DFF的电路工作原理与ModelSim仿真

之前的理解

最近在做设计的时候，发现之前对DFF的理解有些模糊，直到有次在实践中遇到了一些问题，含糊其词的也不能解决问题，于是乎就把DFF理解透彻透彻，毕竟这可是时序电路的基本概念。

对于DFF，之前理解的，DFF在时钟的上升沿进行对D端的数据采集，再下一个时钟的上升沿来临，Q端输出D端采集的数据。能这么理解，是离开书本时间太长了，又观察到了ModelSim仿真波形的影响，这么理解只是在描述仿真波形的表征现象，并非根本的原理。比如，在Modelsim仿真中，若通过DFF将数据组进行延时，用时钟将寄存器进行多个时钟周期的同步，并带有异步复位，对应Verilog描述如下：

reg [7:0] data_d0, data_d1, data_d2;always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) begin    if ( !rst_n ) begin        data_d0 <= 8'b0;        data_d1 <= 8'b0;    end else begin        data_d0 <= data_in;        data_d1 <= data_d0;    endend

对应仿真波形如下： 此时，时钟上升沿和数据的变化沿都是对齐的，就产生了不正确的理解：通过Modelsim的wave窗口查看仿真波形的时候，如果将光标打到时钟的上升沿时候（比如心在光标在Event 1时刻），对应的数据data_in应该是从8‘h00->8‘h0’1，可是光标处data_in的数值显示为8’h01。这样，我就理解成了在Even1时刻，时钟的上升沿对data_in（值为8’h01）进行捕获（接入到寄存器data_d0的D端），在下一个时钟的上升沿到来的时刻（Event2时刻），寄存器data_d0的Q端数据发生改变（值为8’h01）。上述理解完全是根据波形描述出来的，是不全面的，是非本源的，是错误的。

正确的理解

正确的理解应该从DFF本身出发，通过DFF的电路原理图分析DFF的电路工作原理，了解时钟上升沿之前和之内部逻辑的如何变化，如何影响了从D端到Q端的数据输出。

D锁存器

在网上找到的很多电路图讲的都是D锁存器，D锁存器的电路为消除逻辑门控SR锁存器不确定状态，在电路的S和R输入端连接一个非门（Inverter），从而保证了S和R同时为0的条件，参考下图由与非门构成的D锁存器电路图：

如果D信号在E=1期间发生变化，电路提供的信号路径将使Q端信号跟随D端变化。 在E由1跳变为0以后，锁存器将锁存跳变前瞬间D端的逻辑值，可以暂存1位二进制数据。又因为有Inverter的存在，SR锁存器不会存在S&R==1的状态，所以就有了D锁存器的捕获数据，E为0的时候会一直维持数据状态。此D锁存器的功能表为：

D触发器

触发和触发器——时钟脉冲边沿作用下的状态刷新称为触发，具有这种特性的存储单元电路称为触发器。D触发器的电路图如下（图中的SR为了标注有两级SR锁存器，方便逻辑推理）：

以上升沿触发为例，进一步分析D触发器在上升沿捕获数据，并维持锁存的过程。当D端为0，CLK为0时，此时第一级的D锁存器输出为0，第二级SR锁存器处于保持状态，详情参考下图：

若继续保持D端为0，CLK变为1时，第一级D锁存器处于保持状态，第二级的SR锁存器将上一次的D值传递到Q端输出，详情参考下图：

若在D端数值发生改变为1，且CLK仍然为1，第一级的D锁存器仍处于保持状态，不会由于D端的变化而改变，更不会影响最后Q端的输出。

若D端继续保持为1，CLK转换为0，此时第一级D锁存器的输出为D端的数据，Q端输出仍为保持状态。

若D端数据继续保持为1，CLK转换为高，第一级D锁存器的结果就会输出到Q端，Q端的值也就随着CLK的上升沿，捕获到了1，并进行输出到Q端；

从逻辑图中，也可以看出DFF的数据捕获和输出都需要满足一定的时间约束。比如：

• • 时钟上升沿之前前后的数据要做够稳定，否则在时钟跳变时刻，可能无法将其传递到Q端进行输出；

  • 时钟上升沿捕获数据之后，到Q端输出也需要一定的时间，稳定之后才能用于下一级工作；

DFF捕获时钟上升沿的D端数据，并在Q端输出，一直维持到下一时钟上升沿到来之前。在此期间，D端的数据变化不会直接影响到Q端的输出。

ModelSim仿真

将tb文件中的data_in输入做5个单位的传输延时，仿真结果见下图：

        可以看出，在时钟的上升沿前后数据是不发生变化的，对于寄存器做延时的时序理解为：

Event 1时刻：

• • 在Event 1时刻，时钟上升沿之前data_in（值为8’h00），data_d0的D端为data_in（值为8’h00）;

  • 在Event 1时刻，时钟上升沿之后data_in（值为8’h00），data_d0的Q端为data_in（值为8’h00）;所以在Event 1时刻，data_d0的Q端保持为8’h00不变；

Event 2时刻：

• • 在Event 2时刻，时钟上升沿之后data_in（值为8’h01），data_d0的D端为data_in（值为8’h01）;
  • 在Event 2时刻，时钟上升沿之后data_in（值为8’h01），data_d0的D端为data_in（值为8’h01）;所以在Event 2时刻，data_d0的Q端从8’h00变为8’h01;

Event 3时刻：

• • 在Event 3时刻，时钟上升沿之后data_in（值为8’h02），data_d0的D端为data_in（值为8’h02）;
  • 在Event 3时刻，时钟上升沿之后data_in（值为8’h02），data_d0的D端为data_in（值为8’h02）;所以在Even 3时刻，data_d0的Q端从8’h01变为8’h02;

可以看出在Event 1到Event 2一个时钟周期内，data_d0的数值保持为8’h00；Event 1到Event 2一个时钟周期内，data_d0的数值保持为8’h01；在时序上就表明了使用data_d0寄存器，通过clk对data_in进行了1个时钟周期的延时。在Modelsim仿真中，若数据的变化沿与时钟的上升沿对齐，cursor在时钟上升沿时刻，对应的数据需要往后加入延时，才能与实际电路情况相符合。

总结

DFF捕获时钟上升沿的D端数据，并在Q端输出，一直维持到下一时钟上升沿到来之前。在此期间，D端的数据变化不会直接影响到Q端的输出。

审核编辑：汤梓红