这篇文章感觉写的相当好
1、简介
这篇文章是我对电子设计中，亚稳态问题的一种分析和总结。文章通过对数字电路中器件的工作机制的介绍，引出亚稳态问题的发生机制。并通过对亚稳态问题发生机制的探讨，用以得到一种能够清楚地，有的放矢地解决亚稳态问题的能力。而这种能力，将会成为你作为一个工程师的价值所在。希望通过这个探讨，可以使你设计出属于自己的预防亚稳态的方法。对于常用的预防亚稳态的方法，由于网上已经有大量介绍，并且涉及到具体问题的分析，这里将不做重点介绍。
2、CMOS中的信息保存
Fig. 1. MOS管的电容模型
当一个MOS工艺晶体管被制造之后，在不同极之间，因为介电物质的存在，会形成电容。当晶体管工作时，这些电容会被充/放电。当充放电回路上的R，C有不同取值的时候，回路的时间常数（由RC表示）会不同。
在数字电路中，最简单的结构是反向器（inverter）。在CMOS工艺中，它由一个NMOS加一个PMOS组成。
Fig. 2. 反向器
对于这个反向器，可以简化成由工作电阻Ron，结点电容CL组成的充放电电路。
Fig. 3. 反向器充放电模型
当Inverter输入为0时，PMOS导通，对CL充电，时间由Rp*CL决定
当Inverter输入为1时，NMOS导通，对CL放电，时间由Rn*CL决定
其中CL由P/NMOS的漏极结点上所有相关的电容组成，这是一种近似的计算方法(将分布的电容进行集总)。
CL=Cdb+Cgd(Miller效应)+Cwire+Cg_fanout
从这里我们得到
1，任何信号都需要时间才能从输入端口传递到输出端口。
2，对CL的充放电影响系统的动态(翻转)功耗，如果想降低功耗，可以对不使用的信号添加使能。
3，由于Rp != Rn，所以Rp*CL != Rn*CL，所以rising time != falling time
对于分析亚稳态的问题，只需要记住第一条，任何信号从输入端口传递到输出端口都需要一定的时间。对于任何其他门电路，分析过程都一样。
3、SETUP/HOLD 时间的意义
S/H时间是时序器件的属性。下面我们来说一下，这两个时间是如何产生的。任何器件“原则”上都是电平有效的，边沿触发的器件是一种“把戏”。
首先我们看一下D锁存器。
Fig. 4. D锁存器
真值表：
E D Q
0 x PreQ
1 0 0
1 1 1
时序表示（局部）
Fig. 5. D锁存器时序图
当E维持在高电平的时候，D端在某一时刻，输入一个值D0。这个值从D端与非门进入，在器件内会有一个延迟，再加上反馈回与非门一个输入端的信号与另一个输入端的信号可能存在不一致，使得在整个D锁存器的建立过程中，Q端输出的电压会存在一个“不稳定阶段”，我们可以把它叫做Setup time，这个不稳定阶段的“长度”与上一节提到的器件传输时延，和D端输入电平，Q端初始电平有关（假设E端电平始终不变）。注意，这个时间段的起始位置在D开始有效的那一点上。因为D输入后，还要经过一个时间段，Q端才开始“震荡”。
在时序电路中，我们经常用到的D触发器，就是通过诸如D锁存器一样的电平器件所组成的。这里我们提供一个典型的由D锁存器所组成的上升沿有效的D触发器模型。
Fig. 7. 上升沿有效的D触发器（DFF）
在D锁存器时序的基础上，分析一下D触发器的时序（局部）
Fig. 8. 上升沿有效的D触发器的时序图
Fig. 8 中的2/E1，4/D1，5/Q1/D2与D锁存器中的时序一模一样。
从时钟端口1上升沿开始，到窗口时间前面那一点结束，这段时间就是DFF的setup time。从时钟端口1上升沿开始，到窗口时间后面的那一点结束，这段时间就是DFF的hold time。从时钟端口1上升沿开始，到输出点Q稳定结束，这段时间就是DFF的clock to output时间，可用Tcko，Tco表示。
通常来讲，对于一个高速器件，这个时间窗口都会非常小。现在我们把时间窗口缩到正常比例，并略去DFF内部时序，只关注D，Q，CLK，我们会得到下面这个图。
Fig. 9. 在时序仿真中，可能出现的实际时序图
到这里，我们说一下“负hold time”。如果在纯时序器件前端加上一些组合逻辑，从而组合成一个有一定功能的时序器件。那么因为前面这个组合逻辑会占用一部分传输时间，因此从这个不纯的时序器件上看，采样窗口就会相对时钟上升沿提前，当采样窗口的尾部可以提前到时钟上升沿之前的时候，就会出现负hold time（setup time永远在上升沿前面，永远是正的）。这说明：“不纯的时序器件内部的组合逻辑的传输时间”大于“纯时序器件原来的hold time的绝对值”。
从这里，我们可以得到，（粉色的是key，但是不太理解）
1，主从结构的时序器件的S/H 时间和其内部第一级锁存结构的setup time，以及其可能含有的Inverter的传输时间有关。
2，主从结构的时序期间的CKO时间和其内部第二级锁存结构的setup time，以及其可能含有的Inverter的传输时间有关。
3，主从结构的时序器件的第一级锁存结构的setup time是影响其采样窗口的主要因素。数据在这个采样窗口被捕获进触发器。
4，任何在采样窗口时间内的电平异常，都可能引起采样异常，这就是导致亚稳态的最根本原因。
4、亚稳态的产生
如果说实际电路中的信号曲线像成年人一样复杂，那么时序仿真中的曲线就像小学生一样简单，而逻辑仿真中的曲线简直就像婴儿一样可爱。然而优秀的工程师的过人之处就是知道“什么时候”“该用什么样的方法”去化简并分析问题。
下面我们设想一下，在窗口时间内，如果输入电平一直是不稳定的，会发生什么事？
Fig. 10. 不同初始电平导致不同决断时间
如Fig. 10，假设当DFF第一级的E关断时，D点的不同输入电平会“定格”在那个值上（具体真实情况，需要查看第一级器件内部结构），这个初始值会影响第一级锁存器的setup time，或者说决断时间。因为如果这个初始值恰好在中间电平，那么第一层与非门的输出端就会经过一个较长时间才能达到应有的电平高度，再加上互相反馈输入的联合影响，最后整个锁存器的setup time都会被拉长。另外，由于系统随时都存在各种噪声，因此加上噪声会导致最后的电平与输入逻辑无关。但由于锁存器件有一种正反馈效应，因此初始信号越清晰，输出信号会被越快的设置好，受噪声的影响越小。所以从概率上讲，决断时间不会无限长。但是如果不加控制，这个不稳定的电平可能会对后面器件的电平设置带来不可预测的后果。
从这里我们可以看到：
1，采样窗口应该越小越好，这样会减少采样异常的可能性。但是由于系统时钟同样越来越快，从而这个采样窗口所占时钟周期的比例，变化并不会非常大（数量级的变化）。
2，如果我们能保证采样窗口内的数据是绝对稳定的，那么就可以完全避免亚稳态。但这一条在有异步电路，或者有跨时钟域的情况发生时，是很难完全保证的。
3，亚稳态有两种危害，“输出较长时间的不稳定电平”和“逻辑错误”。
以上是在器件的角度分析为什么会产生亚稳态。下面我们再升高一个级别，到RTL级去看看为什么会产生亚稳态。
5、相同时钟域内的亚稳态------S/H时间违约
想象一下，在两个相邻的DFF中间，有一条很长很复杂的组合逻辑器件链条。因此从前一级DFF出发的数据，需要经过很久很久才能在后一级DFF的输入端稳定下来。这个时间甚至要接近时钟周期（如果时钟周期只比关键路径长一点，这种情况是很可能的）。那么这个信号在采样窗口开始之后，才稳定下来，因此DFF第一级没有足够时间正确无误地设置电平，从而导致亚稳态的出现。这种情况叫做设置时间违约(setup time violation)
Fig. 11. Setup time violation
由于这种情况的发生是由于组合逻辑传输时间过长引起的，所以在设计时，只需要考察最长的那些路径。
