FPGA结构：LATCH（锁存器）和 FF（触发器）介绍

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• 如果你想学习有关FPGA的专业术语，可以参考这一篇：FPGA专业术语介绍

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一、LATCH（锁存器）是什么

一句话概括，能够存储一个状态的数字电路叫做锁存器。

以下是最为基本的一个RS锁存器的具体结构：

以下是它的真值表，其中X表示不确定/无效：

这张真值表的前三行如下图所示，能够使得输出的结果和定义一致。
第一种情况，电路能够维持输出为Q：

第二种情况，上面的NOR门输出一定为0，进而使得整个电路达到稳态：

第三种情况，下面的NOR门输出一定为0，进而使得整个电路达到稳态：

唯独这张真值表的第四行输出结果和定义不一致：

看起来这张电路图是一个稳定的状态，但当我们把这个状态切换到S=R=0的状态时，就会产生两种可能的稳态：

1.上面R对应的或非门电路延迟较低，这时候Q先被置为1：

2.下面S对应的或非门电路延迟较低，这时候!Q先被置为1：

在这种情况下，输出结果完全随机（与电路延迟相关），由于这种现象很玄学。因此我们在使用RS锁存器时，一般不会将R和S同时置1。

为了解决RS锁存器带来的问题（RS不能同时为1），我们需要在它的输入之前添加一些逻辑电路，进化版本的RS锁存器被叫做D锁存器。

D锁存器的具体结构如下：

D锁存器在RS锁存器的输入之前添加了一个非门，排除了RS同时为1的情况。同时，上图中的D锁存器将使能输入（E）设置为clock，使得该电路只有在时钟信号为1的时候才能够工作（设置为时钟信号为0时工作也很简单）

D锁存器的真值表如下：

D锁存器足够完美了吗？

当然不，D锁存器同样存在问题，那就是无法去除输入的毛刺/抖动。当E为1的时候，D 和 !Q 的值永远是相等的 （哪怕输入存在毛刺/抖动）。为了进一步的改进，人们在D锁存器的基础上提出了触发器的概念。触发器的具体结构会在第二章进行介绍。

二、FF（触发器）是什么

一句话概括：触发器是能在指定的事件发生时存储状态的数字电路。

触发器是时序逻辑电路的基本单元，用来存储1位2进制信息，具有记忆和存储功能。常见的触发器包括D触发器，J-K触发器等。

D触发器

D触发器可以由两个D锁存器级联构成，它的具体结构如下，其中FF1和FF2都代表上文提到的D锁存器：

以下是两个D锁存器级联构成的D触发器的真值表：

从真值表中可以看出，输出的改变只可能发生在时钟信号的上升沿。接下来让我们按CLK依次分析这四种情况：

• 第一种情况，CLK为0，这时候FF2的CLK输入为0，因此电路的输出保持不变。

• 第二种情况，CLK处于上升沿（0->1）到达的瞬间，由于电路内部的延迟，这时候FF1会先取上升沿到达之前瞬间D的状态，之后将该状态保存。

• 第三种情况，CLK为1，这时候FF1的CLK输入为0，因此Q1的输出保持不变，进而使整个电路的输出保持不变。

• 第四种情况，CLK处于下降沿（1->0）到达的瞬间，由于电路内部的延迟，这时候FF2会先取下降沿到达之前瞬间Q1的状态，之后将该状态保存。

JK触发器

JK触发器弥补了RS锁存器的缺陷，能够在输入为1时将状态翻转。JK触发器的具体结构如下图：

蓝框中的电路结构将或非门换为了与非门，同样也是RS锁存器的一种表现方式。感兴趣的同学可以自己推导一下真值表。

这里先直接给出与非门实现RS锁存器的真值表：

JK触发器通过红框实现上升沿读取数据。当CLK处于上升沿（0->1）时，由于非门的延迟，会有一瞬间出现CLK变为1的情况，这时候读取数据，剩下的时候CLK均为0。

在时钟上升沿信号未到来时，与非门G3和G4将J与K端的输入信号屏蔽，触发器状态不受输入信号的影响，维持不变。在时钟上升沿信号到来时，触发器的状态将会随着J与K的输入产生相应的变化。

• 时钟上升沿信号到来时，J=0，K=0，触发器状态维持不变。

• 时钟上升沿信号到来时，J=1，K=0，这时候S和R的值分别为Q和1，JK触发器会将这一时刻的输出A置为1。(无论Q为0或1，根据上面的真值表，这一时刻的输出A都一定为1)

• 时钟上升沿信号到来时，J=0，K=1，这时候S和R的值分别为1和!Q，JK触发器会将这一时刻的输出A置为0。(无论Q为0或1，根据上面的真值表，这一时刻的输出A都一定为0)

• 时钟上升沿信号到来时，J=K=1，这时候S和R的值分别为Q和!Q，根据上面的真值表，这一时刻的输出A与这一时刻的输出B一定为!Q和Q，实现翻转。

JK触发器的真值表如下图:

将J和K合并成一个信号，它就有了一个新名称：T触发器。

三、牛刀小试：避免使用Verilog综合出LATCH

因为LATCH的种种缺点，它是我们在写Verilog代码的时候唯恐避之不及的。然而，我们常常会遇到由于逻辑定义不完整综合出LATCH的情况。在代码包含always@(*)时，一般情况下会综合出LUT，但假如没有将if/else中所有case的赋值情况写完整，编译器就会综合出LATCH，以下是一段综合出LATCH的Verilog代码：

module top_module (
    input [15:0] scancode,
    output reg left,
    output reg down,
    output reg right,
    output reg up  ); 
    always @(*) begin 
       case(scancode)
           16'he06b:
                left=1;
           16'he072:
                down=1;
           16'he074:
                right=1;
           16'he075:
                up=1;
       endcase
    end
endmodule
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这段代码与人物上下左右移动有关。例如16’he06b这个case，如果我们在其中没有指定down，right和up的值，那么它就会自动保存原来的值（信号接收之前的值），综合出锁存器。

如何让上面的电路不综合出LATCH呢？

非常简单，只要在每一次 always @(*) begin 的最开始指定left，down，right和up的值就可以了，更改后的代码如下所示：

module top_module (
    input [15:0] scancode,
    output reg left,
    output reg down,
    output reg right,
    output reg up  ); 
    always @(*) begin 
    left=0;down=0;right=0;up=0;// 给up,down,left,right赋初始值
       case(scancode)
           16'he06b:
                left=1;
           16'he072:
                down=1;
           16'he074:
                right=1;
           16'he075:
                up=1;
       endcase
    end
endmodule
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需要注意的是，对于always@(posedge clk)，即使case不完整，也不会综合出LATCH，综合器会将这些不执行的情况视为不需要进行任何操作。

参考文档

FPGA中LUT、LATCH、FF的概念

RS锁存器，D锁存器、D触发器简介

数字电路学习笔记（九）：初识锁存器

D触发器 (D-FF)详解

数字电路中的锁存器（latch）和各种触发器（flip-flop）

从CMOS到触发器（二）