為什么d觸發器有記憶功能(各種觸發器是否都有記憶功能,為什么)

前沿拓展：

什么是：“薛定諤貓”？

“薛定諤的貓”是由奧地利物理學家薛定諤于1935年提出的有關貓生死疊加 的著名思想實驗，是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。這里必須要認識量子行為的一個現象：觀測。微觀物質有不同的存在形式，即粒子和波。通常，微觀物質以波的疊加混沌態存在；一旦人的意識參與到觀測行為中，它們立刻選擇成為粒子（意識在實驗中扮演著什么角色？意識的參與是怎么作用到實驗中的量子的？是什么性質的作用？是一種力嗎？是什么過程？不知道…）。實驗是這樣的：在一個盒子里有一只貓，以及少量放射性物質。之后，有50%的概率放射性物質將會衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。

根據經典物理學，在盒子里必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結果[2] 。在量子的世界里，當盒子處于關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開后，外部觀測者觀測時，物質以粒子形式表現后才能確定。這項實驗旨在論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了邏輯思維。

如果人類去觀察貓是死是活，進行周期性的觀察。則我們需要一個時鐘：

我們只在時鐘的上升沿去打開，裝有薛定諤貓的盒子。薛定諤貓一會死，我們記為“0”，一會活著，我們記為“1”。

當我們打開盒子，看到貓的狀態，“0”或者“1”，然后關閉盒子。然后在我們的意識里面，會保持剛剛看到的結論。就是在我們在CLOCK的上升沿，打開盒子，看到貓的狀態，會一直記憶到我們下次打開盒子去看貓之前。

這個過程，就是一個D觸發器的工作過程。

但是這個經典的物理思想實驗，忽略了一個重要的細節：打開盒子，是需要時間的，這個過程中間，貓的狀態可以發生變化。

也就是，在打開盒子的時候，貓正在死，在盒子合上的瞬間，貓已經掛了。

如果需要再我們記憶中，形成一個準確而穩定的答案，需要我們在打開盒子之前，貓保持一個狀態，一段時間，在合上盒子之前，貓也需要保持狀態穩定。這樣人的意識中的貓的生死結論才會準確而穩定，否則，答案就會有分歧。

建立時間與保持時間

建立時間（Tsu：set up time）是指在時鐘沿到來之前數據從不穩定到穩定所需的時間，如果建立的時間不滿足要求那么數據將不能在這個時鐘上升沿被穩定的打入觸發器；保持時間（Th：hold time）是指數據穩定后保持的時間，如果保持時間不滿足要求那么數據同樣也不能被穩定的打入觸發器。建立與保持時間的簡單示意圖如下圖。

當我們打開盒子看貓的過程中間，發生了貓狀態不穩定，當盒子合上后，其實我們的意念中，并不能準確的說出貓在盒子中的狀態。這種情況其實就是一個亞穩態。

亞穩態是指觸發器無法在某個規定時間段內達到一個可確認的狀態。當一個觸發器進入亞穩態時，既無法預測該單元的輸出電平，也無法預測何時輸出才能穩定在某個正確的電平上。在這個穩定期間，觸發器輸出一些中間級電平，或者可能處于振蕩狀態，并且這種無用的輸出電平可以沿信號通道上的各個觸發器級聯式傳播下去。

1．亞穩態發生的原因

在同步系統中，如果觸發器的setup time / hold time不滿足，就可能產生亞穩態，此時觸發器輸出端Q在有效時鐘沿之后比較長的一段時間處于不確定的狀態，在這段時間里Q端毛刺、振蕩、固定的某一電壓值，而不是等于數據輸入端D的值。這段之間成為決斷時間（resolution time）。經過resolution time之后Q端將穩定到0或1上，但是究竟是0還是1，這是隨機的，與輸入沒有必然的關系。

