1 前言
??本文是基于《編碼》腕侄、《穿越計算機的迷霧》兩部著作進(jìn)行讀后整理的記錄性博客。對書中較為重要的內(nèi)容進(jìn)行歸納整理進(jìn)行二次創(chuàng)作，略去了繁瑣的講述細(xì)節(jié)冕杠，力求簡明扼要微姊。
編碼：一種由若干符號和規(guī)則組成的系統(tǒng)，用來向計算機表述指令拌汇。
2 正文
2.1 D 型觸發(fā)器
??R-S 觸發(fā)器最突出的特點在于柒桑，它可以記住哪個輸入端的最終狀態(tài)為 1。但是有時候我們需要一種記憶能力更加強大的電路噪舀，例如能記住在某個特定時間點上的一個信號是 0 還是 1魁淳。
我們想在計算機中保存一個比特，但我們會發(fā)現(xiàn)我們的觸發(fā)器有兩個輸出与倡，保存一個比特不需要這么多界逛，因此我們可以將 Q反廢棄不用。
我們的愿望是用觸發(fā)器保存一個比特纺座，一個比特只需要一根電線就可以傳送息拜，對于我們的觸發(fā)器它有兩個輸入端 S 和 R。而且净响，觸發(fā)器要正常工作少欺，離不開這兩個輸入端，要想使 Q = 0馋贤，S 必須為 0赞别，R 必須為 1；要想使 Q = 1配乓，必須使 S = 1 而 R = 0仿滔。
我們可以使用非門使 R 與 S 總是相反，解決觸發(fā)器保存 1 個比特的問題犹芹，如下圖所示崎页。很顯然，因為要想使觸發(fā)器保存一個比特腰埂，就必須使 S 和 R 以相反的方式出現(xiàn)飒焦，所以非門的作用就是創(chuàng)造這樣的條件。
可以發(fā)現(xiàn)屿笼，上述電路雖然可以保存 1 個比特牺荠，但它保存的比特會隨時因為后面?zhèn)魅氲臄?shù)據(jù)而改變，也即上面介紹的方法無法真正保存刁卜，被保存的比特不能夠獨立存在而不受影響志电。
因此我們可以考慮為上述電路添加一個 “控制器”，不保存數(shù)據(jù)時輸入數(shù)據(jù)無影響蛔趴，需要保存數(shù)據(jù)時打開 “門”挑辆，存入數(shù)據(jù)，關(guān)上 “門”，后續(xù)輸入的數(shù)據(jù)無法存入除非再次打開 “門”鱼蝉。
??在構(gòu)造具備這種功能的電路之前洒嗤，讓我們先來思考一下它的具體行為。這個電路存在兩個輸入魁亦。其中一個我們稱之為數(shù)據(jù)端（Data）渔隶，用來傳入數(shù)據(jù)。與所有數(shù)字信號一樣洁奈，數(shù)據(jù)端取值為 0 或 1间唉；另一個輸入被稱為保持位（Hold That Bit），保持位的作用就是使當(dāng)前的狀態(tài)被 “記住”利术，通常情況下保持位被設(shè)置為 0呈野，在這種情況下數(shù)據(jù)端對電路不產(chǎn)生影響。當(dāng)保持位置 1 時印叁，數(shù)據(jù)端的值就會在電路系統(tǒng)中被 “記住”被冒。隨后保持位又置為 0，這時電路已經(jīng) “記住” 了數(shù)據(jù)端的最后一次輸入轮蜕，而之后數(shù)據(jù)端的輸入無論如何變化都不會對電路產(chǎn)生影響昨悼。
??我們可以把狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程以真值表的形式表示如下。
??在前兩種情況下跃洛，保持位為 1率触，輸出 Q 與數(shù)據(jù)端輸入相同；后面兩種情況下税课，保持位為 0闲延，輸出端 Q 和其前一個狀態(tài)保持一致痊剖。值得注意的是韩玩，保持位為 0 意味著輸出將不再變化，也就是說不再被數(shù)據(jù)端所影響陆馁，我們可以進(jìn)一步將真值表簡化為如下所示找颓。
??X 表示 “其取值情況與結(jié)果無關(guān)”，只要保持位的值為 0叮贩，那么數(shù)據(jù)位對電路的輸出沒有影響击狮，電路的輸出和其前一個狀態(tài)相同。也即前面提到的 “關(guān)門” 操作益老，不再存入數(shù)據(jù)彪蓬。
??如果使用先前學(xué)過的 R-S 觸發(fā)器來實現(xiàn)這種具有保持位的功能系統(tǒng)，那么我們的電路需要在輸入端增加兩個與門捺萌，下圖所給出了該系統(tǒng)的實現(xiàn)電路档冬。
