深入解析 JK 触发器与 SR 触发器：从基础原理到 2026 年前沿技术视角

基本概念

触发器是数字逻辑的心跳。作为经验丰富的硬件工程师，我们经常将这些电路视为数字世界中最基础的“记忆单元”。它们本质上是双稳态多谐振荡器，能够通过两个稳定的输出状态（逻辑 1 和逻辑 0）来存储一位二进制信息。在数字系统的浩瀚海洋中，无论是简单的计数器还是复杂的 CPU 寄存器，归根结底都建立在这些看似简单的存储电路之上。

什么是 JK 触发器？

当我们谈论数字存储的灵活性时，JK 触发器往往是我们首选的构建块。相比于 SR 触发器，JK 触发器消除了“禁止状态”的模糊性，这在我们的系统设计中至关重要。它包含两个数据输入端 J（Set）和 K（Reset），以及时钟信号 (CLK)、预置 (PR) 和清零 (CLR) 端。

在 2026 年的硬件开发流程中，虽然我们大量使用 Verilog 或 VHDL 进行高层描述，但理解晶体管级的行为依然不可或缺。让我们通过下面的结构图来回顾它的基本形态。

下面的 JK 触发器图展示了包含时钟 (CLK)、清零 (CLR) 和预置 (PR) 的基本结构。

!JK 触发器结构图

JK 触发器中的操作

在我们的实际开发中，PR 和 CLR 信号通常用于系统的初始化阶段，以确保电路在未知的启动状态下进入已知的逻辑（通常用于复位序列）。

• 情况-1： > PR = CLR = 0

这种条件处于其无效状态。在实际设计中，我们需要严格避免这种情况，因为它会导致输出逻辑冲突。

• 情况-2： > PR = 0 and CLR = 1

PR 被激活，这意味着输出 Q 被强制置为 1。无论时钟信号如何，这种异步操作都会立即生效。

• 情况-3： > PR = 1 and CLR = 0

CLR 被激活，这意味着输出 Q 被强制置为 0。

• 情况-4： > PR = CLR = 1

在这种条件下，触发器按正常方式工作，而 PR 和 CLR 被停用。这是我们进行正常数据传输的模式。

带有预置和清零表示的 JK 触发器

!带有预置和清零的 JK 触发器

JK 触发器的真值表

这张真值表是我们验证逻辑正确性的第一道防线。在 AI 辅助编程的时代，你可以要求 Cursor 或 Windsurf 中的 AI 助手为你自动生成 Testbench 来验证这些状态，从而节省大量手动编写测试用例的时间。

输出

—

—

—

—

CLR

J

Q(n+1)

1

NA

1

置位 (预置)

0

NA

0

复位 (清零)

1

NA

Q(n)

初始状态

1

0

Q(n)

初始状态

1

1

1

置位

1

0

0

复位

1

1

Q‘(n)

翻转#### JK 触发器中的“竞争冒险”现象

在我们最近的一个高速时钟树综合项目中，我们遇到了一个经典挑战：当 J 和 K 都置为 1 时，输出会在时钟的高电平期间不断发生翻转。这种现象被称为“竞争冒险”。在现代 VLSI 设计中，我们通常通过采用主从 JK 触发器 或边缘触发结构来彻底解决这个问题，确保输出状态仅在时钟边缘改变一次。

2026 视角：JK 触发器的企业级 Verilog 实现

在今天的现代开发流程中，我们不再手动绘制电路图，而是使用硬件描述语言（HDL）。让我们看一个我们在生产环境中使用的鲁棒的 JK 触发器模块。这不仅仅是语法糖，更是包含了异步复位和使能控制的现代设计模式。

// 企业级 JK 触发器实现 (支持异步复位/置位)
module jk_flip_flop_enhanced (
    input wire clk,      // 时钟信号，上升沿触发
    input wire rst_n,    // 低电平有效异步复位
    input wire preset,   // 高电平有效异步置位
    input wire j,
    input wire k,
    output reg q,
    output wire q_bar
);

    // 在我们的设计规范中，复位优先级通常高于置位
    // 这是为了确保在电源故障或复位时，系统能安全进入已知状态
    always @(posedge clk or negedge rst_n or posedge preset) begin
        if (!rst_n) begin
            q <= 1'b0; // 复位状态
        end else if (preset) begin
            q <= 1'b1; // 置位状态
        end else begin
            // 核心逻辑：利用 Verilog 的特性处理 JK 翻转
            case ({j, k})
                2'b00: q <= q;    // 保持
                2'b01: q <= 1'b0; // 复位
                2'b10: q <= 1'b1; // 置位
                2'b11: q <= ~q;   // 翻转 - 这是 JK 相比 SR 的最大优势
            endcase
        end
    end

    // 输出缓冲，避免直接组合逻辑输出导致延迟不均
    assign q_bar = ~q;

endmodule

在这个代码块中，我们使用了 INLINECODE559aaf7d 块来处理时序逻辑。你可能已经注意到，我们不仅实现了基础的 JK 逻辑，还添加了 INLINECODE1a85b5d4 和 preset 的优先级判断。在 FPGA 开发中，这种设计模式可以确保我们的代码在综合工具（如 Vivado 或 Quartus）中能够正确映射到底层原语，减少逻辑毛刺。

