Latch(래치) / Flip-Flop(플립플롭)

디지털 회로는 0과 1의 조합으로 동작하지만,
현재 입력값뿐만 아니라 과거 상태(이전 입력)를 기억해야 하는 경우가 많다.
예를 들어,

• 스위치가 눌린 상태를 저장해야 하거나
• 클록 신호에 맞춰 데이터를 저장해야 할 때

이러한 '기억' 기능을 수행하는 장치가 바로 래치(Latch) 와 플립플롭(Flip-Flop) 이다.

두 소자 모두 1비트(binary state) 정보를 저장할 수 있지만,
동작 방식(입력 타이밍 제어 방식)에서 차이가 있다.

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Latch (래치)

(1) 정의

래치(Latch) 는 레벨(Level) 신호에 반응하여 데이터를 저장하는 소자이다.
즉, 입력 신호가 활성 상태인 동안 입력 변화가 그대로 출력에 영향을 준다.

(2) 특징

• 레벨 트리거(Level-Triggered) 동작
• 클록(Clock) 신호 없이도 동작 가능 (비동기적 저장 가능)
• 회로가 단순하며 빠르지만, 노이즈나 타이밍 오류에 민감

(3) 대표적인 종류

SR Latch (Set-Reset Latch)

가장 기본적인 래치로, S(Set) 와 R(Reset) 입력을 사용한다.

S	R	Q(next)	설명
0	0	Q(prev)	상태 유지
0	1	0	Reset
1	0	1	Set
1	1	불가능	금지 상태(Invalid)

D Latch (Data Latch)

입력 신호를 단일 데이터 입력(D)로 단순화한 형태로,
S와 R을 내부 논리로 구성하여 금지 상태를 제거한 버전이다.

D	Enable	Q(next)
0	1	0
1	1	1
X	0	Q(prev)

Enable 신호가 1일 때만 입력 D가 출력으로 전달된다.

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Flip-Flop (플립플롭)

(1) 정의

플립플롭(Flip-Flop) 은 엣지(Edge) 신호에 반응하는 저장 소자이다.
즉, 클록이 상승엣지(rising edge) 또는 하강엣지(falling edge) 에 도달하는 순간에만 입력값을 저장한다.

플립플롭은 클록 기반 동기 회로(Synchronous Circuit)의 핵심 구성 요소이다.

(2) 특징

• 엣지 트리거(Edge-Triggered) 동작
• 입력이 변하더라도, 클록 변화 시점에만 출력이 갱신
• 정확한 타이밍 제어가 가능하여 CPU, 메모리, 레지스터 등에서 널리 사용

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대표적인 플립플롭 종류

종류	주요 입력동작	설명
SR Flip-Flop	S, R	클록에 맞춰 Set/Reset
D Flip-Flop	D	클록 순간에 D 값을 그대로 저장
JK Flip-Flop	J, K	SR의 금지 상태를 제거, Toggle 기능 추가
T Flip-Flop	T	입력이 1일 때마다 상태가 반전 (Toggle)

(1) D Flip-Flop의 동작

 

CLK ↑ → Q(next) = D

즉, 클록이 상승 엣지를 만날 때 입력 D의 값을 기억한다.

(2) JK Flip-Flop의 동작

J	K	Q(next)	설명
0	0	Q(prev)	상태 유지
0	1	0	Reset
1	0	1	Set
1	1	Q’	Toggle (반전)

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Latch vs Flip-Flop 비교

구분	Latch	Flip-Flop
동작 방식	Level Triggered	Edge Triggered
클록 필요	선택적 (없어도 가능)	반드시 필요
응답 시점	Enable 신호가 유지되는 동안	클록의 순간(엣지)
안정성	노이즈에 약함	안정적
속도	빠름	느리지만 정확
사용 예	임시 저장, 비동기 회로	레지스터, 카운터, FSM 등 동기 회로

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실제 예시 ― D Flip-Flop 기반 레지스터

예를 들어, CPU 내부의 8비트 레지스터(Register) 는
8개의 D 플립플롭을 병렬로 연결한 형태이다.

각 클록 사이클마다 새로운 데이터(8비트)가 동시에 저장되며,
이전 상태는 클록 엣지 전까지 유지된다.

 

Data (D0~D7) ──▶ [D-FF]×8 ──▶ Output (Q0~Q7)

                                     ↑ Clock

 

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정리

• Latch : 레벨에 따라 즉시 반응하는 저장 소자 (빠르지만 불안정)
• Flip-Flop : 클록 엣지에만 반응하는 저장 소자 (정확하고 안정적)
• 플립플롭은 래치를 기반으로 발전한 구조이며, 순차 논리회로의 기본 블록으로 사용된다.

결국 래치는 잠시 기억하는 기억장치, 플립플롭은 정해진 순간에 기억하는 기억장치라고 할 수 있다.