，即 0 或 1 都是有效值。

R = S = 1 組合稱為受限組合或禁止狀態(tài)，因為兩個 NOR 門隨后輸出零，它打破了邏輯方程 Q = not （~Q）。這種組合在兩個輸入可能同時變低的電路中也不合適（即從受限轉(zhuǎn)換到保持）。根據(jù)門之間的傳播時間關(guān)系（競爭條件），輸出將鎖定在 1 或 0。

SR NOR鎖存器的工作原理。

SR 鎖存器動畫。黑色和白色分別表示邏輯“1”和“0”。

• S = 1，R = 0：設置
• S = 0，R = 0：保持
• S = 0，R = 1：復位
• S = 1，R = 1：不允許

從受限組合 (D) 到 (A) 的轉(zhuǎn)變會導致不穩(wěn)定狀態(tài)。

為了克服受限組合，可以將門添加到將轉(zhuǎn)換(S, R) = (1, 1)為非受限組合之一的輸入。那可以是：

Q = 1 (1, 0) – 稱為S（主控）鎖存器 Q = 0 (0, 1) – 稱為R（主控）鎖存器

這幾乎在每個可編程邏輯控制器中都完成了。

保持狀態(tài) (0, 0) – 稱為E-latch

或者，可以進行受限組合以切換輸出。結(jié)果是JK 鎖存器。

SR NOR鎖存器的工作原理### SR NOR鎖存器的特征方程為：

另一個表達式是：

SR NAND 鎖存器

由交叉耦合的NAND 門構(gòu)成的SR鎖存器。下面顯示的電路是一個基本的 NAND 鎖存器。輸入通常指定為 S 和 R，分別表示 set 和 reset。由于 NAND 輸入通常必須為邏輯 1 以避免影響鎖存動作，因此在該電路中輸入被認為是反相的（或低電平有效）。

即使在控制輸入信號發(fā)生變化后，電路也使用反饋來“記住”并保持其邏輯狀態(tài)。當 S 和 R 輸入都為高電平時，反饋將 Q 輸出保持在之前的狀態(tài)。

SR鎖存器真值表

SR NAND 鎖存器的符號## SR AND-OR 鎖存器

一個 SR AND-OR 鎖存器。淺綠色表示邏輯“1”，深綠色表示邏輯“0”。鎖存器當前處于保持模式（無變化）。從教學的角度來看，將 SR 鎖存器繪制為一對交叉耦合組件（晶體管、門、管等）對于初學者來說通常很難理解。一種教學上更容易理解的方法是將鎖存器繪制為單個反饋回路，而不是交叉耦合。下面是一個 SR 鎖存器，它帶有一個帶有一個反相輸入的AND門和一個OR門。請注意，鎖存功能不需要反相器，而是使兩個輸入都處于高電平有效狀態(tài)。

SR AND-OR 鎖存器真值表

請注意，SR AND-OR 鎖存器具有明確定義 S = 1、R = 1 的優(yōu)點。在上述版本的 SR AND-OR 鎖存器中，它優(yōu)先于 R 信號而不是 S 信號。如果需要 S 優(yōu)先于 R，這可以通過將輸出 Q 連接到 OR 門的輸出而不是 AND 門的輸出來實現(xiàn)。

SR AND-OR 鎖存器更容易理解，因為兩個門都可以單獨解釋。當 S 或 R 均未設置時，或門和與門都處于“保持模式”，即它們的輸出是來自反饋回路的輸入。當輸入 S = 1 時，或門的輸出變?yōu)?1，而與來自反饋回路的其他輸入無關(guān)（“set模式”）。當輸入 R = 1 時，與門的輸出變?yōu)?0，而與來自反饋回路的其他輸入無關(guān)（“reset模式”）。由于輸出 Q 直接連接到 AND 門的輸出，因此 R 優(yōu)先于 S。繪制為交叉耦合門的鎖存器可能看起來不太直觀，因為一個門的行為似乎與另一個門交織在一起。

請注意，SR AND-OR 鎖存器可以使用邏輯轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為 SR NOR 鎖存器：將 OR 門的輸出和 AND 門的第二個輸入反相，并在這兩個添加的反相器之間連接反相 Q 輸出；根據(jù)德摩根定律，兩個輸入反轉(zhuǎn)的與門等效于或非門。

JK 鎖存器

JK 鎖存器的使用頻率遠低于 JK 觸發(fā)器。JK 鎖存器遵循以下狀態(tài)表：

JK鎖存器真值表

因此，JK 鎖存器是一個 SR 鎖存器，當通過 11 的輸入組合時，它會觸發(fā)其輸出（在 0 和 1 之間振蕩）。與 JK 觸發(fā)器不同，JK 鎖存器的 11 輸入組合是不是很有用，因為沒有指示切換的時鐘。

門控鎖存器（閂鎖）和條件透明

閂鎖設計為透明的。也就是說，輸入信號的變化會導致輸出的立即變化。當另一個輸入（“enable”輸入）未被斷言時，可以將附加邏輯添加到簡單的門控鎖存器以使其不透明或不透明。當多個門控鎖存器彼此跟隨時，使用相同的使能信號，信號可以一次通過所有這些鎖存器傳播。然而，通過一個透明高鎖存器和一個透明低（或不透明高）鎖存器，實現(xiàn)了主從觸發(fā)器。

