0 前言

本文将会以R-S锁存器为例，引出锁存器的核心和本质，之后再带你构建更多类型的锁存器，你能够：

感受到由浅入深的学习方式
体会到掌握核心本质的快感
深刻理解核心套外壳的设计理念（产品迭代1.0–>2.0–>3.0）

同时，强烈建议你使用logisim软件，边看文章边实践，这样能够加深理解，这款软件半小时即可入门，图形化的操作方式，简单又好用。

核心套外壳的思想，能够帮助你【区分表象与本质，抓住问题的核心，理解设计理念！】

1 确立一个目标，提升你的认知效率

点进这篇文章，我想你是非常想要学会锁存器相关知识的，那么，为了进一步提高你的认知效率，我先给你定下一个目标，带着这个目标，再去一步一步寻找和学习相关知识，并且，你应该使用软件，在实践中学习，这么一来，你的认知效率将会翻倍。

我们都知道计算机的硬盘和内存，我们也知道，这些设备能够存储数据，并且这些数据是二进制信息，也就是0、1的各种排列组合，那么，你是否曾经产生疑惑，4GB、16GB，乃至1TB的信息，是如何被存储的？

今天让我们来解答这个问题，我们先不管1TB的信息如何存储的，今天我们就谈：如何存储1位二进制信息，也就是如何存储一个0或者一个1。

我们需要制作一个器件，能够存储一个0或者一个1。这个器件，就是R-S锁存器，在通电状态下，它能够锁住（存储）1个二进制位，也就是1 bit。

让我们来一步步地揭开它的神秘面纱吧！

2 R-S锁存器

2.1 基本结构

我们来看一下他=它的结构，通常有两种描述方法：

描述1
描述2

这两种结构完全一样，只不过放置的方式不一样，通常我们会采用描述2的方式。

可以看到，R-S锁存器包含了2个或非门，2个输入端口，1个输出端口，这个结构真的简单至极。

如果你学过一点数字逻辑的知识，也许你会跟我争辩，R-S锁存器不是2个输出端口吗？先按照我说的继续往下听，之后会解释的。

2.2 如何锁住1-bit

那么，这样一个结构，如何锁住（存储）1-bit的？

为了方便描述，我们先为上面的结构命名一下。

2个输入端口分别命名为R和S
1个输出端口被命名为Q

让我们记住这个初始状态

R	S	Q
0	0	0

然后，我们将R置为1。

你会发现，此时的状态是

R	S	Q
1	0	0

我们再将S置为1

此时的状态是

R	S	Q
1	1	0

我们再将R置为0

此时的状态是

R	S	Q
0	1	1

我们再将S置为0

此时的状态是

R	S	Q
0	0	1

接下来，我们汇总一下上面的几种状态

R	S	Q
0	0	0
1	0	0
1	1	0
0	1	1
0	0	1

我们可以看到，同样是0,0，但是输出却可能是0或1，这也就意味着，这不是组合逻辑，而是时序逻辑，输入的顺序会影响结果。

同时，我们再继续进行实验可以发现（此处请自行完成实验，亲自体验以下结论）

一旦置R = 1，S = 0，S不变的情况下，无论R如何改变，Q都等于0
一旦置R = 0，S = 1，R不变的情况下，无论S如何改变，Q都等于1
当R = 0，S = 0的时候，Q的结果，取决于上一个状态。如果之前是因为R = 1，S = 0导致的Q = 0，则现在的Q依然0；如果之前是因为R = 0，S = 1导致的Q = 1，则现在的Q依然为1
一旦置R = 1，S = 1，Q一定等于0，这种情况与我们的目标不符，我们需要禁止它

因此，我们得到了R-S锁存器特性表

R	S	Q
0	0	和之前状态的Q一样
0	1	1
1	0	0
1	1	禁止使用

我带你分析完了这些，我们改回看主题，看一下它是如何锁住1-bit的。我们看一下刚才描述的状态：

一旦置R = 1，S = 0，S不变的情况下，无论R如何改变，Q都等于0
一旦置R = 0，S = 1，R不变的情况下，无论S如何改变，Q都等于1

我们观察后面加粗的句子，不难看出，1个二进制数被“锁在”了器件中，这也就是所谓的锁存器，它在功能上，实现了存储1个二进制位。

2.3 为什么可以锁住1-bit

刚才，我们知道了R-S锁存器能够存储1个二进制位，并且已经达成了目标，是的，我们成功存储了1个二进制位，但是，这还不够，我们应该保持好奇心，问一问自己，为什么能够锁住？

