### 触发器和锁存器的作用
#### 1. 锁存器和触发器的定义及比较
**锁存器(latch)** 和 **触发器(flip-flop)** 是数字电子学中的两种基本存储单元，它们都属于时序逻辑电路，意味着输出不仅取决于当前输入，还取决于先前的状态。虽然二者在功能上有相似之处，但在实际应用中有着显著的区别。
- **锁存器**：是一种电平敏感的存储单元，其状态会随着输入信号的变化而变化。当使能信号（通常称为Gate或Enable）为高电平时，输入信号可以自由通过并反映到输出端。一旦使能信号变为低电平，锁存器将保持最后的状态不变。锁存器主要用于数据暂存，例如在数据处理电路中用于暂时保存中间结果。
- **触发器**：则是一种边沿敏感的存储单元，只有在时钟信号的特定边沿（通常是上升沿或下降沿）到来时，才会改变其状态。触发器的这种特性使得它可以过滤掉噪声干扰，提供更稳定的输出。因此，在大多数数字系统中，触发器被广泛应用于数据寄存和时钟同步。
两者之间的主要区别在于触发机制的不同：
1. **触发方式**：
- 锁存器由电平触发，意味着其状态会随着使能信号的高低电平而改变。
- 触发器由边沿触发，仅在时钟信号的特定边沿（上升沿或下降沿）发生时改变状态。
2. **控制类型**：
- 锁存器是异步控制的，可以在任何时候响应使能信号。
- 触发器则是同步控制的，只会在时钟信号的有效边沿处响应。
3. **设计选择**：
- 在FPGA设计中，由于标准单元库通常包含的是触发器，因此实现锁存器通常需要更多的资源。
- 设计准则倾向于避免使用锁存器，因为它们不能有效地过滤掉输入信号中的毛刺，这可能会导致下游电路的问题。
4. **代码实现**：
- 在硬件描述语言中，如Verilog，若一个变量在电平触发的`always`块中未在所有条件下得到赋值，则可能产生锁存器。
- 边沿触发的`always`块则通常不会产生锁存器，即使条件分支不完全。
#### 2. 锁存器的产生与避免
在数字电路设计中，特别是在使用硬件描述语言进行设计时，锁存器的产生往往不是有意为之。锁存器的产生可以通过以下几种情况进行推断：
1. **电平触发的always语句**：如果在电平触发的`always`语句中，某个变量在所有可能的执行路径（例如if/case语句）中没有被完整地赋值，那么这个变量将被综合成锁存器。
2. **边沿触发的always语句**：对于边沿触发的`always`语句，如果所有的可执行路径中变量没有被全部赋值，通常会产生触发器而不是锁存器。
为了避免不必要的锁存器的产生，可以采取以下措施：
- **完整赋值**：确保在所有的分支条件中都有明确的赋值操作。
- **使用默认分支**：在`case`语句中使用`default`分支来覆盖所有可能的情况。
- **同步复位**：尽可能使用同步复位，这样可以减少因异步复位带来的潜在锁存器问题。
- **避免使用电平触发**：除非特别需要，否则尽量避免使用电平触发的`always`块。
#### 结论
锁存器和触发器作为两种基本的存储单元，在数字电路设计中起着至关重要的作用。理解它们的工作原理以及如何在设计中正确使用它们，对于设计稳定可靠的数字系统至关重要。在现代数字系统设计中，触发器因其更佳的稳定性和抗干扰能力而成为首选，但了解锁存器及其产生的原因也是非常必要的，以便能够避免潜在的设计问题。