下面来看另一种情况。如果在第一周期上升沿，从前一级触发器出发的D0到达了下一级（这时时钟周期已经接近下一周期的上升沿了）。这时有一个在第二周期上升沿，从前一级触发器出发的D1经过一个非常短的路径到达了下一级。如果这个传输时间小于hold time，那么，在上一个D0还没有完全结束采样的时候，D1会过来破坏这个采样。因此产生hold time违约(hold time violation)。由于这种情况的发生是由于组合逻辑传输时间过短引起的，所以在设计时，只需要考察最短的那些路径。
当我们清楚了S/H时间违约的原理后，就很容易想出预防的办法。
对于setup time违约，这是ASIC时序分析中最主要问题。如果从最长路径上传过来的信号到达的时间太晚，以至于错过了采样窗口，就会发生setup time违约。如何处理这种错误显而易见，那就是让他更早的到达，或者说更早的在下一级输入端口稳定下来。如何才是更早？1，增加时钟周期的长度，但这意味着整体速度下降。因此一般不这么做。
2，重新分配关键路径，将过长的路径中的一部分组合逻辑从路径中分离出来，放到相邻的时序级里面，或者单独形成一级（CPU中的多级流水就是基于这种技术），使得每一级里面的路径长度（其实是耗时长度）相差无几。但前提是不破坏逻辑功能，和系统功能。
3，如果这些都做不到，那就只能从组合逻辑的结构上下手，调整结构。
对于hold time违约，处理方法也很明显，那就是让他更晚的到达，或者说更晚的在下一级输入端口稳定下来，来防止对上一个数据造成影响。增加传输时间总是比减少传输时间简单。因此通常的做法是在传输路径上增加buffer，其实就是由两个反相器构成的器件，不影响逻辑功能，只增加延迟。Buffer还有一个功能，就是当信号线过长的时候，其上的RC会增加，因此为了保持接收端的信号完整性，比如增强输出端的驱动能力（供给电流的能力）,如果输出端的器件没有高驱动能力的版本（EDA公司提供的库中，很多器件都有多种驱动能力的版本），则可以通过增加buffer来分割长信号线，用以“分段驱动”。
由于亚稳态的出现是一种概率现象，并且结果正确与否也是一种概率现象，因此为了便于估
算，提出了一种统计模型来预测亚稳态所造成的危害的程度，这就是平均无故障时间”MTBF”。关于这个公式的推导，网上可以找到资料，这里忽略。记住一点，MTBF=1/失效率。后面介绍为什么使用二级DFF的时候还会提到。
其实对于相同时钟域内的时钟树来讲，在不同点也存在相位差别。但这种差别可以通过计算时钟信号线的长度来进行预测，并可通过时钟域内的时钟树综合算法来求得优化的结构。因此相对来讲，比较好解决。
对于跨时钟域通信，异步同步通信来讲，情况变得相对复杂。跨时钟域也是一种异步同步通信。两个时钟域内的时钟没有必然的频率关系和相位关系。造成这种情况的原因在于，在工程上，对待同一个时钟域的分析就已经比较复杂，目前有一些方法来优化时钟树，但当引入多个时钟的时候，如果进行联合分析，问题的复杂性会变得很大。因此工程上采用“各自独立分析优化，在此基础上进行互相通信设计”。下面分析一下异步同步交界面，跨时钟域交界面的亚稳态分析。
6、同步异步交界面的亚稳态
想象一下，在一个同步异步交界面上，或者跨时钟域的交界面上，外部发来的数据的到达时间，是很难与本地时钟产生什么必然的时序上的关系的。或者更确切的说，外部数据在本地输入端口的稳定时间与本地时序器件的采样窗口在时序上没有必然的联系。因此造成了同步异步接口间，跨时钟域接口间的亚稳态问题。
Fig. 12. 异步同步信号间的接口
如何解决这个问题的方法也是显而易见的，那就是：保证本地时序器件的采样窗口内所接受到的数据是绝对稳定的。但是做到这一点是极其困难的。对于异步同步交界面，由于异步数据与本地同步信号之间没有任何联系，因此原则上，是无法保证稳定采样的。对于跨时钟域的交界面，由于两个时钟之间的相位没有必然的联系，两个时钟之间的频率没有必然的联系，因此原则上，也是无法保证稳定采样的。
下面说一下常用的解决办法，由于涉及到具体问题的分析，并受到篇幅的限制，所以具体内容从略。
一）同步器
同步器就是将几个用本地时钟驱动的时序器件串联起来，去采样输入的异步数据。为什么会有这种方法呢。回忆决断时间的概念。当在第一级的时序器件出现亚稳态的问题时，其输出会出现一种不稳定的中间值，并且这个时间受多种因素影响，或者说这个输出在高电平到低电平之间满足一定形式的概率分布。当第二个时序器件的采样窗口到来的时候，在第二级输
入端口上的电平仍然处在可以使第二级出现亚稳态的电平范围内的概率会变得很小，如果再加上第三级，在第三极上的这个概率几乎可以忽略不计。从数学上讲，每个时序器件的亚稳态的出现都有一定的概率，如果多个期间串联，总概率是各自概率的积，因此增加期间，会消除“亚稳态”。但是这里的消除是指降低不稳定的时间，使得输出电平的稳定时间接近时钟周期。至于能否采样到正确的逻辑，则基本取决于第一个时序器件的输出。前面分析过，当亚稳态出现时，输出逻辑与输入逻辑的关系是不确定的。因此在逻辑上无法消除亚稳态的影响。
前面提到MTBF=1/失效率，当多个DFF串连时，MTBF=1/（失效率1×失效率2×…×失效率n）当两个DFF串联的时候，基本可以保证这个MTBF很大。对于量产的产品，全部产品无故障的时间为MTBF/产品量，因此如果产量较大，则需要有非常大的MTBF。
如果这种方法作用在控制信号上的时候，如果出现采样失效（比如跨时钟域时，采样率不匹配），则可以多等待几个周期，以保证有效采样到逻辑信号。还有机会完成控制操作。如果是数据信号，则这种方法很难保证无差错传输。
二）异步FIFO与握手协议
这两种方法可以用来传输对传输质量要求较高的数据信号，并且主要用在跨时钟域传输中。因为这种传输模式下，发送源，与接收目的地都需要有时钟控制。异步FIFO方法是一种总线思维，当然是一种比较简单的结构。握手协议是一种逻辑方法，与TCP握手类似。
网上资料比较多，相对也比较好理解，就不多说了。
三）延迟锁定环Delay locked loop
DLL 是一种使用在跨时钟域传输模式下的避免亚稳态的方法。很好理解，如果能够统计出在交界面上的信号的有效时间与发送源时钟信号周期的相对关系，就可以通过“将目的地时钟信号与发送源时钟信号的延迟关系进行锁定”来保证“在目的地的采样周期永远在信号有效的时间范围内”。这是一种将两个非同步时钟进行同步的一种方法。
网上有资料，就不多说了。
7、复位信号与亚稳态
当理解亚稳态的形成机制后，再理解复位信号可能导致的亚稳态问题就变得非常简单。
Fig. 13. 带复位信号的D触发器
由于复位信号是在随机状态下产生的，因此对系统的影响，及分析过程与异步同步交界面的亚稳态问题类似。网上分析很多，读者也可以自行分析。
8、结语
亚稳态产生的主要原因是，在时序器件的采样窗口内，无法保证输入信号始终保持在一个稳定的电平上。因此我们需要通过减小采样窗口来增加采样成功率（使用边沿触发器件对于电平触发器件来说，也是一种减小采样窗口的方法），或者通过对采样窗口或输入数据的稳定窗口的“移动”来保证采样成功，用以解决亚稳态问题。但在有异步信号的参与时，问题的解决将变得异常复杂。因此目前还没有一种通用的，有效的，可行的解决方法。但通过对亚稳态形成机制的探讨，可以使我们游刃有余的从工程的角度上解决实际项目中可能出现的具体的亚稳态问题。
1）亚稳态定义
亚稳态是指触发器无法在某个规定时间段内达到一个可确认的状态。当一个触发器进入亚稳态时，既无法预测该单元的输出电平，也无法预测何时输出才能稳定在某个正确的电平上。在这个稳定期间，触发器输出一些中间级电平，或者可能处于振荡状态，并且这种无用的输出电平可以沿信号通道上的各个触发器级联式传播下去。亚稳态这个点并不是真正的稳定，因为随机的躁声会驱使工作与亚稳态点的电路转移到一个稳定的工作点去。正如山顶的球一样，双稳态电路在不确定进入某一种状态之前，可能会在亚稳态停留一段不可预测的时间。
2）锁存器的亚稳态
尽管D锁存器消除了R-S锁存器的S=R=1的问题（清零置1同时有效）,但是亚稳态的问题依然存在。如果在建立保持时间窗内信号发生变化的话，锁存器的输出就是不可预测的，并
且可能进入亚稳态。
3)触发器的亚稳态