让我们来分析一下R-S锁存器的工作，以R = 1,S = 0为初态举例。

下面是初态，并且我在几个关键的地方做了标记。

之后，我令R = 0，我们来逐步地分析一下，到底发生了什么。

首先，0信号传到了a端，此时a = 0

然后，a和e进行或非运算，得到的结果传到了b端，此时b = 0

然后b端的结果，反馈到了c端，c = 0；之后，可以得到d = 1；之后，d端的结果又反馈到了e端，可以得知，e = 1并没有发生变化，就此，这个过程就稳定了下来，b端输出到Q的数据也就是最终结果了。

我们梳理一下这个过程，在令R = 0之后，只有a端的数据变为了0，其他端口的数据均没有变化，这样一来，也就产生了锁住数据的现象，产生这种现象的原因，是因为反馈回路的存在。

我们可以知道，bc锁住了0，de锁住了1，这二者正好相反，因此我们有时候也会将R-S锁存器设计为下面的样子，这样可以获得两个一直相反的输出结果

其中，上面读作输出Q，下面读作输出Q拔，二者的取值永远相反，你也能够理解，为什么之前我们禁止了R = S = 1的情况，因为这样输出就不相反了，与设计目标不符。

2.4 为什么叫“R-S锁存器”

为什么这个器件被命名为R-S锁存器呢？为什么不叫别的名字？

我们要知道，凡是命名，都有其含义，都能表达其意义，这样的命名才有价值，R-S锁存器也是如此。

它是英文名称是：Set-Reset latch，有被称为S-R Latch或者R-S Latch

我们来解释一下

R就是reset，重置、复位的意思，所以，当仅有它为1的时候，输出Q = 0
S就是set，设置、置位的意思，所以，当仅有它为1的时候，输出Q = 1
Latch，锁存器的意思，它能够存储1个二进制位

2.5 R-S锁存器的功能

R-S锁存器，也可以被称为置位复位触发器，我想你明白这个含义了，现在我们只是总结一下。

R	S	Q	说明
0	0	和之前状态的Q一样	保持
0	1	1	置位
1	0	0	复位
1	1	禁止使用	非法

3 锁存器的核心和本质

通过R-S锁存器，我们可以理解锁存器的本质，掌握一类锁存器的核心，这才是我们要关注的重点内容，至于锁存器的设计和样子，不是最重要的，那只不过是在核心的基础之上，套上了外壳，从而让其拥有更广泛的的应用。

关于核心套外壳，我有必要进一步解释一下，我们知道，计算机领域又很多核心部件，例如CPU，这是被外国垄断的高科技器件，它是核心，而计算机其他的部分，内存、硬盘、显示器等等，都是外壳，我们给核心套上不同的外壳，就构成了不同的计算机，能够进行不同的应用；又比如富士康代工厂，他们做的就是给核心套上外壳的工作。

我想你应该能够理解核心的重要性了。

那么锁存器的核心是什么？

这就是锁存器的核心，原理方面，我之前已经详细讲解过，不再赘述，但是希望你认真对待那些看似简单容易的知识，因为它们可能蕴含着拥有无穷力量的核心思想。

3.1 核心套外壳的产品

那么核心套外壳之后，有那些产品呢？有很多，例如：

基本R-S锁存器
门控R-S锁存器
D型锁存器

甚至，由此核心，还可以构成各种各样触发器。

需要注意的是，这些外壳，并不是死板的，你完全可以根据需要，灵活地变化他们，不必拘泥于某种特定的形式，不过前提是，变化之后的产品真的很好用，否则，你更应该直接使用封装好的产品。

后面的小节，我会为你详细讲解核心套外壳的产品。

3 外壳一：基本R-S锁存器

嘿！一个新的目标出现了，之前我们为了存储1位数据，制作了R-S锁存器，现在，我们需要存储一位数据，并能够让他输出存储的数据，以及和存储数据互补（0和1在二进制下是互补的）的数据。