??只要保持位為 0，則置位端對于輸出結(jié)果不會有任何影響。保持位為 0酷誓，那么無論復(fù)位和置位為什么輸出都為 0披坏，傳輸?shù)胶罄m(xù)的電路時對應(yīng)前面介紹的 R = 0，S = 0盐数，Q 和 Q反保持原有狀態(tài)棒拂。而這也保證了觸發(fā)器不被外面的數(shù)據(jù)干擾，繼續(xù)保持原先保存的那個比特玫氢。
??當(dāng)保持位信號為 1 時，這套電路系統(tǒng)就和先前講過的 R-S 觸發(fā)器功能一致涮阔。這時由于上面與門的輸出和復(fù)位端輸入相同，而下面與門的輸出和置位端輸入相同伟阔，所以電路系統(tǒng)的功能和普通的 R-S 觸發(fā)器是一樣的。
??但是我們離目標(biāo)還差一點合搅。我們只想要兩個輸入，而不是三個赌髓，怎么解決這個問題呢？先回憶一下 R-S 觸發(fā)器的功能表：兩個輸入端同時為1是非法的荣倾，要盡量避免鳖孤；而兩個輸入端同時為 0 是無意義的苏揣，因為那種情況下輸出就會保持不變平匈。我們只要將保持位設(shè)置為 0增炭，就完全可以實現(xiàn)相同的功能。
??由此可以總結(jié)出，真正有意義的輸入可以是 S 為 0靡馁，R 為 1 或者是 R 為 0赔嚎，S 為 1 的情形尤误。如果把數(shù)據(jù)端信號看做置位信號，把它取反后的值看做復(fù)位端信號沉馆，我們可以畫出相應(yīng)的電路圖如下所示揖盘。
??可以看出只要保持位為 0憾股，電路輸出就絲毫不受輸入端的影響茴恰。當(dāng)保持位為 1 時，電路反映出數(shù)據(jù)端輸入的值分冈。電路會 “記得” 當(dāng)保持位最后一次置 1 時數(shù)據(jù)端輸入的值，數(shù)據(jù)端的變化對此沒有影響坡椒。例如，數(shù)據(jù)端再置回 0 對輸出將不會產(chǎn)生影響。
??這個電路稱為電平觸發(fā)的 D 型觸發(fā)器梢睛，D（Data）表示數(shù)據(jù)端輸入。所謂電平觸發(fā)是指當(dāng)保持位輸入為某一特定電平（本例中為 “1”）時敷硅，觸發(fā)器才保存數(shù)據(jù)端的輸入值。
D 觸發(fā)器可以用下列符號來代替：
由于 Q反端舍棄不用，這里表示時也可不必畫出輸出線
??通常情況下澡屡，當(dāng)這種電路出現(xiàn)在書中的時候绩蜻，輸入端是不會被標(biāo)記為保持位的辜羊，而是被標(biāo)記為時鐘（clock）。
??通常把數(shù)據(jù)端簡寫為 D昔驱，時鐘端簡寫為 Clk，其功能表如下所示腋颠。
??這個電路也就是所謂的電平觸發(fā)的 D 型鎖存器面睛，它表示電路鎖存住一位數(shù)據(jù)并保持它土涝，以便將來使用。這個電路也可以被稱為 1 位存儲器蜡饵。后續(xù)會介紹如何將多個 1 位存儲器連接起來構(gòu)成多位存儲器巾乳。
??在鎖存器中保存多位值通常是很有用的氨鹏。假如你想用前面介紹的加法器把 3 個 8 位數(shù)相加，可以在開關(guān)的第 1 行中存入第 1 個加數(shù)镣丑，以同樣的方式把第 2 個加數(shù)存入第 2 行，但是必須記下第一次相加的結(jié)果。然后你需要把這個結(jié)果輸入到開關(guān)的一行中遥缕，再把第 3 個加數(shù)輸入到開關(guān)的另一行中单匣。這里介紹也即我們?nèi)粘Ｓ嬎愣鄠€數(shù)相加時的操作讽营，例如 1+2+3膜蠢，我們先輸入 1 和 2 再計算 1+2 的結(jié)果算出并記錄下來，再將這個計算結(jié)果輸入并和輸入的 3 相加莉兰。
??實際上不必輸入中間結(jié)果挑围，我們可以在第一次計算之后直接使用它√腔模可以使用鎖存器來解決這個問題杉辙。我們在一個小盒子里布置 8 個鎖存器捶朵，如前所述泡垃，每個鎖存器包括兩個或非門、兩個與門以及一個反相器芜茵。所有的時鐘輸入端都互相連在一起。結(jié)果如下圖所示扑馁。
??這個鎖存器可以一次保存 8 位數(shù)咽笼。上面的 8 個輸入端依次標(biāo)記為 层宫，下面的 8 個輸出端被標(biāo)記為
。左邊的輸入是時鐘（Clk）物喷，時鐘信號通常為 0较屿。當(dāng)時鐘信號為 1 時辉川，D 端輸入的 8 位值被送到 Q 端輸出。當(dāng)時鐘信號為 0 時，這 8 位值將保持不變，直到時鐘信號再次被置 1澡腾。
