寄存器的工作原理：RS锁存器、D触发器及边沿触发器

计算机对我来说无非是一个类似于电视机的东西，厚重的显示器显示出字符图画，对于我来说和课外书上的故事和图画相差无几。虽然有吸引力，但也仅仅是有些好奇罢了。

直到07年的时候，液晶显示器开始普及。一台连接了互联网的计算机出现在我面前，对我的吸引是致命的。从那时候起，建筑设计师的梦想离我远去，计算机随之替代。

也是从这时候起，我开始使用计算机在互联网中傲游。从最开始的Flash小游戏中熟悉键盘鼠标的基本操作；到在网络游戏中寻找外挂时迷上黑客技术文化；最后在各种论坛社区中找寻学习计算机各种技术技巧。

差不多有十三四年的时间是在学习如何使用计算机。直到读了《编码》这本书，为了更深入的理解计算机，就想弄懂计算机的工作原理。有机会的话，尝试制作一台计算机。

至此使用计算机变成了制作计算机。

非科班出身的我自然有很大的知识漏洞缺陷。在第一次读这本书时，读到了加法器就再也读不下去了。关上书打基础，在学习了数字电路和模拟电路的一些基础知识后，继续尝试接着读，发现之前困扰问题似乎也不在困难，二进制和十六进制开起来也自然多了。

在我之前的一篇笔记《如何实现加法器》中，对于ALU的工作原理做了简单的了解。

数据虽然是保存硬盘中的，如果CPU每次运算都要从硬盘中取数据的话就太慢了。CPU的运算速度和IO的速度差异实在是太大了，所以需要把硬盘中的数据拷贝到内存中，这样CPU在需要数据的时候直接向内存要。

所以寄存器的作用就是用来保存数据，那么如何用电、逻辑门来保存数据呢？

异或门

回忆一下或非门,其真值表如下：

RS锁存器

现在把两个或非门结合起来，第一个门电路的输出是第二个门电路的输入，第二个门电路的输出是第一个门电路的输入。

可以看到这两个门电路缠绕在一起，输入既决定输出，输出也决定输入。

真值表如下：

从或非门的真值表可知，只要其中有一个输入为1,不管另一个是0还是1，输出都是0。需要注意的是，当两个输入都为0时，两个门电路都无法确定输出，而两个门电路都需要另一个的输出当作输入，所以此时电路系统处于不确定的状态。

只要其中一个输入为1，那么该门电路的输出就确定为0了（异或门决定），另一个的门电路的输入也就确定为0，此时该电路系统就不会出现错误。

神奇的地方来了，如下图：

当输入2为1时，改变上面的输入时，输出随之改变。(先暂时不考虑输出2）

但是当输入2为0时，改变上面的输入时，会发现输出不变了。如下图：

输出1被输入2锁住了，因此这种电路叫做锁存器。（当然，反过来也是一样的）

从上图还可以得知，但输入2为0时，输入1也是可以为0的，此时为什么不是Error呢？

因为之前当两个都为0时，他们的输出是不确定的所以为Error，但是当输入1为1，输入2为0时，此时电路系统是确定的，改变输入1，输入2的输出并没有改变，依然确定输出为1，那么输入1的输出也就是确定的了。因此不会发生错误。

为了方便，把该电路的输入输出取一个名字，如下：

修改后的真值表如下：（注意输入2和输入1交换了位置。）

当S和R都为0时，现在的输出就不是无法确定了。而是保持上一次的输出，这很重要。正是因为有了该特点。电路有了记忆功能，也就是说电路可以保存数据了。

而当S和R都为1时，在这个系统中不需要用到，因此它被禁止了。因为当S和R都为1时，那么输出都为0，这和电路设计中Q和互反矛盾，所以要避免。

这里两个输出是相反的，真正需要的只要1个即可。

因为可把输出锁起来，两个输入端分别为Reset和Set，所以这个电路的名字叫做RS锁存器。

D触发器

继续构造电路，在原来的基础上添加两个或非门。

用一个把两个输入端用一个SCK锁住。当SCK为1时，两个输入端都被锁住，当SCK为0时，输入端被激活。如下图：

[gif error]这个电路和之前的电路并没有什么区别，同理两个输入端不能同时为0（这里因为异或门取反，所以不是同时为1,原理相同）。

数据端也只需要一个输入就可以了，并且不能同时输入0，继续构造电路。

把两个输入接在一起，并且其中一个取反。现在就只有一个输入端和一个保持端了。

当CLK为1时，数据输出保持不变。当CLK为0时，输出端取决于数据输入端。

[gif error]并且还不用担心两个输入端同时为0。真值表如下：

输入端为Data端，这个电路的名字叫做 D触发器 。

可以看到这个电路就可以保存1Bit的数据了。

把好多个串起来，就可以保存多个Bit了。一般情况下，8Bit等于1Byte，写数据也是一个字节一个字节的写，所以一把把8个触发器连起来，共用一根SLK线。所以也叫八位锁存器。

这种触发器的触发方式为CLK为0时，数据就可以输入，当CLK为1时，数据就被锁住不能修改了。

当CLK为0时数据是可以修改的，如果在CLK为0期间，Data输入数据完毕后，CLK还没有锁住时，发送电磁干扰改变了Data的输入，那么保存的数据也就保存错了。

边沿触发器

既然电平触发可能由于时间太长导致数据可能因干扰而改变，那么就减少触发的时间，高低电平改变的瞬间时间很短，因此可以利用高低电平变化的瞬间来触发，把两个D触发器串在一起。为了进行区分，两个D触发器分别取一个名字。

主触发器从Data得到输入，从触发器的输入来自主触发器。主触发器不会改变得到的输入。如下图：

[gif error]目前来说这个触发器和D触发器完全关键来了，对两个触发器的CLK其中一个取反，如下图：

这样的话，CLK只有一个输入，在同一时间，主触发器和从触发器只能有一个起作用。

[gif error]基本原理如下：

1. 先把CLK置为0，此时主触发器的CLK经过取反现在为1，此时主触发器就锁住了。虽然从触发器的CLK为0没有被锁住，但是从触发器的输入需要从主触发器的输出得到，主触发器没有改变，那么从触发器也就不会改变。
2. 现在把CLK置为1，此时主触发器的CLK解锁。可以修改输出，但是从触发器此时被锁住。主触发器的输出还是无法改变从触发器的输出。
3. 重点来了，此时虽然主触发器的输入无法改变，但是主触发器的输出已经固定下来了。此时再把CLK置为0，那么从触发器此时的输入可以从被之前的主触发器的输出改变的，只是无法从触发器的输入改变而已。

完成流程如下：

1. 先把CLK置为1，锁从触发器，现在可以把需要保存的数据输入到主出触发器中。

2. 注意，现在保存的数据已经在主触发器中了。现在把CLK置0，一瞬间，主触发器锁住，从触发器打开，保存在主触发器的数据已经输出到从触发器中了。

[gif error]这样子，一瞬间触发的触发器的名字叫做 边沿触发器 。

同理把多个边沿触发器连在一起，就能保存多个Bit的数据了。

这里把8个组合在一起，就可以保存一个Byte的数据了。

它的名字就是寄存器。