像D锁存器那样，边沿触发器D触发器也存在着一个建立和保持时间窗，在这段时间内D 端的输入一定不能变化。在这一窗口时间也是在CLK信号的触发沿附近，若未能满足建立和保持时间的要求，触发器的输出通常会进入一个稳定状态。尽管这个状态不可预知，但他不是0就是1。但是，有时输出也可能会震荡或者进入亚稳态，或进入一个界于0和1之间的亚稳态，如果触发器进入亚稳态，则它只是在经过一个随机的延时后，才会自己回到一个稳定状态。
在触发器的建立时间和保持时间要求没有得到满足时，触发器就会进入一个界于状态1与状态0之间的第三种状态，即亚稳态状态。最糟糕的是，理论上讲，门电路个触发器接受到这个亚稳态的输入信号之后，有些部件会把这个信号当成0，而另一些则把它当1，于是会产生不一样的输出，或者，还有一些门电路和触发器本身也可能产生亚稳态的输出信号（毕竟，这些器件现在都工作在其工作区的线性部分）。幸运的是，尽管触发器的输出保持亚稳态的可能性永远也不会为0，但这种可能性随着时间呈指数的下降趋势！
使触发器脱离亚稳态有两种方法：
1）利用满足最小脉宽宽度，建立时间等规定的输入信号，迫使触发器进入一个有效的逻辑状态。
2）等待足够长的时间，以便触发器自己脱离亚稳态状态。
亚稳定性分辨时间
如果满足了D触发器的建立和保持时间要求，那么在时钟沿到来后的Tpd时间(传播延迟)内触发器就会稳定在一个新的输出值上。如果没有满足D触发器的建立保持时间要求，触发器的输出就会进入亚稳态，并保持随机长的时间。在特定的系统设计中，我们用一个参数Tr(称为亚稳定分辨时间)，来表示在不引起同步器故障的情况下，输出会停留在亚稳态的最大时间。
有效的亚稳态分辨时间：
Tr=Tclk（时钟周期）-Tcomb（组合逻辑的传播延迟）-Tsetup
Tpd时间(传播延迟)：输入信号变化到产生输出信号变化所需的时间。
最可靠同步器设计
最可靠的同步器就是具有最大亚稳定性分辨时间的同步器。但是，在数字系统的设计中，我们不仅很少因为系统的可靠性而奢侈地降低时钟频率，而且为了让系统具有更好的性能还常常要求提高时钟频率。因此，通常需要能够在很短的时钟内可靠工作的同步器。
Tr=Tclk-Tcomb-Tsetup
速度越快的触发器建立时间就越短。Tcomb（组合逻辑的传播延迟）最小值为0；
用两级D触发器构成同步器，时钟异步信号输入DFF1，这个信号可能会违反触发器的建立时间和保持时间的规定。一旦发生这种情况。输出信号就会进入亚稳态，而且这个状态停留一个任意长的时间。然而，我们已经假设在时钟沿之后，亚稳定性保持的最长时间为Tr(称
为亚稳定分辨时间)。只要时钟周期比Tr与DFF2的建立时间之和要大，那么从下一个时钟触发沿开始，DFF2的输出信号就是异步信号（DFF的输入信号）的同步拷贝，而且不会进入亚稳态。于是就可以把DFF2的输出信号（时钟异步信号）分发到系统的其余部分！
通过两极触发器其实就是给亚稳态足够的脱离时间！
第9章材料的亚稳态 材料的稳定状态是指其体系自由能最低时的平衡状态，通常相图中所显示的即是稳定的平衡状态。但由于种种因素，材料会以高于平衡态时自由能的状态存在，处于一种非平衡的亚稳态。同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值。 材料在平衡条件下只以一种状态存在，而非平衡的亚稳态则可出现多种形式，大致有以下几种型： 1).细晶组织。当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。其中突出的例子是超细的纳米晶组织，其晶界体积可占材料总体积的50%以上； 2).高密度晶体缺陷的存在。晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。另外，对于有序合金，当其有序度下降，甚至呈无序状态（化学无序）时，也使自由能升高； 3).形成过饱和固溶体。即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解； 4).发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相，例如钢及合金中的马氏体。贝氏体，以及合金中的准晶态相等； 5).由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高。 9.1纳米晶材料 霍尔—佩奇(Hall-Petch)公式指出了多晶体材料的强度与其晶粒尺寸之间的关系，晶粒越细小则强度越高。但通常的材料制备方法至多只能获得细小到微米级的晶粒，霍尔—佩奇公式的验证也只是到此范围。如果晶粒更为微小时，材料的性能将如何变化？制得这种超细晶材料，是一个留待解决的问题。自20世纪80年代以来，随着材料制备新技术的发展，人们开始研制出晶粒尺寸为纳米（nm）级的材料，并发现这类材料不仅强度更高（但不符合霍尔一佩奇公式），其结构和各种性能都具有特殊性，引起了极大的兴趣和关注。纳米晶材料（或称纳米结构材料）已成为国际上发展新材料领域中的一个重要内容，并在材料科学和凝聚态物理学科中引出了新
锁存器和触发器 1．分析图1所示电路的功能，列出功能表。 图1 2．若图2 a所示电路的初始状态为Q = 1，E、S、R端的输入信号如图2 b 所示，试画出相应Q和Q端的波形。 S G3 Q Q E R S (a) (b) 图2 3．试用1片八D锁存器74HC373设计一个能锁存两位BCD码信号的锁存电路。假定三态输出使能端OE=0，锁存器原输出Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0=10010100（94D），而输入为D7D6D5D4D3D2D1D0=10010101（95D），画出锁存器锁存新数据前、后使能端LE应输入的波形和相应Q 的波形。 4．触发器的逻辑电路如图4所示，确定其应属于何种电路结构的触发器。
9 Q Q 图4 5．上升沿触发和下降沿触发的D触发器逻辑符号及时钟信号CP （CP）和D 的波形如图5所示。分别画出它们的Q端波形。设触发器的初始状态为0。 D D D CP（CP） 图5 6．设下降沿触发的JK触发器初始状态为0，CP、J、K信号如图6所示，试画出触发器Q端的输出波形。 J K 图6 7．逻辑电路如图7所示，试画出在CP作用下，φ0、φ1、φ2和φ3的波形。
图7 8．电路如图 8所示，设各触发器的初态为 0，画出在CP脉冲作用下Q端波 形。 Q1 Q1 3 Q3 4 Q4 CP (a) (b) (c) (d) 图8 9．逻辑电路如图9所示，已知CP和X 的波形，试画出Q1和Q2的波形。触发 器的初始状态均为0。 X 1 X 图9 10．两相脉冲产生电路如图10所示，试画出在CP作用下φ1、φ2的波形，并 说明φ1和φ2的时间关系。各触发器的初始状态为0。
亚稳态是指触发器无法在某个规定时间段内达到一个可确认的状态。当一个触发器进入亚稳态时，既无法预测该单元的输出电平，也无法预测何时输出才能稳定在某个正确的电平上。在这个稳定期间，触发器输出一些中间级电平，或者可能处于振荡状态，并且这种无用的输出电平可以沿信号通道上的各个触发器级联式传播下去。 1．亚稳态发生的原因 在同步系统中，如果触发器的setup time / hold time不满足，就可能产生亚稳态，此时触发器输出端Q在有效时钟沿之后比较长的一段时间处于不确定的状态，在这段时间里Q端毛刺、振荡、固定的某一电压值，而不是等于数据输入端D的值。这段之间成为决断时间（resolution time）。经过resolution time之后Q端将稳定到0或1上，但是究竟是0还是1，这是随机的，与输入没有必然的关系。 2．亚稳态的危害 由于输出在稳定下来之前可能是毛刺、振荡、固定的某一电压值，因此亚稳态除了导致逻辑误判之外，输出0～1之间的中间电压值还会使下一级产生亚稳态（即导致亚稳态的传播）。逻辑误判有可能通过电路的特殊设计减轻危害（如异步FIFO中Gray码计数器的作用），而亚稳态的传播则扩大了故障面，难以处理。 3．