什么是 SR 触发器？

SR 触发器是置位-复位电路的鼻祖。尽管它的结构简单，但我们在理解时序逻辑的起源时，总是绕不开它。它由两个或非门或与非门交叉耦合而成。在我们的设计规范中，SR 触发器的“无效状态”（S=1, R=1）是一个主要的考虑因素——如果你使用的是基于锁存器的设计，必须确保控制逻辑永远不会产生这种输入组合。

!SR 触发器结构图

SR 触发器中的操作

• 情况-1： > PR = CLR = 1

这是标准的工作模式。在我们的实际项目中，通常会通过一个顶层控制模块来保持这两个信号为高电平，除非系统需要进行全局复位。

• 情况-4： > PR = CLR = 0

警告：这是一个无效状态。在现代仿真工具中，你可以设置断点来捕捉这种情况，从而在硬件流片前发现潜在的逻辑错误。

带有预置和清零表示的 SR 触发器

!带有预置和清零的 SR 触发器

SR 触发器的真值表

输出

—

—

—

—

CLR

S

Q(n+1)

1

NA

1

置位

0

NA

0

复位

1

1

X

无效## 深入技术对比：如何决定使用哪种触发器？

在我们的工程实践中，经常面临这样一个问题：是该使用简单的 SR 锁存器，还是更复杂的 JK 触发器？让我们思考一下这个场景：如果你正在设计一个去抖动电路，SR 锁存器通常就足够了，因为它能够利用机械开关的瞬间短路特性来保持状态。然而，如果你正在构建一个同步计数器或状态机，JK 触发器的“翻转”能力（J=K=1）将大大简化你的逻辑表达式，减少所需的门级电路数量。

性能优化与故障排查

在 2026 年，我们不仅关注功能，更关注性能。以下是我们总结的一些最佳实践：

• 处理亚稳态：在跨时钟域设计（CDC）中，简单的触发器是不够的。我们通常使用两级同步器（也就是两个串联的触发器）来降低亚稳态发生的概率。这本质上就是利用触发器的恢复时间来稳定数据。

• 时序违例：当你在使用 Agentic AI 辅助调试时，如果发现 Setup Time 或 Hold Time 违例，最直接的解决方法通常是增加流水线级数。这不仅改善了时序裕度，还能通过减少组合逻辑路径的延迟来提高系统的最大时钟频率。

现代开发环境中的实战应用

在 2026 年的“氛围编程”工作流中，我们编写硬件代码的方式已经发生了改变。当我们在 Cursor 或 VS Code 中编写上述 Verilog 代码时，我们不再孤军奋战。我们可以这样与 AI 结对编程：

• 生成 Testbench：“帮我为这个 JK 触发器编写一个自验证的 Testbench，覆盖所有状态转换。”
• 波形分析：AI 可以解析仿真波形，并在你看到 Q 端出现毛刺时，提醒你检查时钟使能信号是否过于敏感。

下面是一个我们在测试环节常用的 Testbench 片段，展示了如何验证异步复位功能：

// 现代化的自验证 Testbench 片段
initial begin
    // 初始化
    clk = 0; rst_n = 0; j = 0; k = 0; preset = 0;
    
    // 测试序列：模拟电源上电后的复位释放
    #10 rst_n = 1; // 释放复位
    
    // 测试翻转功能 (J=1, K=1)
    j = 1; k = 1;
    #20; // 观察输出是否翻转
    
    // 测试异步置位
    preset = 1;
    #5;
    if (q !== 1‘b1) $display("Error: Preset failed!"); // 简单的自检逻辑
    preset = 0;
    
    $finish;
end

真实场景下的性能对比

让我们看一个实际的案例。在我们最近为边缘计算设备设计的一个低功耗传感器接口中，我们需要选择存储单元。我们对比了两种方案：

• 方案 A (基于 SR Latch)：电路简单，静态功耗极低。但由于它是电平敏感的，容易受到电源噪声的影响，导致状态意外翻转。
• 方案 B (基于 JK Flip-Flop)：虽然稍微增加了几个门电路的面积，但它对时钟边沿敏感，极大地提高了抗干扰能力。

决策经验：在强干扰环境下（如电机驱动控制板），我们毫不犹豫地选择了方案 B。而在纯电池供电、且对噪声不敏感的超低功耗待机逻辑中，方案 A 依然有其用武之地。

总结：技术演进与未来展望

从 GeeksforGeeks 的基础教程到 2026 年的云端 FPGA 开发，JK 和 SR 触发器的物理原理没有改变，但我们对它们的应用方式已经发生了质的飞跃。

我们在文章中探讨了从基本的真值表到企业级代码实现的过程。作为一个经验丰富的开发团队，我们建议你不仅要掌握这些基础电路的逻辑特性，更要学会利用现代工具链——无论是 AI 辅助的代码生成，还是自动化的时序分析工具——来构建更可靠、更高效的数字系统。在未来的边缘计算和 AI 原生硬件架构中，这些“古老”的触发器依然是支撑万亿级晶体管同步运作的基石。