FPGA中锁存器（latch）、触发器（flip-flop）以及寄存器（register）详解

1 定义

1.1 锁存器（latch）

    锁存器是一种由电平触发的存储单元，为异步电路，数据存储的动作取决于输入信号的电平值，只要输入发生变化，输出即随之发生变化。

1.2 触发器（flip-flop）

    触发器是边沿敏感的存储单元，数据存储的动作由某一信号的上升或者下降沿进行同步的，即输出数据只在信号的上升沿或者下降沿到来时被改变。

1.3 寄存器（register）

    1、寄存器用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果，是一种常用的时序逻辑电路，但这种逻辑电路只包含存储电路。
    2、寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。

2 比较

2.1 锁存器（Latch）危害即产生原因

    1、危害：

1. 锁存器容易产生毛刺；
2. 锁存器的出现使得静态时序分析变得更加复杂；
3. 锁存器在ASIC设计中应该说比ff要简单，但是在FPGA的资源中，大部分器件没有锁存器这个东西，所以需要用一个逻辑门和ff来组成锁存器，这样就浪费了资源；

    2、产生原因：

1. 不完整的if或者case语句；
2. 不完整的敏感信号列表；
3. 输入信号没有对应的输出；

    3，综合来看，锁存器的产生总是与电路的不完整有关系，因此在编写verilog代码时，最好对于if语句和case语句一定要做到完全描述，最常用的方法就是总是加上else和default。

2.2 寄存器和锁存器的区别

    

1. 寄存器受同步时钟信号控制，而锁存器受输入信号控制，前者是边缘敏感型电路，后者则是电平敏感型电路。
2. 寄存器的输出端平时不随输入端的变化而变化，只有在时钟有效时才将输入端的数据送输出端（打入寄存器），而锁存器的输出端平时总随输入端变化而变化，只有当锁存器信号到达时，才将输出端的状态锁存起来，使其不再随输入端的变化而变化。

2.3 锁存器和触发器的区别

1. 锁存器同所有的输入信号相关，当输入信号变化时锁存器就变化，没有时钟端；触发器受时钟控制，只有在时钟触发时才采样当前的输入，产生输出。
2. 锁存器是电平触发，非同步控制。在使能信号有效时锁存器相当于通路，在使能信号无效时锁存器保持输出状态。触发器由时钟沿触发，同步控制。
3. 锁存器对输入电平敏感(输出随输入的变化而变化)，受布线延迟影响较大，很难保证输出没有毛刺产生；触发器则不易产生毛刺。

3 结构

3.1 锁存器基本结构

    1、锁存器分为普通锁存器和门控锁存器，普通锁存器无控制信号，输出状态始终直接由输入决定。而在实际的数字系统中，为了协调各部分的工作，往往需要有一个特定的控制信号去控制锁存器状态转换的时间，在控制信号无效时，输出保持不变，不随输入变换；当控制信号有效时，输出由输入决定，跟随输入变化。

3.2 触发器基本结构

    触发器为边缘敏感型，因此其分为上升沿触发和下降沿触发。

参考

    https://blog.csdn.net/h_kingone/article/details/56671517
    https://blog.csdn.net/Times_poem/article/details/85986055