基于FPGA的数字电路实验5：时序电路之触发器

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时间的重要性不言而喻，加上时间这个维度就如同X-Y的平面加上了一个Z轴，如同打开了一个新的世界。所以今天我们就要来聊聊时序电路。

在时序电路中，电路任何时刻的稳定状态输出不仅取决于当前的输入，还与前一时刻输入形成的状态有关。是不是有点绕？这样，下次当你和对象吵架时，她把以前各种旧账翻出来一起算的时候，你别急着还嘴，赶紧趁机温习一下时序电路的概念，也许你想着想着就笑了。

总之……时序电路是有记忆功能的，因此可以设计成储存电路用来保存信息。常用的存储电路有两类：一类采用电平触发，我们称为锁存器（Latch）；另一类通过边沿信号触发，也就是触发器（Flip-flop）。中文译法经常有一种不明觉厉的感觉有木有。

事实上，触发器的工作原理并不复杂。首先我们来看图1。

图1所示的是一个D类触发器的框图和内部门电路结构。框图中输入端的三角形代表着时钟信号边沿触发方式。同学们可以通过门电路结构研究D类触发器的工作原理，在这里我们直接给出它的状态特性表：

CLK	D	Q	Q’
X	X	X	Q
X	0	0	0
↑	0	1	1
↑	1	0	0
↑	1	1	1

其中，向上的箭头表示时钟信号从低升至高电平时触发有效；反之，从高电平降至低电平的边沿触发方式则由向下的箭头表示。现在我们给出D类触发器的Verilog代码。

module dff2

(

input clk,d,

output reg q,

output wire qbar

);

assign qbar = ~q;

always @(posedge clk) // 只有clk上升沿时刻触发

q <= d; // 只有当触发生效时，才将d的值赋予给q

endmodule

上述代码的意思差不多等效于：你不起床就别想让我起床。就算你起床了，如果没把早餐做好，我还是不起床。

现在，我们已经有了代码，如何在小脚丫上进行实验呢？其他的好说，问题是我们要处理一下时钟信号的问题，也就是代码中的clk变量。

通常，输入变量clk直接会被指定到小脚丫的板载时钟信号上。不过，小脚丫的固定时钟信号频率为12兆赫兹，比人眼能分辨出的频率快近几十万倍，所以我们根本不可能观察到任何变化。

在我们学习时钟分频之前，观察本次实验的最好办法，就是通过手动时钟信号。因此，我们将变量分配至小脚丫的以下管脚：

变量	小脚丫元件	FPGA管脚
clk	SW1	J12
d	SW4	H13
q	L1	N15
qbar	L2	N14

理论上说，将上述程序及管脚分配导入至小脚丫后，可以通过调节开关SW1和SW4来观察q和qbar的状态（L1和L2）。

我知道很多人手里没有小脚丫，并且也懒得去www.stepfpga.com上购买，所以我就抛一个问题让大家隔空思考一下（才知道微信把公众号留言功能给关闭了）：假如说，这个程序在仿真上的结果是正确的，但是导入小脚丫之后就不正常工作了，你觉得会是什么原因？