触发器
复习
- 运算器总装：把运算部件组装成一个能算加减乘除的运算器
- 让电路记住一个比特：用交叉耦合的反馈做出能保存一个比特的锁存器
- 给电路一个共同节拍：用时钟统一各部件交接数据的时机
TL;DR
- 触发器是一种“只在时钟边沿更新”的一位记忆单元
- 它由两级锁存器（主从结构）串联而成，两级用相反相位的时钟控制
- 边沿之间，D 怎么变，Q 都不动；只有边沿那一刻才把 D 搬进 Q
- 触发器让同步电路“一拍一个动作”成为可能，也是后面寄存器的基本积木
正文
我们之前造出了锁存器，上一章拿到了时钟。可真把两者配到一起，会发现一个尴尬： 锁存器“开门”的是一整段时间，而时钟的边沿只是一个瞬间。 两者根本对不上。
锁存器在使能为 1（也就是开关为开）的整段时间里都是透明的——D 一变，Q 就跟着变。时钟明明给了“大家统一交接”的时刻，锁存器却根本不听“时刻”，它只听“电平”。所以我们缺的，是一个全新的记忆单元： 平时关着门，只在时钟边沿那一瞬间开门，把门口的 D 拉进来，然后立刻关上。
这个部件，就是 触发器（flip-flop）。
为什么不能直接拿锁存器顶替
先看锁存器的行为：
E = 1：透明，Q 跟随 DE = 0：保持，Q 不动
那么，直接把时钟接到 E 上会怎样？CLK = 1 的半个周期里，锁存器一直透明，D 在这段时间里的任何变化都会一路传到 Q。我们想躲开的“整段时间都开放”，原封不动地又回来了。
问题在于：锁存器是 电平敏感 的——它看的是“使能是高还是低”；而我们想要的是 边沿敏感：只看“时钟有没有跳变”这一瞬间。电平敏感和边沿敏感，截然不同。单靠一个锁存器，改不出来。
一个锁存器做不到，那就用两个
回头想想：锁存器之所以“透明”，是因为在使能期间，它一直把输入放行到输出。那么换一个思路—— 在它放行的时候，把后面死死挡住；等它挡住的时候，再把后面放开。 从外面看，是不是就只剩下“交接的那一瞬间”了？
为了做到“轮流开合”，我们把两个锁存器一前一后串起来，并用 相反相位的时钟 分别控制它们：
D ──> [ 主锁存器 ] ──> [ 从锁存器 ] ──> Q
使能：时钟取反 使能：时钟
- 主锁存器：时钟为 0 时透明（跟随 D），为 1 时保持
- 从锁存器：时钟为 1 时透明，为 0 时保持
注意两者的使能正好相反： 一个开门时，另一个必定关门。 这样串起来的两级，整体上就不再是“电平敏感”的了。
跟着时钟走一遍
把时钟从低到高再走一圈，看看 Q 到底在什么时候变：
| 阶段 | 主锁存器 | 从锁存器 | 结果 |
|---|---|---|---|
CLK = 0 | 透明（悄悄跟随 D） | 保持 | Q 不动 |
CLK 上升沿 | 转为保持 | 转为透明 | 主把边沿前的 D 冻结下来交给从， Q 更新 |
CLK = 1 | 保持 | 透明 | Q 保持，主不再看 D |
CLK 下降沿 | 转为透明 | 转为保持 | Q 冻结，主重新开始跟随 D |
看第一行：CLK = 0 时，从锁存器关着门，所以 Q 不动；与此同时，主锁存器正偷偷跟着 D。到了 上升沿，主锁存器“啪”地一下闭上——它把刚刚（边沿前一刻）D 的值锁住，而从锁存器这时打开，把这个值送到 Q。 于是 Q 只在上升沿更新，且更新的正是边沿前站稳的那个 D。
这正好应证上一章的结论： D 必须在边沿前稳定一小段时间（建立时间），再在边沿后稳定一小段时间（保持时间）。 主锁存器锁住的，就是这个早已站稳的 D；如果 D 恰好在边沿附近跳变，主锁存器锁到的就是“没站稳”的值，结果便不可靠。
主锁存器负责在边沿“拍照”，从锁存器负责把这张照片一直举在 Q 上。 两级反相开合，把“开门的时间”从一整段，收窄成了一个点。
