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# 4.3. D Flip-Flop：以时钟为脉搏的存储器

前文中提到的 SR Latch 具备了存储 1 Bit 数据的能力，而时钟用来同步电路的运行，那么如何利用时钟信号来控制数据进行写入呢？下图所示的 D Latch 可以实现该效果：

![D Latch](https://4257267501-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MdQXCtxb9g6w1DURwQ9%2F-MdWKlKNQdKW9dQ6SVSt%2F-MdWNdefQPYqRAWYlLXa%2Fd_latch.png?alt=media\&token=20ce8a2e-0fc6-48ad-b10c-9949cc3f49b9)

分析该电路可以发现，时钟信号控制着数据的写入情况：

* 当时钟信号 C = 0 时，Q 不改变
* 当时钟信号 C = 1 时，Q 的值被设置成 D

细心的读者会发现：D Latch 还解决了 S 与 R 不能同时为 1 的问题。

D Latch 的特点是，当时钟信号是 1 时， Q 的数据总是会保持与 D 一致。这种机制的电路叫着 Level-trigger, Level 指时钟脉冲信号的上沿（Top level）或下沿（Bottom level）。上图的 D Latch 是上沿触发的，信号 D 和 Q 随着时钟脉冲信号 CK 变化的示意图如下：

![](https://4257267501-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MdQXCtxb9g6w1DURwQ9%2F-MdWKlKNQdKW9dQ6SVSt%2F-MdWNx6dxrZsDZsbQo9q%2Flevel_trigger_dlatch.png?alt=media\&token=6f80c313-b6ec-4696-a5ea-1b13faded528)

注意在最后一个时钟的上沿阶段，Q 随着 D 变化了两次，而这正是 D Latch 的特点：在时钟信号为 1 时，输出信号 Q 总是能够实时**捕捉**到输入数据 D 的变化。

与 Level-trigger 相对应的是在时钟信号变化的瞬间进行触发，而在其它时候保持 Q 的信号不变。这种触发方式叫着 Edge-trigger, 下图展现的是通过两个 D Latch 与一个非门组装的效果图，上面的电路通过上升沿触发，下面的通过下降沿触发：

![D Flip-Flop](https://4257267501-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MdQXCtxb9g6w1DURwQ9%2F-MdWKlKNQdKW9dQ6SVSt%2F-MdWOAbAwjpGh0p70n98%2Fd_flipflop.png?alt=media\&token=9312ba56-c82a-4b2d-aea9-2a03bc67c3ff)

我们来分析 A, 一个通过上升沿触发的电路组件：当 CLK 为 0 时， CLK0 为 1, 因此 Q0 的值会一直与 D 保持一致，而由于 CLK1 此时为 0, 所以输出端 Q 的值不会改变；但当 CLK 变为 1 时，CLK1 的值变为 1, 此时 Q0 的值会立马写入 Q, 而由于 CLK0 此时为 0, Q0 的值将保持不变，所以 Q 的值将会锁定为 CLK 由 0 变为 1 时的瞬时值，即数据的写入是由时钟信号的上升沿触发的。

这种电子组件叫着 D Flip-Flop, D 可以代表 Data, 也可以是 Delay, 简称为 DFF. 由于 DFF 总是在时钟信号变化时才触发数据的写入操作，因此其输出信号与输入信号满足如下关系：out(t) = in(t - 1), 其中 t 为任意时钟周期。一个 DFF 的信号在时钟周期上的表示如下图所示：

![DFF Behavior](https://4257267501-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MdQXCtxb9g6w1DURwQ9%2F-MdWKlKNQdKW9dQ6SVSt%2F-MdWOUTW1f1DKge4zFgx%2Fdff_behavior.png?alt=media\&token=84254b7d-1ac0-4974-944d-e06da65980bb)

DFF 是构建存储型电子芯片的基础元件，寄存器（Register）、内存（RAM）等都可以基于 DFF 进行构建，所有的 DFF 都连接到系统的时钟信号上，这样可以保证所有对数据的写入操作都会在下个时钟周期生效，而这正是我们期待的效果。