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1. Einleitung 22. Allgemeines 22.1 Übertragungsstrecke 32.2 Schrittrate, Übertragungsrate, Datentransferrate 32.2.
1 Schrittrate 32.2.2 Übertragungsrate 32.2.3 Datentransferrate 32.3 Übertragungsrichtungen 42.
3.1 Simplex 42.3.2 Halbduplex 42.3.3 Vollduplex 43.
Übertragungsarten 53.1 Asynchrone Übertragung 53.2 Synchrone Übertragung 54. Protokolle 64.1 Zeichenorientierte Protokolle 64.2 Bitorientierte Protokolle 64.
2.1 Das SDLC – Protokoll (Synchronous Data Link Control) 64.2.2 Das HDLC – Protokoll (High-Level Data Link Control) 75. Schnittstellen 75.1 Digitale Schnittstellen (RS232, V.
24) 75.2 Analoge Schnittstellen – Modem 96. UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 107. Beispiel für Schnittstellen einer Automatisierungsinsel 128. Literaturnachweis 12
Einleitung
Schnittstellen stellen Anschlüsse an Geräten dar, über die sich mittels Übertragungsleitungen digitale Daten übertragen lassen. Es gibt Schnittstellen für die serielle Übertragung der einzelnen Datenbits und solche für die parallele Übertragung.
Im allgemeinen verfügt jeder PC über zwei serielle Schnittstellen. Die serielle Schnittstelle wird meist für den Anschluss eines Modem oder aber auch für die Kommunikation mit peripheren Geräten wie z.B.: Sensoren, Verstärker, Messgeräte,...
) und Maschinen, die ebenfalls eine serielle Schnittstelle besitzen.
Allgemeines
Bei der seriellen Übertragung ist nur eine Datenleitung nötig, da die einzelnen Datenbits einer Informationseinheit (Byte, Wort, usw.) nicht, wie bei der parallelen Übertragung gleichzeitig über mehrere Datenleitungen, sondern nacheinander (seriell) über eine einzige Leitung gesendet werden. Dafür ist sie aber langsamer als die parallele Übertragung. Sie wird bei kurzen Übertragungsstrecken eingesetzt.
Für die serielle Übertragung gibt es zwei verschiedene Formate:
Asynchrone Übertragung
Synchrone Übertragung
Vorteile:
Entsprechende Verbindungskabel brauchen prinzipiell nur aus wenigen Leitungen zu bestehen ( Sende-, Empfangs-, Masse- und Steuerleitung)
Da keine Beeinflussung durch andere Kabel möglich ist, sind lange Übertragungsstrecken möglich
Einfache Erweiterung zur Empfangsmöglichkeit
Für bestimmte Anwendung kann auf das vorhandene Telefonnetz zurückgegriffen werden (Akustikkoppler)
Nachteile:
Daten müssen erst aufbereitet werden, bevor sie übertragen werden können.
Danach muss wieder eine Rückübertragung in das alte Format erfolgen.
Die Übertragungsrate liegt weit unter der von parallelen Schnittstellen
Übertragungsstrecke
Die Übertragungsstrecke
Übertragungsleitung
DEE
DÜE
DÜE
DEE
Analoge
Schnittstelle
Analoge
Schnittstelle
Digitale
Schnittstelle
Digitale
Schnittstelle
DEE...Datenendeinrichtung (z.B.
: Computer, Drucker)
DÜE...Datenübertragungseinrichtung (z.B.: Modem)
Schrittrate, Übertragungsrate, Datentransferrate
Schrittrate
Die Schrittrate gibt den Takt an, mit dem die Zeichen übertragen werden.
Die Einheit ist Zeichen (Bits) pro Sekunde (bps) oder auch Baud genannt.
Mögliche Schrittraten reichen von 75 Baud bis 115200 Baud.
Übertragungsrate
Die Übertragungsrate ist die Menge der übertragenen Informationen pro Zeiteinheit, wobei alle Informationen, etwa auch Steuerzeichen, gemeint sind. Die Einheit ist Bits pro Sekunde.
Datentransferrate
Die Datentransferrate ist die Übertragungsrate abzüglich der nicht zu den Nutzdaten gehörenden Daten wie etwa Start uns Stoppbits.
Übertragungsrichtungen
Simplex
Hierbei ist es nur möglich, Daten in eine Richtung zu übertragen.