亚稳态的解决办法 只要系统中有异步元件，亚稳态就是无法避免的，因此设计的电路首先要减少亚稳态导致错误的发生，其次要使系统对产生的错误不敏感。前者要*同步来实现，而后者根据不同的设计应用有不同的处理办法。用同步来减少亚稳态发生机会的典型电路如图1所 示。 左边为异步输入端，经过两级触发器同步，在右边的输出将是同步的，而且该输出基本不存在亚稳态。其原理是即使第一个触发器的输出端存在亚稳态，经过一个CLK周期后，第二个触发器D端的电平仍未稳定的概率非常小，因此第二个触发器Q端基本不会产生亚稳态。注意，这里说的是―基本‖，也就是无法―根除‖，那么如果第二个触发器Q出现了亚稳态会有什么后果呢？后果的严重程度是有你的设计决定的，如果系统对产生的错误不敏感，那么系统可能正常工作，或者经过短暂的异常之后可以恢复正常工作，例如设计异步FIFO时使用格雷码计数器当读写地址的指针就是处于这方面的考虑。如果设计上没有考虑如何降低系统对亚稳态的敏感程度，那么一旦出现亚稳态，系统可能就崩溃了。 4 亚稳态与系统可靠性 使用同步电路以后，亚稳态仍然有发生的可能，与此相连的是平均故障间隔时间MTBF（mean time between failure），亚稳态的发生概率与时钟频率无关，但是MTBF与时钟有密切关系。有文章提供了一个例子，某一系统在20MHz 时钟下工作时，MTBF约为50年，但是时钟频率提高到40MHz 时，MTBF 只有1 分钟！可见降低时钟频率可以大大减小亚稳态导致系统错误的出现，其原因在于，时钟周期如果尽可能的大于resolution time 可减小亚稳态传递到下一级的机会，可提高系统的MTBF，
彻底理解锁存器，让你不再为锁存器头疼！ 锁存器（latch）：是电平触发的存储单元，数据存储的动作（状态转换）取决于输入时钟（或者使能）信号的电平值，尽当锁存器处于使能状态时，输出才会随着数据输入发生变化。 分为普通锁存器和门控锁存器，普通锁存器无控制信号，输出状态始终直接由输入决定。在实际的数字系统中，为了协调各部分的工作，往往需要有一个特定的控制信号去控制锁存器状态转换的时间，在控制信号无效时，输出保持不变，不随输入变换；当控制信号有效时，输出由输入决定，跟随输入变化。 基本锁存器 门控锁存器
①正是因为门控锁存器在控制信号有效的期间内，都可以接收输入信号，所以，激励信号的任何变化，都将直接引起锁存器输出状态的改变。这时输入信号若发生多次变化，输出状态也可能发生多次变化，这一现象称为锁存器的空翻。 ②其次，当门控锁存器的控制信号有效时，锁存器就变成了一个组合电路，时序逻辑电路的模型就等效为两个各组合电路互为反馈的反馈系统，因此，系统有可能会因为瞬态特性不稳定而产生振荡现象。 触发器（flip-flop）是边沿敏感的存储单元，数据存储的动作（状态转换）由某一信号的上升或者下降沿进行同步的（限制存储单元状态转换在一个很短的时间内）。（钟控D触发器其实就是D锁存器，边沿D触发器才是真正的D触发器） 触发器分为两种，一种是主从触发器和边沿触发器。主从触发器在时钟有效期内（主触发器）接收数据，在时钟边沿输出状态转换。边沿触发器在时钟边沿期间，触发器才接收数据并使输出状态转换。 主从触发器 目前，主从触发器基本上已经很少见了，实际使用的大都是边沿触发器。 寄存器（register）：用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。在实际的数字系统中，通常把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器。 区别与联系：由于触发器内有记忆功能，因此利用触发器可以方便地构成寄存器。由于一个触发器能够存储一位二进制码，所以把n个触发器的时钟端口连接起来就能构成一个存储n位二进制码的寄存器。 从寄存数据的角度来讲，寄存器和锁存器的功能是相同的；它们的区别在于寄存器是同步时钟控制，而锁存器是电位信号控制。
基本RS触发器和D触发器 一、实验目的： 熟悉几种常见触发器的逻辑功能，准确理解触发器特性描述和正确对其逻辑功能进行测试操作。熟练使用示波器来观看触发器的时序图。 二、实验内容： 1．搭接一个基本RS触发器，对其功能进行测试，填写基本RS触发器特性表。 2．对边缘D触发器74 LS74的逻辑功能进行测试，填写D触发器的特性表。 3．用D触发器实现计数功能和分频功能。 4．用4个D触发器设计一个4位的环形计数器。 三、实验条件： 1、硬件基础电学实验箱、双踪示波器、电源。 2、元器件：74LS00、74LS74、74LS175。 四、实验过程： 1、搭接一个基本RS触发器，对其功能进行测试。 a)实验原理： 基本RS触发器是由二个与非门交叉藕合构成的。基本RS触发器具有置"0"、置"1" 和"保持"三种功能。通常称s为置"1"端，因为s=0时触发器被置"1"；R为置"0"端，因为R=0时触发器被置"0"，当s= R=1时状态保持。基本RS触发器也可以用二个"或非门"组成，此时为高电平触发器。 b) 实验电路图： c)RS触发器特性表：
S R Q n Q n+1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 d)实验现象以及结论： 现象：当s=0时，r=1，结果置1。 当s=1时，r=0，结果置0。 当s=1时，r=1，次态与现态相同，即保持。 当s=0时，r=0，出现不稳定状态，如果连接Q'n+1,可以看到其与Qn+1的值相同，这个状态是要避免的。 结论：用74LS00搭接的基本RS触发器功能正确。 2、对边缘D触发器74 LS74的逻辑功能进行测试。 a)实验内容： i.Clk—>Q的波形（500Khz的时钟信号） ii.D—>Q的波形 iii.Clk—>D的波形（100Khz的时钟信号） b)实验原理： 双上升沿D触发器（有预置端和清除端）的逻辑图：
锁存器和触发器进入不可预测状态的分析与解决方法 一．锁存器 1.S-R锁存器 S-R锁存器进入亚稳态的可能情况：1.S,R同时由“1”变为“0”。 2.S，R任一端口输入脉冲很短（毛刺）。 区域2： 当S和R为“0”时，保持输出和上一状态相同，但由于S和R同时变化为“0”，各个器件传输延迟不同，那么保持的上一状态将是未知的。区域 2 的作用就是人为地增加R的传输延迟，从而在.S,R同时由“1”变为“0”时，使输出为确定状态（Q为1 QN为0）。也可以将区域2移到S输入端，这样在.S,R同时由“1”变为“0”时输出状态确定为Q为0 QN为1。 区域1： 区域1 可以一定程度上解决毛刺问题，区域1为D锁存器，当输入为脉冲宽度很小的毛刺时，D锁存器将其识别为没有变化，这样D锁存器输出就没有了此毛刺，后级的S-R锁存器就不会遇到此毛刺。如果D锁存器将一个一定脉冲宽度的脉冲识别为变化，那么输出给S-R锁存器。（其实没有什么严格规定，小于多少纳秒就是毛刺，所以我能想到的就是用其它器件来作前级“过滤”，至少可以消除一些宽度过小的毛刺。） 关于区域1和2的作用会在以下的几个锁存器和触发器的波形仿真中具体解释。S-R with enable 锁存器
S-R with enable锁存器进入亚稳态的可能情况：1 .S R C同时为“1”时，C由 “1”变为“0”，或者S ，R同 时由“1”变为“0”。 2. 毛刺 区域1： 区域1的作用同S_R锁存器，为“毛刺过滤”。 区域2： 两个区域2 都是由偶数个反相器组成，都是用来做延时。 上面的区域2的作用是：S R C同时为“1”，C由“1”变为“0”时，S通路较R通路变化滞后，这样在这种情况下，亚稳态被固定为Q为1 QN为0；（之所以这里用到四个反相器，而不是两个，是因为实验室两个也出现亚稳态。也就是延时不足。） 下面的区域2的作用是：C为“1”，S ，R同时由“1”变为“0”时，R通路较S通路变化滞后，这样在这种情况下，亚稳态被固定为Q为0 QN为1。 以下是Timing Simulation 时序图。