2．亞穩態的危害

由于輸出在穩定下來之前可能是毛刺、振蕩、固定的某一電壓值，因此亞穩態除了導致邏輯誤判之外，輸出0～1之間的中間電壓值還會使下一級產生亞穩態（即導致亞穩態的傳播）。 邏輯誤判有可能通過電路的特殊設計減輕危害（如異步FIFO中Gray碼計數器的作用），而亞穩態的傳播則擴大了故障面，難以處理。

3．亞穩態的解決辦法

只要系統中有異步元件，亞穩態就是無法避免的，因此設計的電路首先要減少亞穩態導致錯誤的發生，其次要使系統對產生的錯誤不敏感。前者要同步來實現，而后者根據不同的設計應用有不同的處理辦法。用同步來減少亞穩態發生機會的典型電路如圖1所示。

左邊為異步輸入端，經過兩級觸發器同步，在右邊的輸出將是同步的，而且該輸出基本不存在亞穩態。其原理是即使第一個觸發器的輸出端存在亞穩態，經過一個CLK周期后，第二個觸發器D端的電平仍未穩定的概率非常小，因此第二個觸發器Q端基本不會產生亞穩態。注意，這里說的是“基本”，也就是無法“根除”，那么如果第二個觸發器Q出現了亞穩態會有什么后果呢？后果的嚴重程度是有你的設計決定的，如果系統對產生的錯誤不敏感，那么系統可能正常工作，或者經過短暫的異常之后可以恢復正常工作例如設計異步FIFO時使用格雷碼計數器當讀寫地址的指針就是處于這方面的考慮。如果設計上沒有考慮如何降低系統對亞穩態的敏感程度，那么一旦出現亞穩態，系統可能就崩潰了。

4．亞穩態與系統可行性

使用同步電路以后，亞穩態仍然有發生的可能，與此相連的是MTBF（Mean Time Between Failure），亞穩態的發生概率與時鐘頻率無關，但是MTBF與時鐘有密切關系。有文章提供了一個例子，某一系統在20MHz時鐘下工作時，MTBF約為50年，但是時鐘頻率提高到40MHz時，MTBF只有1分鐘！可見降低時鐘頻率可以大大減小亞穩態導致系統錯誤的出現，其原因在于，提供較長的resolution time可減小亞穩態傳遞到下一級的機會，提高系統的MTBF。

5、降低亞穩態發生的概率。

經典的處理方法是多拍同步。參見圖5的Correct Method.

異步信號經過第一個寄存器，如果發生了亞穩態，2nS(假設MTBF=1000Y)左右返回到穩定態，如果時鐘周期大于2ns(時鐘頻率小于500MHz), 那么顯然第二個寄存器就沒有亞穩態發生了。此時亞穩態的唯一影響就是不能在最準確的時刻識別到異步信號，有可能早一拍，或者晚一拍識別。

為了處理亞穩態，識別異步信號需要的時間就較長(2拍或者更多)，這就是目前流行的同步設計的代價。異步設計較好的解決了這個問題，異步設計靠硬件握手機制來反饋什么時候識別成功。

作為對比，我們看看圖5中的wrong method. 第一拍觸發器在接收異步信號后，產生了亞穩態。由于經過了組合邏輯和走線的延時，亞穩態傳播到目的寄存器的時間增大很多。這種情況下，只有在很低速的時鐘頻率時，第二拍觸發器才可以避免亞穩態。因此是不正確的處理方法。

使用兩級寄存器采樣可以有效的減少亞穩態繼續傳播的概率，但是無法糾正由于亞穩態導致的數據錯誤。在圖中，左邊為異步輸入端，經過兩級觸發器采樣，在右邊的輸出與bclk同步的，而且該輸出基本不存在亞穩態。其原理是即使第一個觸發器的輸出端存在亞穩態，經過一個Clk周期后，第二個觸發器D端的電平仍未穩定的概率非常小，因此第二個觸發器Q端基本不會產生亞穩態。理論上如果再添加一級寄存器，使同步采樣達到3級，則末級輸出為亞穩態的概率幾乎等于0 。

拓展知識：