DEE
DÜE
DÜE
DEE
Simplex
Halbduplex
Hier können Daten in beide Richtungen übertragen werden, jedoch ist dies nicht gleichzeitig möglich.
DEE
DÜE
DEE
DÜE
Halbduplex
Vollduplex
Hier können Daten gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden.
DEE
DÜE
DEE
DÜE
Vollduplex
3. Übertragungsarten
3.1 Asynchrone Übertragung
Bei dieser Art der seriellen Übertragung wird jedes Byte einzeln übertragen, wobei Sender und Empfänger nicht den gleichen Takt besitzen. Das übertragene Zeichen besteht aus einem Startbit und ein oder mehreren Stoppbits.
Zwischen Start- und Stoppbits befinden sich die Datenbits. Die Übertragung beginnt mit dem Erkennen eines Startbits ( Zustand 0).
Entdeckt der Empfänger einen Zustandswechsel vom Ruhezustand ( Zustand 1) in den Zustand 0, interpretiert er diese negative Flanke als das Startbit. Danach überprüft er in der Mitte des Startbits noch einmal den Zustand der Leitung, ob sie noch immer 0 ist. Dadurch soll verhindert werden, dass ein zufälliger Störimpuls die Übertragung startet. Nach dem Startbit folgen 7 oder 8 Datenbits.
Die Zeit, die benötigt wird um ein Bit zu übertragen nennt man Schrittlänge. Während der Übertragung werden die Datenbits in der Mitte der Schrittlänge abgetastet, um eine möglichst große Sicherheit gegenüber Störungen zu erreichen. Ist die Überragung zu Ende folgt ein Stoppbit (Logisch 1), das dem Empfänger das Ende der Übertragung bekannt gibt.
Nach dem Auftreten eines neuerlichen Startbits wird mit der Übertragung des nächsten Zeichens begonnen.
Um Fehler zu erkennen, wird ein Paritätsbit nach den Datenbits mitgesendet. Das Paritätsbit dient dazu, um fehlerhaft übertragene Bits zu erkennen und zu korrigieren.
Anordnung der Bits (asynchrones Datenformat): St D0 D1 D2 D3 D3 D4 D5 D6 D7 P Sp Sp
St...Startbit
P...
Paritätsbit
Sp...Stoppbit
D0 – D7...
Datenbits
3.2 Synchrone Übertragung
Bei der synchronen Übertragung haben Sender und Empfänger den gleichen Takt, dass heißt, der Takt muss während der Übertragung immer mitgeliefert werden. Die Synchronität wird dadurch erreicht, das die Daten in Blöcke (frames) zusammengefasst werden. Anfang und Ende eines Blocks werden durch Blockbegrenzungszeichen (flags) gekennzeichnet. Die Übertragung wird mit Codewörtern gestartet. Am Beginn eines Sendevorgangs wartet der Sender auf seine Freigabe und beginnt als erstes das Codewort zu senden.
Der Empfänger speichert die Bits in einem Schieberegister zwischen und fragt den Inhalt des Schieberegisters immer auf das Codewort ab. Dabei geschieht das Weiterschieben der Daten. Dieses Verfahren wird auch Hunt – Mode genannt. Wird das Codewort gefunden, beendet der Empfänger den Hunt-Mode und erwartet nun Datenbits. Es darf jedoch nicht vorkommen, dass das gleiche Bitmuster, welches dem Codewort entspricht, noch einmal auftritt.
4.
Protokolle
4.1 Zeichenorientierte Protokolle
Die zu übertragenden Daten werden in Blöcke zusammengefasst, der Datenteil eines Blockes heißt dann „Text“. Dem Text kann ein Kopf mit Steuerinformationen vorangestellt werden. Vor der Aussendung eines Blockes muss eine vereinbarte Anzahl von SYN – Zeichen gesendet werden.
Aufbau eines DÜ-Blocks:Text
STX
Kopf
SYN
BCC
ETB
SOH
SYN
SYN
SYN..
.Synchronisationswort
SOH...Anfang des Kopfes (start of header)
STX..
.Anfang des Texts (start of text)
ETB…Ende des Texts (end of text)
BCC…Blockprüfungszeichen (block check character)
Phasen einer Datenübertragung:
Eine Datenübertragungsvorgang besteht aus drei Phasen:
Aufforderungsphase
Textphase
Beendigungsphase
In der Aufforderungsphase sendet eine sendewillige Station das Steuerzeichen SYN. Antwortet die Gegenstation, dann kann mit der Textphase begonnen werden.