这篇文章感觉写的相当好 1、简介 这篇文章是我对电子设计中，亚稳态问题的一种分析和总结。文章通过对数字电路中器件的工作机制的介绍，引出亚稳态问题的发生机制。并通过对亚稳态问题发生机制的探讨，用以得到一种能够清楚地，有的放矢地解决亚稳态问题的能力。而这种能力，将会成为你作为一个工程师的价值所在。希望通过这个探讨，可以使你设计出属于自己的预防亚稳态的方法。对于常用的预防亚稳态的方法，由于网上已经有大量介绍，并且涉及到具体问题的分析，这里将不做重点介绍。 2、CMOS中的信息保存 Fig. 1. MOS管的电容模型 当一个MOS工艺晶体管被制造之后，在不同极之间，因为介电物质的存在，会形成电容。当晶体管工作时，这些电容会被充/放电。当充放电回路上的R，C有不同取值的时候，回路的时间常数（由RC表示）会不同。 在数字电路中，最简单的结构是反向器（inverter）。在CMOS工艺中，它由一个NMOS加一个PMOS组成。 Fig. 2. 反向器 对于这个反向器，可以简化成由工作电阻Ron，结点电容CL组成的充放电电路。
Fig. 3. 反向器充放电模型 当Inverter输入为0时，PMOS导通，对CL充电，时间由Rp*CL决定 当Inverter输入为1时，NMOS导通，对CL放电，时间由Rn*CL决定 其中CL由P/NMOS的漏极结点上所有相关的电容组成，这是一种近似的计算方法(将分布的电容进行集总)。 CL=Cdb+Cgd(Miller效应)+Cwire+Cg_fanout 从这里我们得到 1，任何信号都需要时间才能从输入端口传递到输出端口。 2，对CL的充放电影响系统的动态(翻转)功耗，如果想降低功耗，可以对不使用的信号添加使能。 3，由于Rp != Rn，所以Rp*CL != Rn*CL，所以rising time != falling time 对于分析亚稳态的问题，只需要记住第一条，任何信号从输入端口传递到输出端口都需要一定的时间。对于任何其他门电路，分析过程都一样。 3、SETUP/HOLD 时间的意义 S/H时间是时序器件的属性。下面我们来说一下，这两个时间是如何产生的。任何器件“原则”上都是电平有效的，边沿触发的器件是一种“把戏”。 首先我们看一下D锁存器。 Fig. 4. D锁存器 真值表： E D Q 0 x PreQ 1 0 0 1 1 1
1、简介 这篇文章是我对电子设计中，亚稳态问题的一种分析和总结。文章通过对数字电路中器件的工作机制的介绍，引出亚稳态问题的发生机制。并通过对亚稳态问题发生机制的探讨，用以得到一种能够清楚地，有的放矢地解决亚稳态问题的能力。而这种能力，将会成为你作为一个工程师的价值所在。希望通过这个探讨，可以使你设计出属于自己的预防亚稳态的方法。对于常用的预防亚稳态的方法，由于网上已经有大量介绍，并且涉及到具体问题的分析，这里将不做重点介绍。 2、CMOS中的信息保存 Fig. 1. MOS管的电容模型 当一个MOS工艺晶体管被制造之后，在不同极之间，因为介电物质的存在，会形成电容。当晶体管工作时，这些电容会被充/放电。当充放电回路上的R，C有不同取值的时候，回路的时间常数（由RC表示）会不同。 在数字电路中，最简单的结构是反向器（inverter）。在CMOS工艺中，它由一个NMOS加一个PMOS组成。 Fig. 2. 反向器 对于这个反向器，可以简化成由工作电阻Ron，结点电容CL组成的充放电电路。
Fig. 3. 反向器充放电模型 当Inverter输入为0时，PMOS导通，对CL充电，时间由Rp*CL决定 当Inverter输入为1时，NMOS导通，对CL放电，时间由Rn*CL决定 其中CL由P/NMOS的漏极结点上所有相关的电容组成，这是一种近似的计算方法(将分布的电容进行集总)。 CL=Cdb+Cgd(Miller效应)+Cwire+Cg_fanout 从这里我们得到 1，任何信号都需要时间才能从输入端口传递到输出端口。 2，对CL的充放电影响系统的动态(翻转)功耗，如果想降低功耗，可以对不使用的信号添加使能。 3，由于Rp != Rn，所以Rp*CL != Rn*CL，所以rising time != falling time 对于分析亚稳态的问题，只需要记住第一条，任何信号从输入端口传递到输出端口都需要一定的时间。对于任何其他门电路，分析过程都一样。 3、SETUP/HOLD 时间的意义 S/H时间是时序器件的属性。下面我们来说一下，这两个时间是如何产生的。任何器件“原则”上都是电平有效的，边沿触发的器件是一种“把戏”。 首先我们看一下D锁存器。 Fig. 4. D锁存器 真值表： E D Q 0 x PreQ 1 0 0 1 1 1
寄存器-触发器-锁存器区别与联系
1.1 寄存器 在实际的数字系统中，通常把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器．由于触发器内有记忆功能，因此利用触发器可以方便地构成寄存器。由于一个触发器能够存储一位二进制码，所以把n个触发器的时钟端口连接起来就能构成一个存储n位二进制码的寄存器。 1.2 锁存器 由若干个钟控D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路。数据有效迟后于时钟信号有效。这意味着时钟信号先到，数据信号后到。在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。 1.3 缓冲器 缓冲器相当于一个寄存器，暂时保存数据.缓冲是用来在两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。除了在关键的地方采用少量硬件缓冲器之外，大都采用软件缓冲。软件缓冲区是指在I/O操作期间用来临时存放输入/输出数据的一块存储区域。在操作系统中，引入缓冲的主要原因如： 缓和CPU与l/0设备间速度不匹配的矛盾。一般情况下，程序的运行过程是时而进行计算，时而进行输入或输出。以输出为例，如果没有缓冲，则程序在输出时，必然由于打印机的速度跟不上而使CPU停下来等待;然而在计算阶段，打印机又无事可做。如果设置一个缓冲区，程序可以将待输出的数据先输出到缓冲区中，然后继续执行;而打印机则可以从缓冲区取出数据慢慢打印。 1.4 寄存器和锁存器的区别 （1）寄存器是同步时钟控制，而锁存器是电位信号控制。 （2）寄存器的输出端平时不随输入端的变化而变化，只有在时钟有效时才将输入端的数据送输出端（打入寄存器），而锁存器的输出端平时总随输入端变化而变化，只有当锁存器信号到达时，才将输出端的状态锁存起来，使其不再随输入端的变化而变化 可见，寄存器和锁存器具有不同的应用场合，取决于控制方式以及控制信号和数据之间的时间关系：若数据有效一定滞后于控制信号有效，则只能使用锁；数据提前于控制信号而到达并且要求同步操作，则可用寄存器来存放数据。 一、锁存器 1. 锁存器的工作原理 锁存器不同于触发器，它不在锁存数据时，输出端的信号随输入信号变化，就像信号通过一个缓冲器一样；一旦锁存信号起锁存作用，则数据被锁住，输入信号不起作用。锁存器也称为透明锁存器，指的是不锁存时输出对于输入是透明的。
