锁存器

描述

　　锁存器，Latch，是数字电路中的一产品种具有记忆功能的逻辑元件。锁存，就是把信号暂存以维持某种电平状态，在数字电路中则可以记录二进制数字信号“0”和“1”。

　　只有在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号。通常只有0和1两个值。

　　逻辑结构与功能表

　　8位锁存器74LS373的逻辑图如图所示。其中使能端G加入CP信号，D为数据信号。输出控制信号为0时，锁存器的数据通过三态门进行输出。

　　累加Latch：

　　微处理器中运算器部分主要电路结构。

　　作用是防止算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit, ALU) 的输出通过累加器（A）直接反馈到ALU的输入端。

　　原理

　　CMOS反相器的功能是可以使输出获得跟输入相反的逻辑值，那如果把两个反相器的输入跟输出连接在一起会出现什么情况呢？我们来看下图，假设某个时刻反向器A的输入是1，那么其输出会是0；因为A的输出连接到B的输入端，即反相器B的输入为0，那么其输出会变为1；又因为B的输出连接到A的输入端，即B输出的1反馈回A的输入，对刚才假设的“A的输入为1”进行了确认和加强。此时A的输入确实为1，按A和B的输入输出连接关系，又走了一遍刚才的路程，如此循环，结果是反相器A的输出稳定为0，反相器B的输出稳定为1。这个结构的电路有两个稳定的状态，一般称之为双稳态电路。可见类似的双稳态电路可以稳定地保持其节点中的值（数据），具有记忆功能，这就是锁存器工作的原理。

　　锁存器原理1

　　从上面介绍可看出，首尾相接的两个反相器构成了互相反馈耦合的形态，这就是锁存器的基本电路结构。但是这里是基于一个假设，假设反相器A的输入为1，那么它的输出为0，两个反相器连在一起通过互相反馈加强，则能保持0和1两个值。如果没有这个假设，它能保存的值将是不确定的。这类似于“鸡生蛋还是蛋生鸡”的谜局，要将此电路当锁存器使用，就必须打破这个“是输入先有0，还是输出先反馈回1”的僵局。于是给它加了两个输入端，由于反相器只有1个输入，因此改用或非门来代替。电路结构如下图，根据或非门“只要有一个输入为1，其输出就为0”的特性，当R为1时，虽然有反馈存在，也可以强制输出Q=0；当S为1时，则强制输出Q=1。这就是R-S锁存器，R意为Reset，清零的意思；S意为Set，置1的意思。

　　锁存器原理2

　　R-S锁存器的结构是最基本的锁存结构，实际应用中一般会进行各种改造和扩展，至少会加一个输入端作为控制信号，该信号有效时，锁存器能持续地输入、输出数据。其控制信号一般为高电平，因此锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。锁存器的最主要作用是缓存，除了特殊用途如异步电路或很简单的逻辑，其他场合已经很少直接应用锁存器，因为其结构简单而且对电平敏感，不适合在主流的对时钟敏感的集成电路中应用。一般都是使用以锁存器为基础的触发器或寄存器。

　　应用场合

　　所谓锁存器，就是输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在有锁存信号时输入的状态才被保存到输出，直到下一个锁存信号到来时才改变。

　　锁存器多用于集成电路中，在数字电路中作为时序电路的存储元件，在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。

　　封装为独立的产品后也可以单独应用，数据有效延迟于时钟信号有效。这意味着时钟信号先到，数据信号后到。

　　在某些应用中，单片机的I/O 口上需要外接锁存器。例如，当单片机连接片外存储器时，要接上锁存器，这是为了实现地址的复用。假设，MCU端口其中的 8 路的 I/O 管脚既要用于地址信号又要用于数据信号，这时就可以用锁存器先将地址锁存起来。

　　8051访问外部存储器时P0口和P2口共同做为地址总线，P0口常接锁存器再接存储器。以防止总线间的冲突。而P2口直接接存储器。因为单片机内部时序只能锁住P2口的地址，如果用P0口传输数据时不用锁存器的话，地址就改变了。

　　看看8051单片机总线操作的时序图对我们很有帮助。由于数据总线、地址总线共用P0口，所以要分时复用。先送地址信息，由ALE使能锁存器将地址信息锁存在外设的地址端，然后送数据信息和读写使能信号，在指定的地址进行读写操作。

　　使用锁存器来区分开单片机的地址和数据，8051系列的单片机用的比较多，也有一些单片机内部有地址锁存功能，如8279就不用锁存器了。

　　注意事项

　　并不是一定要接锁存器，要看其地址线和数据线的安排，只有数据和地址线复用的情况下才会需要锁存器，其目的是防止在传数据时，地址线被数据所影响！ 这是由单片机数据与地址总线复用造成的，接 RAM 时加锁存器是为了锁存地址信号。

　　如果单片机的总线接口只作一种用途，不需要接锁存器；如果单片机的总线接口要作两种用途，就要用两个锁存器。例如：一个口要控制两个 LED，对第一个 LED 送数据时，“打开”第一个锁存器而“锁住”第二个锁存器，使第二个 LED 上的数据不变。对第二个 LED 送数据时，“打开”第二个锁存器而“锁住”第一个锁存器，使第一个 LED 上的数据不变。如果单片机的一个口要做三种用途，则可用三个锁存器，操作过程相似。然而在实际应用中，我们并不这样做，只用一个锁存器就可以了，并用一根 I/O 口线作为对锁存器的控制之用（接 74373 的LE，而OE可恒接地）。所以，就这一种用法而言，可以把锁存器视为单片机的 I/O 口的扩展器。