数字IC笔面基础之触发器——DFF、TFF、JKFF（附Verilog实现）

写在前面的话

触发器是数字IC最基础的知识点，区别于锁存器，触发器是只有在时钟信号触发时才能动作的存储单元，每个触发器可以存储1位二值信号。触发器有两个基本特点：
（1）具有自行保持稳定状态，包含逻辑0和逻辑1。
（2）可以根据输入信号置为1或0状态。

关键点：

笔面时常考的知识点是区分锁存器（Latch）和触发器（Flip-Flop），了解哪些代码风格可能会被综合成Latch，尽量避免。（在实际项目中有时需要故意生成Latch）

锁存器（Latch）：电平触发，数据存储取决于信号的电平值。电平有效时，输出信号被锁存。
锁存器如下：

触发器（Flip-Flop）：边沿触发，数据存储取决于信号的上升沿或下降沿。
触发器如下：

寄存器（Register）： Verilog中用来暂时存放数据的变量。变量被声明为寄存器时，可能被综合成Latch或者Fliop-Flop。

锁存器和触发器优缺点：
锁存器优点：
（1）面积比触发器小
门电路时构建组合逻辑电路的基础，而锁存器和触发器是构成时序逻辑电路的基础。
晶体管>>门电路>>锁存器>>触发器
Latch完成同一个功能所需的门较触发器要少，在ASIC中用的比较多。

（2）速度比触发器快
用来地址锁存是很合适，不过一定要保证所有的Latch信号源的质量，锁存器在CPU设计中很常见，锁存器使得CPU的速度比外部IO部件逻辑快很多。

锁存器缺点：
（1）电平触发，非同步设计，受布线延迟影响较大，很难保证输出没有毛刺。
（2）Latch将静态时序分析变得极其复杂。

触发器优点：
（1）边沿触发，同步设计，不容易受毛刺的影响。
（2）时序分析简单

触发器缺点：
（1）面积比Latch大，消耗的门电路比latch多。
（2）过多的触发器使得数据逻辑变得复杂。

D触发器

D触发器的次态取决于触发之前D端口的状态。

基本正边沿触发D触发器

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// Verdion: v1.0
// Description: 正边沿触发 DFF
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module dff (
	input 		clk  		,   // Clock
	input  		d			, 	// input
	output reg 	q  			  	// output	
);


always @(posedge clk ) begin 		//上升沿触发
		q <= d ;
end

endmodule 

异步复位D触发器

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// Author : HFUT904  [email protected]
// File   : asdff.v
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// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center
// Verdion: v1.0
// Description: 异步复位 DFF
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module asdff (
	input 			clk 		,   // Clock
	input 			rst_n 		, 	// Asynchronous reset active low
	input 			d  			,  	// input
	output 	reg 	q 				//output
);

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 
	if(~rst_n) begin
		 q <= 1'b0 	;
	end 
	else begin
		q  <=  d  ;
	end
end
endmodule 

带清零和置一的D触发器

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// File   : csdff.v
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// Verdion: v1.0
// Description: 带清零和置位 DFF
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module csdff (
	input 		clk  	,   // Clock
	input 		set 	, 	// set
	input 		rst_n 	, 	// Asynchronous reset active low
	input 		d 		,	//input 
	output 	reg q 			//output 	
);

always @(posedge clk , negedge rst_n , posedge set) begin 
	if(~rst_n) begin
		 q <= 1'b0 	;
	end 
	else if(set) begin
		 q <=  1'b1 ;
	end
	else begin
		 q <=  d 	;
	end
end

endmodule 

T触发器

T触发器是在数字电路中，凡在CP时钟脉冲控制下，根据输入信号T取值的不同，具有保持和翻转功能的触发器，即当T=0时能保持状态不变，当T=1时一定翻转的电路。

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// Verdion: v1.0
// Description:TFF
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module tff (	
			input 		clk 		,
			input 		rst_n 		,
			input 		T  			,
			output reg 	Q 			

	);

	//特征方程写法
		always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
			if(~rst_n) begin
				 Q 	<= 0;
			end 
			else begin
				 Q <= (T&~Q)|(~T&Q) ;
			end
		end

	//查找表写法
	/*
	always@(posedge clk) begin
		if(T==1'b1)
			Q <= ~Q ;
		else
			Q <= Q ;
	end
	*/

endmodule 

JK触发器

JK触发器是数字电路触发器中的一种基本电路单元。JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能。在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。由JK触发器可以构成D触发器和T触发器。

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// File   : jkff.v
// Create : 2022-11-01 15:33:16
// Revise : 2022-11-01 15:33:16
// Editor : HFUT Integrated Circuit Design & Research Center
// Verdion:
// Description:
// -----------------------------------------------------------------------------
module jkff (
		input 			clk	 	,
		input 			rst_n	,
		input 			J		,
		input 			K		,
		output 	reg 	Q
);

	//状态方程写法

	always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
		if(~rst_n) begin
			 Q	<= 1'b0;
		end 
		else begin
			 Q <= (J&~Q)|(~K&Q) ;
		end
	end

	//查找表写法
	/*
	always@(posedge clk ) begin
		case({J,K})
			2'b00:  Q <= Q 		;
			2'b01:  Q <= 1'b0 	;
			2'b10:  Q <= 1'b1 	;
			2'b11:  Q <= ~Q 	;
		endcase 
	end
	*/
	
endmodule

总结

触发器作为数字IC最基础的内容，常常会考手撕代码、门级电路组成、与锁存器的优缺点、代码风格避免生成latch等内容。在跨时钟域中也会用两级DFF避免亚稳态的产生，我在笔面中遇见最多的是DFF和TFF，会结合建立时间、保持时间、跨时钟域、代码风格等一起考。建议各位同学注意触发器的底层电路，切实体会触发器和锁存器的区别。