【详解】什么是锁存器/触发器？及其之间的区别

什么是锁存器

锁存器（Latch）是一种数字电路元件，它具有存储功能，能够保持其输出状态直至收到新的输入信号使其改变。#锁存器#的特点是对输入信号的电平敏感，也就是说，当输入信号满足特定条件时（如高电平或低电平），输出状态会被“锁存”住，即维持不变，即使输入信号随后改变。

锁存器的典型示意图

锁存器的工作原理

锁存器是一种数字电子电路组件，其工作原理是基于反馈逻辑，能够保持和存储数字信号的状态。一旦锁存器接收到有效的输入信号并进入某一状态后，它将保持这个状态，直到收到另一个有效的输入信号来改变状态。

典型的锁存器由一组逻辑门（如与门、或门、非门）构成，常见的锁存器类型包括SR锁存器（Set-Reset Latch）、D锁存器（Data Latch）和JK锁存器等。

SR锁存器：

• 当S（Set）输入为高电平且R（Reset）输入为低电平时，输出Q被置位为高电平；

• 当S为低电平且R为高电平时，输出Q被复位为低电平；

• 若S和R同时为高电平，则锁存器状态不确定，一般设计成禁止状态；

• 当S和R同时为低电平时，锁存器保持当前的输出状态不变。

D锁存器：

• D锁存器有一个数据输入端（D）和一个使能端（E）；

• 当使能信号有效（例如高电平）时，D锁存器会捕获D端的信号，并将其保存在输出Q上；

• 当使能信号变为无效时，即使D端的信号发生变化，输出Q也会保持不变，直到下一个使能脉冲到来。

锁存器的输出状态是通过内部的反馈路径维持的，即输出的一部分会返回作为输入的一部分，形成正反馈或负反馈，这样就能在没有外部信号的情况下保持其状态。由于锁存器是电平敏感型存储单元，所以在一些设计中为了避免不可控状态转移和毛刺，往往会使用触发器（边沿触发型存储单元）替代锁存器，尤其是在同步电路设计中。

锁存器的主要作用包括：

1. 缓存数据，临时存储数据以便后续处理。

2. 在高速和低速部件之间起到同步作用，例如在高速控制器和慢速外设间传输数据时。

3. 解决驱动能力问题，确保输出信号能够稳定地驱动其他电路。

4. 实现I/O口的双向功能，使得同一引脚既能作为输入也能作为输出。

需要注意的是，虽然锁存器能够存储数据，但它们没有像寄存器那样的时钟边沿触发特性。寄存器是基于时钟信号并在时钟边沿（上升沿或下降沿）触发时采样并更新其内部状态的存储单元，而锁存器则根据输入信号的电平持续变化而变化。在现代数字系统设计中，特别是同步设计中，为了提高系统的稳定性，更倾向于使用带有时钟控制的寄存器而不是单纯的电平敏感锁存器。

什么是触发器

触发器（Trigger）在数据库管理领域是指一种特殊的数据库对象，它在数据库系统中被关联到特定的表上，并且在该表上发生特定数据修改事件（如INSERT、UPDATE、DELETE）时自动执行预定义的一系列操作或逻辑。#触发器#的工作机制是非显式调用的，即数据库管理员或应用程序并不直接调用触发器，而是当满足触发条件时由数据库系统自身自动激活。

触发器的典型原理图

触发器的主要作用和用途包括但不限于以下几个方面：

1. 数据完整性：通过触发器可以实施复杂的数据完整性约束，超越了标准的主键约束、外键约束和检查约束的能力，确保数据在更新或插入时遵循特定的业务规则。

2. 审计跟踪：可以用来记录所有对表的操作，以供安全审查或追踪数据变更历史。

3. 业务逻辑强制：执行复杂的业务流程，比如在插入新订单前验证用户的账户状态、更新相关统计表或触发级联操作。

4. 引用完整性维护：尽管外键约束是维护引用完整性的标准手段，但在某些情况下，触发器也可以辅助实现更加灵活的引用完整性保障措施。

5. 安全性控制：根据数据库中的值动态限制或控制用户的操作权限。

在SQL Server等数据库管理系统中，触发器通常是用SQL语句编写的存储过程，它可以访问触发事件的相关信息，如旧值（OLD）和新值（NEW），并通过这些信息来决定如何响应触发事件。同时，触发器还可以访问其它表的数据以及执行复杂的事务操作。

锁存器和触发器的区别

锁存器和触发器都是数字逻辑电路中的基本存储单元，都可用于存储一位二进制信息，但是它们的工作方式和应用场景有所不同：

锁存器（Latch）

1. 触发机制：锁存器是电平敏感的，这意味着它的状态改变依赖于输入信号（数据信号和使能信号）的电平状态。当使能信号（Enable）有效（一般是高电平）时，锁存器会根据数据输入信号改变其输出状态，并在使能信号取消后继续保持这个状态，直到再次受到使能信号的影响。

2. 行为特点：在使能信号无效时，如果数据输入信号改变，锁存器可能因为布线延迟等原因导致输出出现瞬态不稳定（毛刺）。锁存器的输出状态可能会随时跟随输入变化，除非被有效地锁存。

3. 透明性：锁存器常被称为“透明锁存器”，这是因为当使能信号关闭时，输出不是锁定的，此时输入信号可以直接传递到输出，就像一个缓冲器。

触发器（Flip-flop）

1. 触发机制：触发器是边沿敏感的，它仅在时钟信号的上升沿或下降沿（或两者）触发时才改变状态，而不论时钟信号的其他部分是什么电平。这种特性使得触发器不受布线延迟等因素的影响，从而能更好地保证输出的稳定性和无毛刺。

2. 行为特点：触发器的状态只在时钟边沿到来时根据输入数据进行翻转，而在时钟信号的稳定状态下，即使输入信号变化，输出也不会改变，从而避免了因噪声引起的不必要的状态变化。

3. 同步性：触发器广泛应用于同步逻辑设计中，其行为严格同步于全局时钟信号，便于设计者精确控制电路的状态转换和数据传输。

结合上文所得：锁存器更适合于异步逻辑设计和需要连续跟踪输入变化的应用场合，但因其敏感于电平而非边沿，容易受噪声和延迟影响。触发器在同步逻辑设计中占据主导地位，其边沿触发的特性提高了系统的可靠性和抗干扰能力。在现代集成电路设计中，特别是在高性能处理器和数字系统设计中，出于稳定性考虑，触发器的使用更为普遍。