1.2.2 具有记忆力的电路
尽管人们所熟悉的组合逻辑电路不仅可以表达二进制信息，而且通过一定的方式相连之后还能实现各种运算，但不能保存中间结果以备下次运算时使用。这种电路是“直肠子”，只能一次性把需要的运算全做完，然后直接显示出来。为此，计算机的设计者需要预见所有计算任务的全过程并把它们“焊死”在电路中，这种做法只可能出现在最早期的专用计算机中。
于是就有了时序逻辑电路——一种输出不仅取决于输入，还取决于自身状态的“神奇”电路。1918年，英国物理学家威廉•埃克尔斯和F•W•乔丹首次用电子管搭建了一种时序逻辑电路，成功将转瞬即逝的电信号留住。
接下来尝试用逻辑门构建一个该电路的示例。
编者想起ENIAC之父埃克特设计的水银延迟线，信号被“囚禁”在电、声混合的环路中，不停地循环奔跑。那么，将信号“囚禁”在回环的逻辑电路中会是什么样子的呢？
接下来，先拿一个简单的或门做实验，把它的输出端和某个输入端相连，如图1.18所示，输入端记为A和B，输出端记为Q，B、Q相连。
图1.18 首尾相连的或门
1）一开始，A和B同时为0，0和0的逻辑或为0，Q便为0，B、Q一致，3端都保持在0的状态，相安无事。
2）此时，如果从A端输入1，B端还为0，1和0的逻辑或为1，Q便为1，这个1反馈到B端，B也变成了1，1和1的逻辑或还是1，三端便都稳定在1的状态。
3）接着，如果再将A端的输入变回0，B端保持为1，0和1的逻辑或还是1，Q保持为1。这意味着，B和Q已“互相扶持”，组成了独立的“小团体”，不论A端的输入如何变化，输出永远为1。
我们成功地实现了一个能保存1的电路，它是触发型的，在A首次从0变为1时，触发了1的存储。那么0呢？用或门的“镜像”——与门试试吧！如图1.19所示。
图1.19 首尾相连的与门
1）首先，同时令A和B为1，1和1的逻辑与为1，即Q为1，B、Q一致，3端都保持在1的状态，相安无事。
2）此时，如果A变为0，B端为1，0和1的逻辑与为0，即Q为0，这个0反馈到B端，B也变成了0，0和0的逻辑与还是0，3端便都稳定在0的状态。
3）接着，如果再将A端的输入变回1，B端保持为0，1和0的逻辑与还是0，Q保持为0。这意味着，B和Q“同归于尽”，不论A“如何努力”，输出永远为0。
这下保存0的电路也有了，它和保存1的电路一样，也是触发型的，在A端首次从1变为0时完成0的存储。
不过，人们需要的是一个既能存1又能存0的电路，得把上面两个电路组合起来，才能存储一个完整的比特，如图1.20所示。
图1.20 由与、或门组合而成的单比特存储电路
1）先分析与门，只要与门的任意输入为0，输出必定为0。因此，如果期望Q为0，只需要确保B为0即可，A的取值无所谓。当然，当Q为0后，人们也可以通过向A输入0，使或门输出0，这个0作为与门的一个输入导致Q稳定为0，B反而可以随意变动。
2）如果期望Q为1，A和B都必须输入1。但Q为1后，这个1反馈到或门的输入，A的值是可以变回0的。
3）上述两步分析中有一个共同规律，那便是，当A为0、B为1时，Q保持原样。
如此，人们得到一张令人困惑的真值表，如表1.4所示。
表1.4 与、或门单比特存储电路真值表
不过仔细观察可以发现，如果想在这个电路中存储1，必须从A输入1；如果想存储0，必须从B输入0。A和B对Q产生作用的状态不同，这在专业上称为A为高电平有效，B为低电平有效。高电平有效更符合人们的常识，如灯泡会在开灯时亮起、关灯时熄灭；而低电平有效却等同于灯泡在关灯时亮起。
为了避免这种逻辑混淆人们的思路，必须把B端扭转为高电平有效。采用的方法就是再增加一个非门，如图1.21所示。
图1.21 由与、或、非门组合而成的单比特存储电路
如表1.5所示，真值表得到了不错的“修缮”。A为1时存储1，B为1时存储0，当然前者还需要B=0的附加条件。
表1.5 与、或、非门单比特存储电路真值表
Q的状态转换图如图1.22所示。
图1.22 与、或、非门单比特存储电路状态转换图[3]
[3] X表示0、1皆可。
在专业上，比特的置1称为置位（Set），置0称为复位（Reset）。因此，A端常被称为S端，B端则被称为R端。由于两者的变化触发着Q的变化，故整个电路称为RS触发器。
RS触发器有多种实现方式，如将两个或非门首尾相连，或者将两个与非门首尾相连，如图1.23所示。后者输入端字母上的横杠表示低电平有效。它们的真值表如表1.6和表1.7所示，感兴趣的读者不妨自己推导一下。
图1.23 基于或非门和基于与非门的RS触发器
表1.6 基于或非门的RS触发器真值表
表1.7 基于与非门的RS触发器真值表
在RS触发器的基础上，人们还搭建了各种复杂的触发器电路，它们都拥有保持原状态、等待触发的特点，成为存储比特信息的绝佳“容器”。多个触发器组合起来，就可以用于存储一条完整的数据，如8个触发器可以组成一个8位的寄存器。