这个产品我不再分析，因为你之前见过了：

现在我们将其封装一下，让它更像一个产品。

至于它的功能，我想你已经知道了，基本R-S锁存器，增加的外壳是一个输出端口。

4 外壳二：门控R-S锁存器

现在，新的任务又下达了，我们的基本R-S锁存器，可以随意被使用，这可不好，现在我们需要增加一个开关，只有开关打开的时候，基本R-S锁存器才可以被使用。

我们考虑一下，看看上面封装好的基本R-S锁存器，我们可以加的外壳是：在进入R、S输入端口之前，增加2个与门，这样就可以控制输入信号的有效、无效。

你可以试一试这个电路，这就是门控R-S锁存器。

名称的含义，门控，就是加一个开关，它被称为使能端（Enable terminal），简写EN。

我们将它封装一下：

5 外壳三：D型锁存器

全新的任务

彻底禁止掉R = S = 1的情况，对于任何输入的数据，使其，不可能存在这种情况，保证安全，完全避免非法状态。
让这个器件能够实现数据0和1的写入，并且能够控制是否写入。

我们由门控R-S锁存器开始思考，既然R和S不能相同，那就只能相反了，这样虽然会舍弃掉R = S = 0的情况，不过，既然这种情况会与上一个状态相同，而上一个状态R和S一定相反，所以，舍弃掉又有何妨呢？因此，我们的思路就有了，让R和S永远相反，我们怎么做呢？我想你应该知道了，使用1个输入端和1个非门！

就像下面这样，加缓冲器是为了让数据流动时间和加了非门的线路同步

那么第二个目标如何达成?显然我们已经完成了一部分，1个输入端和1个开关我们已经有了，我们只需要，去掉Qbar即可。

你会发现，这里有了较大的变化，我的节奏加快了，如果你前面认真实践了的话，我想你是适应这种变化的。

我来解释一下这些变化

为了达成目标，我们要让R和S的值一直相反，因此我们加了一个非门和缓冲门，用一个输入端操控它，注意，不要将非门放错位置，你仔细想一下会明白怎么放置的（举一个例子就好，例如DI = 0的时候，如何让DO = 0）。
我们将开关作为写入端
我们不使用Qbar端口

我来解释一下端口名称的变化

DI：数据输入端，可以控制输入的数据是0还是1
DO：数据输出端，可以读取存储在锁存器中的数据
W：写入端，可以控制是否将数据写入端的数据写入到锁存器中
1. 若W = 1，则DI中的数据会被写入到锁存器中，并且存储起来，此时，DO读取的数据是和DI一样的
2. 若W = 0，则DI中的数据不会被写入到锁存器中，此时，DO将会读取锁存器中存储的数据，与DI的数据无关

我们封装一下这个器件

扩展内容：这也是我们现在会常用的锁存器类型，我们通常会使用Verilog HDL实现它
module moduleName (input wire w,input wire Din,output reg Dout);always @(w or Din)beginif(w)Dout <= Din;elseDout <= Dout;endendmodule
关于Verilog HDL的知识，你可以自行搜索，如果你不感兴趣，这部分内容可以忽略。

6 一点注意

这里器件的存储，不是永久保存，因为它的本质是电子器件，电是难免会泄露的，我们还需要对其做一些补充，这里不深入展开。

另外，对于门控R-S锁存器中的开关，也被称为保持位（Hold That Bit），当它为0的时候，无论R、S怎么变，锁住的数据也不会改变，这也就是所谓的保持。

7 思考题&预告

我留下思考题和预告，请你仔细思考并认真实践

最初，我们使用或非门构造了R-S锁存器，事实上，与非门一样可以完成这件事情，我在3.1节提过，产品的设计的不能死板，它是灵活的，请你思考一下如何设计。
请思考一下，具体讲解的几种外壳，有没有感受到，外壳的设计也又核心思想支撑？ 之后我们会揭秘。
核心套外壳的产品，也完全可以作为新的核心，为他们再赋予外壳，做出更多有用的产品。
我们的目标是构建一个RAM存储器，以R-S为锁存器的RAM产品，随着时代的发展，它的性能提升进入了瓶颈期，这个时候，人们的最佳选择是优化核心，这也由RAM存储器，转变成了SRAM、DRAM等类型的存储器，这些后面也会提及（也可以按照此思路，去想一想：算盘–>计算器–>电子计算机–>量子计算机）。

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