材料科学基础-材料的亚稳态 (总分：180.00，做题时间：90分钟) 一、论述题(总题数：18，分数：180.00) 1.从内部微观结构角度简述纳米材料的特点。 （分数：10.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的性能有突变的材料。按维数分，纳米材料的基本单元可分为3类：(1)零维，指在空间三维尺寸均处在纳米尺度，如纳米粉体材料；(2)一维，指在空间有二维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；(3)二维．指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。 由于纳米微粒的超细尺寸，它与光波波长、中子波长、平均自由程等为同一数量级，因此量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧穿效应，以及体积分数超过50%晶界结构的影响使纳米材料呈现出特殊的力学、物理和化学性能。) 解析： 2.试分析的Ni3Al粒子尺寸对Ni-Al合金流变应力影响的作用机制。 （分数：10.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(此例中的Ni3Al纳米颗粒是作为第二相分布于基体中的，故应以第二相微粒的弥散强化机制来分析之。) 解析： 3.说明晶体结构为何不存在5次或高于6次的对称轴? （分数：10.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(5次或高于6次对称轴不能满足阵点周围环境相同的条件，不具有平移对称性，不能实现有规则周期排列的晶体结构。) 解析： 4.何谓准晶?如何描绘准晶态结构? （分数：10.00） __________________________________________________________________________________________ 正确答案：(准晶系不具有平移对称性，然而是呈一定周期性有序排列的类似于晶态的一种原子聚集态固体。在三维空间中，它们除了具有5次对称轴外，还有8，10或12次对称轴，其衍射花样呈现出非晶体学对称性。大多数准晶相是亚稳的，只能用快速凝固的方法获得。众所周知，用正三角形、正方或正六边形可做平面的周期拼砌，然而用正五边形来拼砌，不能无重叠或无任何间隙铺满整个平面。因此，准晶态结构不能如同晶体那样取一个晶胞来代表其结构，即无法通过平移操作实现周期性。目前较常用的是拼砌花砖方式的模型来表征准晶结构。例如：5次对称的准周期结构可用边长相等、角度分别为36°和144°(窄)，以及72°和108°(宽)的两种菱形，遵照特别的匹配法将其构造出来。) 解析：
锁存器使用总结 本文要点 1：锁存器的主要作用 2：74HC573引脚图 3：74HC573电路连接及使用说明 锁存器辨析 所谓锁存器，就是输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号到来时才改变。典型的锁存器逻辑电路是 D 触发器电路。 PS：锁存信号（即对LE赋高电平时Data端的输入信号）。锁存，就是把信号暂存以维持某种电平状态。 锁存器的最主要作用 1：缓存、 2：完成高速的控制其与慢速的外设的不同步问题、 3：是解决驱动的问题（提供的电流比51IO口输出电流大） 4：拓展I/O口(可以很猥琐的用锁存器幂叠加方法，即锁存器的Q再接锁存器~ 实现IO口的无限拓展···) 锁存器应用实例： I/O口复用：当单片机连接片外存储器时，要接上锁存器，这是为了实现地址的复用。假设，MCU 端口其中的8 路的I/O 管脚既要用于地址信号又要用于数据信号，这时就可以用锁存器先将地址锁存起来。（具体操作：先送地址信息，由ＡＬＥ使能锁存器将地址信息锁存在外设的地址端，然后送数据信息和读写使能信号，在指定的地址进行读写操作） 如果单片机的总线接口只作一种用途，不需要接锁存器；如果单片机的总线接口要作两种用途，就要用到锁存器。例如：一个I/O口要控制两个LED，对第一个LED 送数据时，“打开”第一个锁存器而“锁住”第二个锁存器，使第二个LED 上的数据不变。对第二个LED 送数据时，“打开”第二个锁存器而“锁住”第一个锁存器，使第一个LED 上的数据不变。如果单片机的一个口要做三种用途，则可用三个锁存器，操作过程相似。就这一种用法而言，可以把锁存器视为单片机的I/O 口的扩展器。 74HC573引脚分布图
第5章 锁存器与触发器 习题与参考答案 [题5-1] 画出图题5-1所示的SR 锁存器输出端Q 、Q 端的波形，输入端S 与R 的波形如图所示。（设Q 初始状态为0） S R S R S R Q Q . . . . 图题5-1 解： S R . Q Q . . . . [题5-2] 画出图题5-2所示的SR 锁存器输出端Q 、Q 端的波形，输入端S 与R 的波形如图所示。（设Q 初始状态为0） S R S R Q Q . . . S R . . . . 图题 5-2 解： S R . Q Q . ... . . [题5-3] 画出图题5-3所示的电平触发SR 触发器输出端Q 、Q 端的波形，输入端S 、R 与CLK 的波形如图所示。（设Q 初始状态为0） C1S R S R Q Q . . . . CLK S R CLK . . . 图题5-3 解：
S R CLK . . Q Q . . [题5-4] 画出图题5-4所示的电平触发D 触发器输出Q 端的波形，输入端D 与CLK 的波形如图所示。（设Q 初始状态为0） C1 D D Q Q . . . . CLK D CLK . . 图题5-4 解： D CLK . . Q Q . . . . [题5-5] 画出图题5-5所示的边沿触发D 触发器输出端Q 端的波形，输入端D 与CLK 的波形如图所示。（设Q 初始状态为0） C1 1D D Q Q . . . . CLK D CLK . . . D Q Q . . . . CLK D CLK . . . C1 1D （1） （2） 图题5-5 解： D CLK . . . D CLK . .. （1） （2） Q Q . . . .
寄存器，触发器，锁存器之间的区别与联系 寄存器一般是边沿触发的触发器，电路里叫register，而触发器就是楼上所说的各种逻辑门构成的包含电平触发和边沿触发的两种，而锁存器则是电平触发的。所以一般说来，我们只叫寄存器和锁存器两种，在时序电路中寄存器的作用就是只在时钟的边沿有效传输data （setup time和hold time满足），而锁存器则在有效电平器件都可以传输data 寄存器:register，由时钟沿触发的，一般是主从的,我们这数字电路里也学过主要是由传输门和反向器构成,应用很广！ 锁存器:latch，由电平触发,有很很多种，有我们数字电路里学的JK,RS等，一般是用传输门和反向器构成构成在较多，其优点是面积小，但时序分析较困难! 触发器一般是指寄存器:flip-flop D触发器上电时Q和Q非的电平是怎样的？ D触发器刚上不定的。只有当有反馈后才知道。可以在R、S端加RC延时电路来预制初态 锁存器 在实际的数字系统中，通常把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器．由于触发器内有记忆功能，因此利用触发器可以方便地构成寄存器。由于一个触发器能够存储一位二进制码，所以把n个触发器的时钟端口连接起来就能构成一个存储n位二进制码的寄存器。锁存器是电平触发的存储单元，数据存储的动作取决于输入时钟（或者使能）信号的电平值，尽当锁存器处于使能状态时，输出才会随着数据输入发生变化。 触发器 触发器是边沿敏感的存储单元，数据存储的动作有某一信号的上升或者下降沿进行同步的。在实际的数字系统中，通常把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器．由于触发器内有记忆功能，因此利用触发器可以方便地构成寄存器。由于一个触发器能够存储一位二进制码，所以把n个触发器的时钟端口连接起来就能构成一个存储n位二进制码的寄存器。寄存器用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。其实寄存器就是一种常用的时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。触发器是在时钟的沿进行数据的锁存的，而锁存器是用电平使能来锁存数据的。所以触发器的Q输出端在每一个时钟沿都会被更新，而锁存器只能在使能电平有效器件才会被更新。有一些教科书里的触发器实际是锁存器。在FPGA设计中建议如果不是必须那么应该尽量使用触发器而不是锁存器。 钟控D触发器其实就是D锁存器，边沿D触发器才是真正的D触发器，钟控D 触发器在使能情况下输出随输入变化，边沿触发器只有在边沿跳变的情况下输出才变化。两个D锁存器可以构成一个D触发器,归根到底还是dff是边沿触发的，而latch是电平触发的。锁存器的输出对输入透明的，输入是什么，输出就是什么，这就是锁存器不稳定的原因，而触发器是由两个锁存器构成的一个主从触发器，输出对输入是不透明的，必须在时钟的上升
