「一沙一世界」之触发器是个啥？

大家好我是科岩。

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

为了能让这个加法电路实现连续加数相加，得想办法把得到的和存起来。

这篇文章讲一下，如何用触发器保存一位二进制数。

我们的需求

上篇文章《「一沙一世界」之硬件加法器》我们讲到了一个8位加法器，下面是封装好的框图，想知道原理的小伙伴可以去读那篇文章。

这个加法器有个特点，就是两个加数A和B的值决定着加和S的值。

这个值是实时决定的，也就是说，A、B中只要有一个数据位发生了改变（0变1或1变0），加和就一定、立即发生改变。

我们如果想用这个加法器算「累加和」将会很麻烦，比如5个数A、B、C、D、E的加法。

首先把A、B作为输入，得出一个输出S1，我们要记下来S1的值，然后把S1和C作为输入，得出S2....以此类推，要记下很多个数，然后再用加法器计算。

工程师怎么会做这种无脑循环的工作呢，得想办法交给计算机寄几做。

好像只要做一个什么器件连在这个加法器的输出上，这个新器件能够保存加法器输出的和，并将算好的和再作为一个参数输入，传递给加法器就可以了。

注意这个新器件，首先它支持输入和输出；其次它能「保存」当前的值；最后，有一个类似「开关」的引脚决定它是否保持当前的值。

「保存」是什么意思？其实很好理解，就是不论输入的数据位怎么变化，输出都不变。

不考虑8个数据位，先只搭建一个这样具有「保存」功能的门电路，能保存一个bit就ok。

或非门点灯

科岩已经点灯无数，这次依然从点灯开始，用或非门试一下。

「或非门」的真值关系如下表，记住输入只要有1，输出一定为0就可以了。

或非门的符号：

按照下面这个电路把两个或非门与一个小灯泡连起来，如图：

仔细观察，能发现我把右边或非门的输出直接作为输入连接到左边或非门上，这会产生什么神奇的现象呢？

如上图，最开始，左边或非门的输入都是0，输出为1；右边或非门输入一个是0，一个是1，输出0，灯泡是不亮的。

现在把开关S1连通，连通瞬间，左边或非门输出0，右边或非门输出1，灯泡被点亮，然后右边或非门输出的1给到左边或非门，2个输入都是1，它的输出为0保持不变，灯泡点亮不变。

接着我们把开关S1断开，如下图神奇的事情发生了，灯泡依然保持点亮状态！因为左边或非门仍有一个输入是1。

如果把S2闭合会怎样呢？灯泡马上熄灭了。

这时再打开S2，电路回到最初的状态，灯泡还是熄灭状态。

可以总结规律了：

•导通S1，灯泡点亮，不论我们怎么控制S1，灯泡都是亮的•导通S2，灯泡熄灭，不论我们怎么控制S2，灯泡都是亮的

这不就达到我们想要的「保存」功能了嘛，不论输入的数据位怎么变化，输出都不变。

触发器（Flip-Flop）

像上面把两个或非门连起来，能够稳定保存电路状态的电路被称为「触发器」。

Flip-Flop的意思是「翻转」，中文翻译比较奇怪，我们通常理解的触发器是Trigger，不过没关系，其实就是个名称而已。

上面这个触发器叫做R-S触发器，它有2个输入端S（Set）和R（Reset），2个输出端Q和~Q（实在打不出Q上面的横线o(╥﹏╥)o）。

当S为1时，输出Q为1，~Q为0；当R为1时，输出Q为0，~Q为1；当S和R都为0时，输出Q和~Q保持不变；当S和R都为1时是一个不正确的状态，我们不使用这个状态。

不是特别绕吧？画个表：

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。

每次画2个或非门太麻烦，封装一下：

end

有了触发器，计算机除了算些加减乘除、与或非逻辑运算，开始具备了存储功能，我觉得触发器真是一个神奇的存在，把平平无奇的门电路连起来竟然就赋予了计算机「记忆」。

计算机中寄存器（Register）、内存（RAM）最最基础的组成单元就是触发器。

理解了触发器的工作原理，也就理解了内存的工作原理。

下一篇我们就用触发器尝试搭建一个内存出来。

知其然，知其所以然，我是科岩，我们下期见。