Czym jest rejestr? Budowa i funkcja
Rejestr jest małym i szybkim układem sekwencyjnym elektroniki cyfrowej, który tymczasowo przechowuje niewielką ilość danych. Jego stan zmienia się zgodnie z sygnałem zegarowym, dlatego rejestr może przechowywać dane wykorzystywane w kolejnych etapach pracy układu.
Każdy rejestr składa się ze zbioru , gdzie każdy przerzutnik przechowuje pojedynczy bit informacji (0 lub 1). Szerokość rejestru, na przykład rejestru 8-bitowego, określa liczbę bitów przechowywanych jednocześnie. Rejestr przechowuje dane aktywnie przetwarzane przez układ, taki jak procesor CPU lub przełącznik sieciowy.
Typy rejestrów w telekomunikacji
W telekomunikacji spotyka się wiele typów rejestrów. Dwa podstawowe typy opisują sposób ładowania i przesuwania danych: rejestry równoległe oraz rejestry przesuwne.
1. Rejestry równoległe (z ładowaniem równoległym)
Rejestr równoległy ładuje wszystkie bity jednocześnie, w jednym cyklu zegarowym. Taki tryb pracy pozwala przechować statyczny fragment danych, na przykład kompletne słowo cyfrowe, i udostępnić jego bity w tym samym czasie.
- 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 przy każdym takcie zegara. Umożliwia to konwersję między szeregowym i równoległym formatem danych, często potrzebną w urządzeniach telekomunikacyjnych.
Rejestr szeregowo-równoległy (SIPO)
Ten typ rejestru pobiera strumień bitów napływających jeden po drugim (szeregowo) i składa je w jedno słowo równoległe. Po zebraniu wymaganej liczby bitów słowo jest dostępne na wyjściach równoległych.
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 działa odwrotnie. Ładuje całe słowo równoległe, a następnie wysyła dane bit po bicie przy kolejnych taktach zegara. W ten sposób przygotowuje słowo do transmisji szeregowej.
Zastosowanie: Stosowane w modułach wyjściowych nadajników do konwersji przetworzonych danych na strumień szeregowy odpowiedni do wysłania przez pojedynczy przewód lub światłowód.
Rejestry przesuwne ze sprzężeniem zwrotnym (LFSR)
Wyspecjalizowanym typem rejestru przesuwnego jest rejestr przesuwny ze sprzężeniem zwrotnym (LFSR). Bit wejściowy jest w nim funkcją liniową poprzedniego stanu rejestru, zwykle wyznaczaną za pomocą operacji XOR.
Główną funkcją LFSR jest generowanie . Ta przewidywalna sekwencja o właściwościach statystycznie losowych jest używana do randomizacji (scramblingu) strumieni danych. PRBS jest wtedy łączona z danymi za pomocą operacji XOR, co ogranicza długie ciągi identycznych bitów i ułatwia odzyskiwanie zegara w odbiorniku.
Rola rejestrów w systemach telekomunikacyjnych
W systemach telekomunikacyjnych rejestry wykonują szybkie zadania na poziomie sprzętowym i przechowują wartości między kolejnymi etapami taktowanego przetwarzania. Przechowywanie wartości między etapami pozwala przekazać je do następnego etapu w ustalonej kolejności. Ich główne role obejmują:
- Buforowanie: Rejestry mogą tworzyć pamięci FIFO (First-In, First-Out), które zapewniają krótkoterminowe buforowanie w przełącznikach sieciowych (jak przełączniki ATM) i routerach do zarządzania przepływem komórek i pakietów między portami wejściowymi i wyjściowymi.
- Konwersja formatów danych: Konwersja szeregowo-równoległa i równoległo-szeregowa jest podstawową funkcją wielu kart sieciowych oraz portów komunikacyjnych.
- Generowanie sygnałów: Rejestry LFSR generują sekwencje PRBS używane do randomizacji danych oraz testowania jakości kanałów komunikacyjnych.
- Sterowanie i stan systemu: Rejestry sterujące przechowują informacje o konfiguracji i stanie komponentów sprzętowych. Mogą na przykład przechowywać aktualny adres MAC karty sieciowej lub kontrolować tryb pracy modemu.