大学本科实验报告专用纸 课程名称数字电子技术实验成绩评定 实验项目名称触发器研究分析指导教师 实验项目编号实验项目类型验证+设计实验地点实B406 学生姓名学号学院 专业实验时间年月日 一、实验目的 1.学会正确使用D、 JK集成触发器。 2.掌握门控D锁存器、边沿JK、D触发器的工作原理。 3.深刻理解门控锁存器电平触发方式和触发器边沿触发方式的区别。 二、实验器件与实验设备 1．四2输入与非门74LS00 2片 2．双D正沿触发器74LS74 1片 3．双JK负沿触发器74LS73 1片 4．六反相器74LS04 1片 5．四2输入与门74LS08 1片 6．数字信号显示仪 7．GOS－6051示波器 8. TDS－4数字系统综合实验平台 芯片引脚图
四2输入与门：Y=AB
。 特别注意：74LS73引脚11是GND，引脚4是V CC 三、实验原理 1.时序逻辑电路测试 时序逻辑电路测试的目的是验证其状态的转换是否与状态图或时序图相符合。可用电平显示灯、数码管、示波器或数字信号显示仪等观察输出状态的变化。
常用的测试方法有两种： ①静态测试（又称单拍工作方式） 单拍工作方式：以单脉冲源作为时钟脉冲，用电平指示灯观察，逐拍进行观测输出变化，来判断输出状态的转换是否与状态图相符。单拍工作方式是检查设计与接线是否正确无误的第一步。 ②动态测试（又称连续工作方式） 连续工作方式：以连续脉冲源作为时钟脉冲，用示波器或数字信号显示仪观察波形，来判断输出波形是否与时序图相符。动态测试的主要目的测试电路的频率及稳定特性等。通常时序逻辑电路都必须进行连续工作方式的测试。 2. 触发器特性 触发器是具有记忆功能能存储数字信息的最常用的一种基本单元电路，是构成时序逻辑电路的基本逻辑部件。触发器具有两个稳定的状态：0状态和1状态；在适当触发信号作用下，锁存器和触发器的状态发生翻转，即锁存器和触发器可由一个稳态转换到另一个稳态。当输入触发信号消失后，锁存器和触发器翻转后的状态保持不变（记忆功能）。 四、实验内容与结果 1.测试双D触发器74LS74中一个触发器的逻辑功能 ①静态测试（又称单拍工作方式测试） 测试分析要求：按照下页表格测试，并根据实验测试结果填写74LS74的真值表。 测试提示： 在表格中的第一和第二行的测试中反复领会强制置0端CLR（又称复位）和强制置1端PR（又称置位）的强制特性。 在表格中的第三和第四行的测试中利用实验台单脉冲信号源和D输入信号的手动操作反复体验74LS74上沿触发方式的边沿触发器的触发方式的特性。
触发锁存和施密特触发器 在分析电路时偶尔会遇到施密特触发器，记得以前学过，翻了翻数电，发现还是没有网上概括的简单明了，于是整理转录了一些。 先讲讲触发器、锁存器和寄存器和缓冲区。 锁存器(latch):锁存器是电平触发的存储单元，数据存储的动作取决于输入时钟(或者使能)信号的电平值，当锁存器处于使能状态时，输出才会随着数据输入发生变化。数据有效迟后于时钟(或者使能)信号有效。这意味着时钟(或者使能)信号先到，数据信号后到。在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。 触发器(flipflop):最基本的就是边沿触发的存储单元。时钟有效迟后于数据有效。这意味着数据信号先建立，时钟信号后建立。在CP上升沿时刻打入到寄存器。 D触发器是指由时钟边沿触发的存储器单元，锁存器指一个由信号而不是时钟控制的电平敏感的设备。锁存器通过锁存信号控制，不锁存数据时，输出端的信号随输入信号变化，就像信号通过缓冲器一样，一旦锁存信号起锁存作用，则数据被锁住，输入信号不起作用。 锁存器和D触发器实现的逻辑功能基本相同，都是暂存数据。由与非门搭建的话，锁存器所耗用的逻辑资源比D触发器少，所以使用锁存器有更高的集成度，但锁存器有以下缺点: 1、没有时钟端，不受系统同步时钟的控制，无法实现同步操作，和当前我们尽可能采用时序电路的设计思路不符; 2、latch对毛刺敏感，受布线延迟影响较大，很难保证输出没有毛刺产 生;latch是电平触发，相当于有一个使能端，且在激活之后(在使能电平的时候)
相当于导线了，随输出而变化，在非使能状态下是保持原来的信号，这就可以看出和flip-flop的差别，其实很多时候latch是不能代替ff的。如果使用门电路来搭建latch和ff，则latch消耗的门资源比ff要少，这是latch比ff优越的地方。 3.在ASIC中使用latch的集成度比DFF高，但在FPGA中正好相反，因为FPGA 中没有标准的latch单元，但有DFF单元，一个LATCH需要多个LE才能实现。 https://www.doczj.com/doc/308563341.html,tch将静态时序分析变得极为复杂，目前latch只在极高端电的路中使用，如intel的P4等CPU。 一般的设计规则是:在绝大多数设计中避免产生LATCH.它会让您设计的时序完蛋，并且它的隐蔽性很强，非老手不能查出.latch最大的危害在于不能过滤毛刺。这对于下一级电路是极其危险的。所以，只要能用D触发器的地方，就不用latch。有些地方没有时钟，也只能用latch了。 组合逻辑避免产生latch的一种常用做法。在process里面的最开头对组合逻辑的输出赋初值。 举例说明如下: process(Rd_lenth,Wr_Addr_En,Rd_Addr_En,MRd_En,MWr_En,lm_Ack_n) beginnext_state=cur_state; casecur_stateiswhenidle= if(x)thennext_state=busy; else . endif; . Endprocess;
第五章锁存器和触发器u锁存器 RS锁存器、门控RS锁存器、D锁存器u触发器的电路结构与工作原理 一、主从触发器 二、维持阻塞触发器 u触发器的逻辑功能 一、RS触发器 二、JK触发器 三、D触发器 四、T触发器 五、T/触发器
锁存器和触发器 触发器（FF：Flip-Flop)的特点： ?有两个稳态0、1 ?可存储一位二进指数（有记忆功能） ?有两个互补输出，且输出不仅与输入有关，还和原状态有关。按电路结构分类： ★基本RS锁存器 ★门控RS锁存器 ★主从触发器，主从RS；主从JK ★边沿触发器，边沿JK；边沿D 按功能分类： RS触发器、JK触发器、D触发器、T触发器、T’触发器 功能描述： ◆功能表（真值表）（特性表） ◆特性方程（表达式）（状态方程） ◆状态图 ◆时序图
1 Q RS 输入，为触发信号，Q 和状态输出规定Q 的状态即锁存器或触发器的状态。输入RS 直接控制输出 1 +n Q ——次态，下一刻稳定的状态。n Q ——现态，现在稳定的状态。 §5.1 锁存器
加有效信号，Q 不管原来状态为何，Q 都为1 ——置位，置“1”。S ——置位端 加有效信号，Q 不管原来状态为何，Q 都为0 ——复位，置“0”。R ——复位端 Q 状态转换的过程（Q 由0→1，或由1→0），称锁存器状态翻转。 基本RS 锁存器只能在SR 作用下置“1”或置“0”——称置“1”置“0”锁存器。 基本RS 锁存器 n n Q Q =+12、工作原理： （1）S=R=1时：Q n+1=Q n ；锁存器状态保持不变0 ,1==Q Q （2）S=0，R=1时：锁存器处于1 ,1==Q Q （3）S=1，R=0时： 锁存器处于01 ==Q Q （4）R=S=0时： ，（与非门组成的电路） ——非0非1态（不定状态，不允许出现）