門控 SR 鎖存器

與非門控 SR 鎖存器（時鐘 SR 觸發(fā)器）。注意反相輸入。

由AND門（左側(cè)）和NOR門（右側(cè)）構(gòu)成的門控 SR 鎖存器電路圖?？梢酝ㄟ^將第二級 NAND 門添加到反相SR 鎖存器（或?qū)⒌诙壟c門添加到直接SR 鎖存器）來制作同步 SR 鎖存器（有時是時鐘 SR 觸發(fā)器）。額外的 NAND 門進一步反轉(zhuǎn)輸入，因此SR鎖存器變?yōu)殚T控 SR 鎖存器（并且 SR 鎖存器將轉(zhuǎn)換為具有反轉(zhuǎn)使 能的門控SR鎖存器）。

當 E 高（ enable 真）時，信號可以通過輸入門到達封裝鎖存器；除了 (0, 0) = hold之外的所有信號組合，然后立即在 (Q, ~Q ) 輸出上再現(xiàn)，即鎖存器是透明的。

E 低（enable 假）時，鎖存器關(guān)閉（不透明）并保持上次 E 為高時的狀態(tài)。

使能輸入有時是時鐘信號，但更常見的是讀或?qū)戇x通信號。當使能輸入是時鐘信號時，鎖存器被稱為對電平敏感（對時鐘信號的電平），而不是像下面的觸發(fā)器那樣 對邊沿敏感。

門控 SR 鎖存器真值表

門控 SR 鎖存器的符號## 門控 D 鎖存器

該鎖存器利用了以下事實：在門控 SR 鎖存器的兩個有效輸入組合（01 和 10）中，R 是 S 的補碼。輸入 NAND 級將兩個 D 輸入狀態(tài)（0 和 1）轉(zhuǎn)換為這兩個輸入通過反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)輸入信號來組合下一個SR鎖存器。使能信號的低狀態(tài)產(chǎn)生無效的“11”組合。因此，門控 D 鎖存器可被視為單輸入同步 SR 鎖存器。此配置可防止應用受限輸入組合。它也被稱為透明鎖存器、數(shù)據(jù)鎖存器或簡單的門控鎖存器。它有一個數(shù)據(jù)輸入和一個啟用信號（有時稱為時鐘或控制）。透明這個詞來自這樣一個事實，即當使能輸入打開時，信號直接通過電路傳播，從輸入 D 到輸出 Q。門控 D 鎖存器也對時鐘電平敏感或使能信號。

D存器通常用作 I/O 端口或在異步系統(tǒng)中，或在同步兩相系統(tǒng)（使用兩相時鐘的同步系統(tǒng)）中，其中兩個在不同時鐘相位上運行的鎖存器會阻止數(shù)據(jù)透明性，就像在主機中一樣——從觸發(fā)器。

鎖存器可用作集成電路，通常每個芯片具有多個鎖存器。例如，74HC75是7400 系列中的四通D鎖存器。

下面的真值表顯示，當enable / c lock輸入為0時，D輸入對輸出沒有影響。當 E/C 為高時，輸出等于 D。

門控 D 鎖存器真值表

門控 D 鎖存器的符號

基于SR NAND 鎖存器 的門控 D 鎖存器

基于 SR NOR 鎖存器的門控 D 鎖存器

動畫門控 D 鎖存器。黑色和白色分別表示邏輯“1”和“0”。

• D = 1，E = 1：設置
• D = 1，E = 0：保持
• D = 0，E = 0：保持
• D = 0，E = 1：復位

傳輸晶體管邏輯中的門控 D 鎖存器，類似于 CD4042 或 CD74HC75 集成電路中的鎖存器。## 厄爾鎖存器（厄爾閂鎖）Earle latch

經(jīng)典的門鎖設計有一些不受歡迎的特性。它們需要雙軌邏輯或逆變器。輸入到輸出的傳播可能需要多達三個門延遲。輸入到輸出的傳播不是恒定的——一些輸出需要兩個門延遲，而另一些需要三個。

一個成功的替代品是厄爾閂鎖。它只需要一個數(shù)據(jù)輸入，它的輸出需要兩個恒定的門延遲。此外，在某些情況下，Earle 鎖存器的兩個門級可以與驅(qū)動鎖存器的電路的最后兩個門級合并，因為許多常見的計算電路都有一個 OR 層，然后是 AND 層作為它們的最后兩個級別. 合并鎖存功能可以實現(xiàn)沒有額外門延遲的鎖存。這種合并通常用于流水線計算機的設計，事實上，它最初是由 John G. Earle 開發(fā)的。

厄爾閂鎖沒有危險。如果省略中間的與非門，則得到極性保持鎖存器，這是常用的，因為它需要較少的邏輯。但是，它容易受到邏輯風險的影響。有意偏斜時鐘信號可以避免這種危險。

Earle 鎖存器使用互補使能輸入：使能低電平有效 (E_L) 和使能高電平有效 (E_H)

厄爾閂鎖動畫。黑色和白色分別表示邏輯“1”和“0”。

• D = 1，E_H = 1：設置
• D = 0，E_H = 1：復位
• D = 1，E_H = 0：保持