Rejestry
Cyfrowe urządzenia pamięciowe złożone z przerzutników: rejestry przesuwne, równoległe i ich zastosowania.
Czym jest Rejestr? Cyfrowy Notatnik
Wyobraź sobie rejestr jako mały, niezwykle szybki notatnik lub zestaw przełączników światła wewnątrz urządzenia cyfrowego. Jest to fundamentalny element budowy elektroniki cyfrowej, służący do tymczasowego przechowywania niewielkiej ilości danych.
Każdy rejestr składa się ze zbioru , gdzie każdy przerzutnik może przechowywać pojedynczy bit informacji (0 lub 1). "Szerokość" rejestru (np. rejestr 8-bitowy) określa, ile bitów może on przechowywać naraz. Jego głównym celem jest przechowywanie danych, które są aktywnie przetwarzane przez układ, taki jak procesor CPU czy przełącznik sieciowy.
Kluczowe Typy Rejestrów w Komunikacji
Chociaż istnieje wiele typów rejestrów, w telekomunikacji spotykamy przede wszystkim dwie kluczowe kategorie, oparte na sposobie przetwarzania danych: rejestry równoległe i rejestry przesuwne.
1. Rejestry Równoległe (z Ładowaniem Równoległym)
Rejestr równoległy ładuje wszystkie swoje bity jednocześnie, w jednym cyklu zegarowym. To tak, jakbyśmy przełączali wszystkie włączniki w rzędzie w tym samym momencie. Rejestry te doskonale nadają się do przechowywania statycznego fragmentu danych, jak kompletne słowo cyfrowe.
- Zastosowanie: Są powszechnie spotykane w . Rejestr wyjściowy przechowuje n-bitowe słowo cyfrowe, które przetwornik C/A następnie konwertuje na odpowiedni poziom napięcia analogowego.
2. Rejestry Przesuwne
Rejestr przesuwny przesuwa przechowywane bity o jedną pozycję w lewo lub w prawo z każdym taktem zegara. Ta zdolność czyni je niezbędnymi do konwersji między szeregowymi i równoległymi formatami danych – co jest fundamentalnym zadaniem w telekomunikacji.
Rejestr Szeregowo-Równoległy (SIPO)
Ten typ rejestru pobiera strumień bitów napływających jeden po drugim (szeregowo) i składa je w jedno słowo równoległe. To jak zbieranie liter jedna po drugiej z telegrafu, aby ułożyć całe słowo na kartce papieru.
Zastosowanie: Znajdują się w modułach wejściowych przełączników sieciowych i routerów, gdzie konwertują przychodzące dane szeregowe z linii transmisyjnej na format równoległy, który wewnętrzne układy mogą przetwarzać.
Rejestr Równoległo-Szeregowy (PISO)
Rejestr PISO robi coś odwrotnego: ładuje naraz całe słowo równoległe, a następnie wysyła dane bit po bicie z każdym taktem zegara. To jak przeczytanie całego słowa, a następnie przeliterowanie go przez radio.
Zastosowanie: Niezbędne w modułach wyjściowych nadajników, konwertujące przetworzone dane z powrotem na strumień szeregowy, odpowiedni do wysłania przez pojedynczy przewód lub światłowód.
Zaawansowane Zastosowanie: Rejestry Przesuwne ze Sprzężeniem Zwrotnym (LFSR)
Szczególnym i potężnym typem rejestru przesuwnego jest Rejestr Przesuwny ze Sprzężeniem Zwrotnym (LFSR). Jest to rejestr przesuwny, w którym bit wejściowy jest funkcją liniową (zazwyczaj operacją XOR) jego poprzedniego stanu.
Główną funkcją LFSR jest generowanie . Ta przewidywalna, ale statystycznie losowa sekwencja jest kluczowa dla procesu randomizacji (scramblingu) strumieni danych, gdzie PRBS jest sumowana operacją XOR z oryginalnymi danymi w celu wyeliminowania długich ciągów identycznych bitów, co zapewnia solidne odzyskiwanie zegara w odbiorniku.
Rola Rejestrów w Systemach Telekomunikacyjnych
Rejestry to cisi bohaterowie cyfrowej komunikacji, wykonujący krytyczne, szybkie zadania na poziomie sprzętowym. Ich kluczowe role obejmują:
- Buforowanie: Rejestry, często zorganizowane jako pamięci FIFO (First-In, First-Out), zapewniają niezbędne krótkoterminowe buforowanie w przełącznikach sieciowych (jak przełączniki ATM) i routerach do zarządzania przepływem komórek i pakietów między portami wejściowymi i wyjściowymi.
- Konwersja Formatów Danych: Ich podstawowa funkcja konwersji szeregowo-równoległej i równoległo-szeregowej jest fundamentalna dla każdej karty sieciowej i portu komunikacyjnego.
- Generowanie Sygnałów: Specjalistyczne rejestry, jak LFSR, są używane do generowania złożonych sekwencji PRBS niezbędnych do randomizacji danych oraz do testowania jakości kanałów komunikacyjnych.
- Sterowanie i Stan Systemu: Rejestry sterujące przechowują informacje o konfiguracji i stanie komponentów sprzętowych. Na przykład mogą przechowywać aktualny adres MAC karty sieciowej lub kontrolować tryb pracy modemu.