思考题 1
主从结构里，两级锁存器为什么要用相反相位的时钟？如果两级用同一个时钟，会怎样？
它和锁存器差在哪里
| 锁存器 | 触发器 | |
|---|---|---|
| 敏感对象 | 电平 | 边沿 |
| 使能期间 | 输入一变，输出跟着变 | 与输入无关 |
| 边沿之间 | 输出可能被输入带动 | 输出纹丝不动 |
| 一句话 | “门一直开着” | “只按一次快门” |
触发器可以想成一台相机：D 是镜头前不断变化的景物，时钟上升沿是快门。Q 保存的，是按下快门那一刻的画面，而不是整段过程。快门之外，景物怎么变都无所谓。
看一个具体例子（上升沿采样）：
| 上升沿 | 采样时 D | 采样后 Q |
|---|---|---|
| 第 1 次 | 1 | 1 |
| 第 2 次 | 1 | 1 |
| 第 3 次 | 0 | 0 |
第 1 次与第 2 次之间，D 即使来回变化，Q 也一直稳稳停在 1。这就是触发器与锁存器的差别所在。
为什么非要边沿敏感
多花一级锁存器，只为换来“不透明”，到底值不值？
设想我们要做多步计算。如果用的是锁存器：在它敞着门的那半拍里，信号可能从第一级穿透到第二级、第三级…… 一个结果还没定，后面已经被它带着变了，我们根本说不清“这一拍算出来的到底是什么”。这叫穿透（race-through），同步电路的噩梦。
换成触发器，一切就清楚了：
- 周期内：组合逻辑慢慢算，触发器一律关着门，谁也不许动
- 边沿一到：所有触发器同时开门，把各自算好的结果一起收下，然后立刻关门
“算”发生在周期里，“交”发生在边沿上。 时间被整齐地切成一拍一拍，每一步都踩在点子上，这正是时钟想要的效果；把它落到电路上的，就是触发器。
思考题 2
把时钟直接接到 D 锁存器的使能端，能得到“只在边沿更新”的效果吗？这样的锁存器拿去做多步计算，又会出什么问题？
触发器不止一种
按功能分，触发器还有 JK、T、SR 等几种类型，区别只在输入端的信号各不相同。它们的共同点都是“在边沿更新”。其中 D 触发器 只需要一根数据线，用起来最省事，也最常用。本指南之后提到的触发器，一律默认为 D 触发器。
一只触发器，一个比特
触发器只记一个比特。这听起来很少，但已经足够当积木了： 要保存一个 8 位数，把 8 只触发器并排放好、共用一个时钟就行。
小结
知识点
- 触发器是“边沿敏感”的一位记忆单元
- 主从结构：两级锁存器加相反相位的时钟
- 上升沿采样，边沿之间保持
- 触发器让同步电路“一拍一个动作”
参考资料
- Wikipedia(zh)：触发器：各类触发器的结构与工作方式
- Wikipedia(zh)：时钟信号：同步电路中统一节拍的来源
思考题答案（仅供参考）
思考题 1
如果两级用同一个时钟，它们会同时透明或同时保持：同时透明时，D 直接穿透两级到达 Q，等于一个“加长的锁存器”，边沿敏感无从谈起；同时保持时，值又传不下去。只有让两级反相，才能做到“一级开门时另一级关门”，把交接压缩到边沿那么短。
思考题 2
不能。锁存器是电平敏感的：把时钟接到使能端后，CLK = 1 的整个半周期它都透明，D 的变化照样传到 Q，“边沿那一刻”对它没有意义。要得到边沿敏感，必须在结构上改变，这就是前面用两级锁存器拼出主从结构的理由。
多步计算的前提是“这一步的结果定下来之后，才进行下一步”。锁存器满足不了这个前提：它可能在半拍内把变化一级级传下去，几步计算搅在一起，说不清这一拍的结果到底是什么。触发器把每一拍的交接固定在同一个时刻，级与级之间不会在同一拍里互相穿透，先后关系才明确。
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封面图
设计师 | 南国微雪