1.1 寄存器 在实际的数字系统中，通常把能够用来存储一组二进制代码的同步时序逻辑电路称为寄存器．由于触发器有记忆功能，因此利用触发器可以方便地构成寄存器。由于一个触发器能够存储一位二进制码，所以把n个触发器的时钟端口连接起来就能构成一个存储n位二进制码的寄存器。 1.2 锁存器 由若干个钟控D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路。数据有效迟后于时钟信号有效。这意味着时钟信号先到，数据信号后到。在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。 1.3 缓冲器 缓冲器相当于一个寄存器，暂时保存数据.缓冲是用来在两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。除了在关键的地方采用少量硬件缓冲器之外，大都采用软件缓冲。软件缓冲区是指在I/O操作期间用来临时存放输入/输出数据的一块存储区域。在操作系统中，引入缓冲的主要原因如： 缓和CPU与l/0设备间速度不匹配的矛盾。一般情况下，程序的运行过程是时而进行计算，时而进行输入或输出。以输出为例，如果没有缓冲，则程序在输出时，必然由于打印机的速度跟不上而使CPU停下来等待;然而在计算阶段，打印机又无事可做。如果设置一个缓冲区，程序可以将待输出的数据先输出到缓冲区中，然后继续执行;而打印机则可以从缓冲区取出数据慢慢打印。 1.4 寄存器和锁存器的区别 （1）寄存器是同步时钟控制，而锁存器是电位信号控制。 （2）寄存器的输出端平时不随输入端的变化而变化，只有在时钟有效时才将输入端的数据送输出端（打入寄存器），而锁存器的输出端平时总随输入端变化而变化，只有当锁存器信号到达时，才将输出端的状态锁存起来，使其不再随输入端的变化而变化 可见，寄存器和锁存器具有不同的应用场合，取决于控制方式以及控制信号和数据之间的时间关系：若数据有效一定滞后于控制信号有效，则只能使用锁；数据提前于控制信号而到达并且要求同步操作，则可用寄存器来存放数据。 一、锁存器 1. 锁存器的工作原理 锁存器不同于触发器，它不在锁存数据时，输出端的信号随输入信号变化，就像信号通过一个缓冲器一样；一旦锁存信号起锁存作用，则数据被锁住，输入信号不起作用。锁存器也称为透明锁存器，指的是不锁存时输出对于输入是透明的。 锁存器原理见图
第5章半导体存储电路 5.1复习笔记 本章系统地介绍了各种半导体存储电路的结构、工作原理和使用方法。首先介绍了基本的存储单元：SR锁存器和触发器，然后介绍了由这些存储单元组成的寄存器和随机存储器。本章的重点内容为：SR锁存器和触发器的电路结构、工作原理和动作特点。 一、概述 存储单元、寄存器、存储器的概念与特点如表5-1-1所示。 表5-1-1存储单元、寄存器、存储器的概念与特点 二、SR锁存器 SR锁存器有两个能自行保持的稳定状态，且可根据输入信号置1或0状态，但它的置1或0操作是由输入的置1或0信号直接完成，不需要触发信号触发，所以不把它归为触发器，以示区别。常用的SR锁存器可由两个或非门或者两个与非门组成。 1．或非门组成的锁存器
用或非门组成的锁存器如图5-1-1所示，特性如表5-1-2所示，其工作原理如下： （1）D 1S =、D 0R =时，1Q =、1Q '=，当D 1S =信号消失以后，电路保持1状态不变； （2）D 0S =、D 0R =时，0Q =、1Q '=，当D 1R =信号消失以后，电路保持0状态不变； （3）D D 0S R ==时，电路保持原状态不变； （4）正常工作时不允许输入S D ＝R D ＝1的信号。 2．与非门组成的锁存器 用与非门组成的锁存器如图5-1-2所示，特性如表5-1-3所示。 图5-1-1用或非门组成的SR 锁存器 图5-1-2 用与非门组成的SR 锁存器表5-1-2用或非门组成的SR 锁存器的特性表
注：S D、R D的1状态同时消失后状态不定。 表5-1-3用与非门组成的SR锁存器的特性表 注：S D、R D的0状态同时消失后状态不定。 三、触发器 1．触发器的概念和特点（见表5-1-4） 表5-1-4触发器概念和特点 2．电平触发的触发器 （1）电平触发的触发器结构、工作原理、动作特点（见表5-1-5）：
第 9章 材料的亚稳态 一、简答题 1．亚共析钢TTT 图如图9-1所示，按图中所示的不同冷却和等温方式热处理后，分析其形成的组织并作显微组织示意图。 图9-1 答：（1）α＋珠光体（α先形成于γ晶界处）； （2）细片珠光体（屈氏体）； （3）屈氏体＋马氏体（屈氏体先形成于γ晶界处）； （4）上贝氏体＋马氏体（贝氏体呈羽毛状，从晶界向晶内生长）； （5）马氏体组织。 2．w （C ）为1.2％钢淬火后获得马氏体和少量残留奥氏体组织，如果分别加热至180℃，300℃和680℃保温2h ，各将发生怎样的变化？说明其组织特征并解释之。 答：180℃回火：马氏体针叶中开始分解出微细碳化物，易浸蚀，呈暗色。 300℃回火：残留奥氏体发生分解，转变成α＋细碳化物，马氏体也分解成α＋细 碳化物，原马氏体形态不太明显。
680℃回火：碳化物呈粒状分布于铁素体基体中，组织为粒状珠光体。 3．共析钢的奥氏体化有几个主要过程？合金元素对奥氏体化过程有什么影响？ 答：共析钢奥氏体化有四个主要过程：奥氏体形成、渗碳体溶解、奥氏体均匀化、晶粒长大。合金元素的主要影响通过碳的扩散体现，碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低奥氏体形成、渗碳体溶解、奥氏体均匀化速度。 4．何谓钢的冷脆性？是怎样产生的？如何防止？ 答：（1）随着温度的降低，大多数钢材的强度会有所增加，而韧性下降。金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。值得一提的是，具有面心立方晶格结构的奥氏体不会发生低温脆性，而体心立方晶格的铁素体会发生低温脆性。钢材中磷含量的增加会显著增加钢材的冷脆性。 （2）产生原因：磷在纯铁中溶解度高，强度升高，塑韧性降低，钢的脆性转变温度急剧降（低温脆性）。 （3）防止措施：炼钢时控制磷的含量。 5．简述金相显微试样制备步骤。 答：金相显微试样的制备步骤主要包括取样、镶样、磨制、抛光、侵蚀等工序。 （1）取样。显微试样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位。确定好部位后就可把试样截下，试样的尺寸通常采用直径Φ12～15mm，高12～15mm的圆柱体或边长12～15mm的方形试样。 试样的截取方法视材料的性质不同而异，软的金属可用手锯或锯床切割，硬而脆的材料（如白口铸铁）则可用锤击打下，对极硬的材料（如淬火钢）则可采用砂轮片切割或电脉冲加工。不论采用那种方法，在切取过程中均不宜使试样的温度过于升高，以免引起金属组织的变化，影响分析结果。 （2）镶样。当试样的尺寸太小（如金属丝、薄片等）时，直接用手来磨制很困难，需要使用试样夹或利用样品镶嵌机，把试样镶嵌在低熔点合金或塑料（如胶木粉、聚乙烯及聚合树脂等）中。 （3）磨制。试样的磨制一般分粗磨和细磨两道工序。粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。经粗磨后试样表面虽较平整，但仍还存在有较深的磨痕。细磨的目的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，为下一步的抛光作好准备。 （4）抛光。细磨后的试样还需进一步抛光。抛光的目的是去除细磨时遗留下来的细微磨痕而获得光亮的镜面。抛光方法一般分为机械抛光、电解抛光和化学抛光三种。 （5）侵蚀。经抛光后的试样若直接放在显微镜下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物（如MnS及石墨等）外，无法辨别出各种组成物及其形态特征。必须使用浸蚀剂对试样表面进行浸蚀，才能清楚地显示出显微组织的真实情况。 浸蚀方法是将试样磨面浸入浸蚀剂中，或用棉花沾上浸蚀剂擦拭表面。浸蚀时间要适