「一沙一世界」之锁存器来啦

大家好我是科岩。

查了上次文章更新时间竟然是4月底，足足一个月没有发文，五一假期后一直拖更到现在，虽然还没多少关注，但还是比较自责，毕竟其他公众号可都是日更啊，连个周更我都做不到么？

不过这个月我也一直没闲着，文章结尾告诉大家最近在弄啥。

在文章「嵌入式工程师的自我修养」中，我引入过一个技术问题：

有2个设备A、B，通过网络连通可交互数据，其中A有外接按键，B有小显示屏。

2个设备实现这样的程序：A键盘上按下某个按键，B显示屏将按键值显示出来。

请问：从A按下按键那一刻起，到B显示屏看到按键值，”按键值“这个数据是怎么从A的按键传输到B的显示屏的？

科岩写了一个系列的文章，尝试回答下这个问题。

半导体原理，看这篇：「一沙一世界」之半导体与MOS管

逻辑运算与门电路的关系，看这篇：「一沙一世界」之门电路是个啥？

编码和进制的作用，这篇：「一沙一世界」之编码与进制

如何用硬件电路算加法，这篇：「一沙一世界」之硬件加法器

上篇文章《「一沙一世界」之触发器是个啥？》我们聊到了计算机记忆的基本单元，「触发器」的电路实现，最后画出了一个R-S触发器的框图，它有2个输入端，2个输出端：

R-S触发器最大特点就是它能记住2个输入端的状态。想要记住上一次的状态时，把2个输入端都置0就可以了。

还记得上篇文章中我们提出的那个需求吗，做一个什么器件连在加法器的输出上，这个器件能够保存加法器输出的8位数的和，并将算好的和再作为一个参数输入传递给加法器，从而实现一个累加器。

R-S触发器只能记住1位数据的状态，怎样能记住8位呢，这篇就来讲讲。

D触发器

1个R-S触发器能存1位数据，所以需要8个R-S触发器；1个R-S触发器，有2个输入端2个输出端，8个就是16个输入端，16个输出端。

而我们需要的是一个8输入、8输出的器件，我们得想办法简化R-S触发器。

观察一下R-S触发器，虽然有2个数据输入端和2个数据输出端，但实际上它只能保存1种状态，即保存1个bit数据位，因为Q和Q`的状态一定是相反的。

要保存数据时，需要把2个数据输入端都置成低电平。

这有点麻烦，因为要同时控制两个端；又有点浪费，明明只能存一位数据却用了2根线；还有点耦合，因为数据输入端也有控制作用，同时也是控制端，没区分开。

能不能把数据和控制分开，并且输入和输出只用一个数据端？

我们试着增加一个具有控制功能的「保持位」，它能决定电路当前的状态是否被「记住」。

当「保持位」为1时，数据输入的值就会被电路记住，当保持位为0时，数据输入位的任何值都不会影响电路的状态。

先画一下这个理想电路的真值表：

试着用R-S触发器搭建和这个表对应的电路：

这个电路实现了我们要的保持位的效果，保持为为1时，电路状态与R-S触发器相同；保持位置0时，相当于S和R为0，电路保存当前状态。

可这样又增加了一条线，能不能用一根线替换掉S和R这两根输入端呢？可以注意到，R与S的状态是相反的，所以很简单，用一个非门就可以了。

如上图，当保持位为1时，输出Q端与数据端相同；当保持位为0时，数据端怎么改变都不会影响电路状态，即电路会记住保持位最后一次置1时数据端的值，是不是很简洁很舒服。

上面这个电路被称为电平触发的D（Data）型触发器。

锁存器

通常，保持位需要不断的在0和1之间有规律的按一定频率变化，这就像钟表一样，滴答滴答，永不知疲倦。所以我们给保持位换一个称呼：时钟（clock）。

这样用时钟控制的D触发器也称作「锁存器」，因为存储进去的数据就好像被锁住了一样。

把8个锁存器的时钟端接在一起，引出输入端D和输出端Q，就构成了一个8位的锁存器：

这个锁存器可以一次保存一个字节（8位数），把这个框图封装一下：

这个8位锁存器就是我们需要的那个新器件啦，把它和8位加法器相连，就能得到一个累加器：

来模拟一下它的运转过程。

最开始，输入A为0，锁存器中8个输出端数据也均为0，即输入B为0。

把输入A设为1，由于输入B为0，此时加法器输出与A相同。

这时把锁存器的时钟置1，锁存器电路状态改变，输出的值和加法器相同；再把时钟置0，锁存器保存加法器的结果，此时加法器的输出不会影响锁存器。

锁存器同时会把加和作为加法器的输入B传递给加法器，把A的值换成2，加法器会计算A和B的加和，锁存器时钟置1后置0，再保存加和，如此循环，就可以计算输入A的累加和了。

end

到此我们解决了记忆8位数据的问题，计算一系列数据的累加和时，只要改变输入A的值，不用再记录每次相加的结果了。

到此我有了一个更大胆的想法，是否能够把我们要计算的一系列数据全部保存起来，由系统自动计算他们的累加和呢？毕竟每算一次加和就要改变A的值既麻烦又容易出错。

但现在我们还只有一个能存储8位数据的存储单元，要保存一系列数据（比如100个数），就需要能存储更多数据的存储器来实现，下一篇跟大家聊聊内存的组成和原理。

知其然，知其所以然，我是科岩，我们下期见。

技术文结束啦，跟大家聊聊最近我在干啥。

我在学习怎么录视频，上周录了一期讲嵌入式工程师技术认知和等级划分的，其实就是这个公众号的第一篇文章《嵌入式工程师的自我修养》的视频版。

录视频的时候没感觉，剪辑时发现自己的缺点在镜头前暴露无遗，任何一个小毛病都会被放大，抖肩、抿嘴、舔嘴唇、磕磕巴巴。

剪完又觉得内容不够聚焦，过程也不吸引人。

不过还是发出去了，因为我觉得完成比完美重要，第一次不够好，后面的才更有空间嘛。

这些是我发视频的地址啦，不知你们偏爱哪个平台，欢迎大家关注起来，点赞评论啥的，支持一下啦：

B站：

知乎：没找到小程序分享页面，可以知乎搜「科岩」。

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