??下面是 8 位加法器的圖示喇肋。
??通常，8 個 A 輸入端和 8 個 B 輸入端連接到開關(guān)上登钥，CI（進(jìn)位輸入）接地姿锭，而 8 個 S（計算和）輸出以及 CO（進(jìn)位輸出）端連接到燈泡上忿磅。經(jīng)過改進(jìn)葱她，8 位加法器的 8 個 S 輸出端既與燈泡相連啡氢，又連接到 8 位鎖存器的數(shù)據(jù)（D）輸入端。標(biāo)記為 “保存”（Save）的開關(guān)是鎖存器的時鐘輸入渤涌，用來存放加法器的運算結(jié)果佩谣。
??標(biāo)識為 2-1 選擇器的方塊是讓你用一個開關(guān)來選擇加法器的 B 端輸入是取自第 2 排開關(guān)還是取自鎖存器的 Q 端輸出。當(dāng)開關(guān)閉合時实蓬，就選擇了用 8 位鎖存器的輸出作為 B 端輸入茸俭。
[了解] 2-1 選擇器使用了 8 個如下所示的電路。
如果選擇端（Select）輸入是 1安皱，那么或門的輸出和 B 端的輸入就是一致的调鬓。這是因為上面與門的輸出和 B 端輸入是一樣的，而下面與門的輸出是 0练俐。類似的袖迎，如果選擇端的輸入是 0，那么或門的輸出則和 A 端輸入一致腺晾⊙嘧叮總結(jié)起來如下表所示。
??改進(jìn)后的加法器不能很好地處理進(jìn)位輸出（CO）信號悯蝉。如果兩個數(shù)的相加使得進(jìn)位輸出信號為 1归形，那么當(dāng)下個數(shù)被加進(jìn)來的時候，這個信號將被忽略掉鼻由。一個可能的解決方案是將加法器暇榴、鎖存器厚棵、選擇器均設(shè)置為 16 位寬，或者至少應(yīng)該比你可能遇到的最大的和的位數(shù)多一位蔼紧。這個問題留到后續(xù)部分具體講述婆硬。
??對于加法器來說，一個更好的改進(jìn)方法是去掉一整排 8 個開關(guān)奸例。但是首先要對 D 觸發(fā)器做一些修改彬犯，為它加一個或門和一個稱為清零（Clear）的輸入信號。清零信號通常為 0查吊，但當(dāng)它為 1 時谐区，Q 輸出為 0，如下圖所示逻卖。
??無論其他信號是什么宋列，清零信號總是強制使 Q 輸出為 0，以達(dá)到使觸發(fā)器清零的目的评也。
??也許你還不明白為什么要設(shè)置這個信號炼杖，為什么不能通過把數(shù)據(jù)輸入端置 0 和把時鐘輸入端置 1 來使觸發(fā)器清零呢？這也許是因為我們無法精確控制數(shù)據(jù)端的輸入信息的緣故仇参。我們可能有一組 8 個鎖存器嘹叫，它們連著 8 位加法器的輸出端，如下圖所示诈乒。注意，標(biāo)識為 “相加”（Add）的開關(guān)現(xiàn)在控制著鎖存器的時鐘輸入婆芦。你可能會發(fā)現(xiàn)這個加法器比前面的那個好用怕磨，特別是當(dāng)你需要加上一長串?dāng)?shù)字時。首先按下清零開關(guān)消约，這個操作會使鎖存器的輸出為 0肠鲫，并且熄滅了所有的燈泡，同時使 8 位加法器的第 2 行輸入全為 0。然后，通過開關(guān)輸入第一個加數(shù)乍桂，并且閉合 “相加” 開關(guān)子巾，這個加數(shù)的值就反映在燈泡上。再輸入第二個加數(shù)并再次閉合 “相加” 開關(guān)沐扳。由開關(guān)輸入的 8 位操作數(shù)加到前面的結(jié)果上，所得的和體現(xiàn)到燈泡上。反復(fù)如此操作袋毙，可以連續(xù)進(jìn)行很多次加運算。
通過鎖存器能夠?qū)崿F(xiàn)將多個數(shù)的相加冗尤。例如我們要計算 1 + 2 + 3听盖，初始在 A 端輸入 1胀溺，由于鎖存器清零，所以 B 端輸出 0皆看，經(jīng)過加法器相加得到 1仓坞，存入鎖存器。之后 A 端輸入 2腰吟，B 端接通鎖存器則 B 端輸出 1扯躺，通過加法器得到 3，同樣結(jié)果 3 存入加法器蝎困。后續(xù)類似录语，結(jié)果通過燈泡的亮滅表示（亮即為 1）。
3 小結(jié)
??編碼：觸發(fā)器（二）篇結(jié)合前文介紹的 R-S 觸發(fā)器引出 D 型觸發(fā)器禾乘，對 D 型觸發(fā)器進(jìn)行了介紹澎埠。為了精簡內(nèi)容刪減了部分較為詳細(xì)的書寫，僅作為整理總結(jié)始藕。