Die Textphase sieht folgendermaßen aus:
SYN + SYN + STX + Text + ETB + BCC
Jetzt hört der Sender mit der Übertragung auf und wartet auf Rückmeldung vom Empfänger.
Nachdem der letzte Textblock vom Empfänger bestätigt wurde, sendet der Sender das Zeichen EOT (End of Transmission). Hiermit ist die Textphase beendet, die Verbindung abgebaut.
4.2 Bitorientierte Protokolle
4.2.1 Das SDLC – Protokoll (Synchronous Data Link Control)
Infolge des angewandten Bitstoppverfahren gestattet es eine transparente Datenübertragung. Die Übermittlung wird in DÜ – Blöcken vorgenommen, deren Aufbau wie folgt aussieht. Opening flag Adressfeld Steuerfeld Datenfeld Blockprüfungsfeld closing flag
opening flag und closing flag: sind Blockbegrenzungszeichen
Adressfeld: in ihm ist die Sender- bzw.
Empfängeradresse gespeichert (8 Bit)
Steuerfeld: Informationen des Datenblocks werden zur Steuerung übergeben (8 Bit)
Datenfeld: In ihm befinden sich die eigentlichen zu übertragenden Informationen (8 Bit)
Blockprüfungsfeld: es dient zur Überprüfung der Daten auf Übertragungsfehler (16 Bit)
4.2.2 Das HDLC – Protokoll (High-Level Data Link Control)
Das HDLC – Protokoll ist im Prinzip ein erweitertes SDLC – Protokoll. Diese beiden Protokolle unterscheiden dich nur im Adress – und Steuerfeld.
Beim SDLC – Protokoll hatte das Adressfeld nur 8 Bit. Beim HDLC sind hingegen beliebige, ganzzahlige Vielfache von 8 Bit möglich => mehr Adressen möglich => mehr Kommunikationseinrichtungen.
Die Größe des Steuerfeldes wurde von 8 auf 16 Bit erweitert => 7 Bit anstatt 3 Bit für Sende – bzw. Empfangsfolgenummer =< größerer Durchnummerierungsbereich.
5. Schnittstellen
Um den Computer den Datenaustausch mit der Außenwelt ( Peripheriegeräte) zu ermöglichen, ist eine Schnittstelle, welche das Bindeglied zwischen Datenendeinrichtung (DEE) und Datenübertragungseinrichtung (DÜE) ist, notwendig. Es gibt bereits verschiedene Arten von Schnittstellen:
TTY – Stromschnittstelle (sehr alt, kaum im Gebrauch)
IEC – Bus – Schnittstelle (für Mess- und Steuergeräte, arbeitet mit negativer Logik)
Centronics – Schnittstelle (parallel => Druckeranschluss)
V.24 – Schnittstelle (asynchrone serielle Schnittstelle)
RS232 – Schnittstelle (ähnlich V.
24)
Über diese Schnittstellen werden üblicherweise ASCII – Zeichen übertragen.
Bestandteile dieser Schnittstellen sind Leitungen, die die Übertragung zwischen dem Computer und den Peripheriegeräten regeln. Folgende Leitungen werden benötigt:
Erdleitungen
Datenleitungen
Steuer –und Meldeleitungen
Taktleitungen
Zusatzleitungen
Meistens kommt es aber vor, das für die Übertragung nicht alle Leitungen interessant sind. In diesem Fall bleiben die anderen Leitungen unbeschaltet oder werden auf einen festen Pegel gelegt.
5.1 Digitale Schnittstellen (RS232, V.
24)
Die amerikanische Norm RS-232 und die deutsche Norm V.24 sind sehr ähnlich.
Aufbau:
Beide Normen beinhalten eine 9-polige und eine25-polige Version. Der Unterschied liegt darin, dass der 9-polige Stecker nur die nötigen Verbindungen besitzt, während die 25-polige Version einige Leitungen mehr enthält, die beispielsweise für die Steuerung eines Modems eingesetzt werden können.
9-polig: 25-polig:
Signalbeschreibung:
Bezeichnung
Richtung
Stiftnummer
Deutsch
Englisch
DEE - DÜE
25-polig
9-polig
Schutzerde
Protective Ground
1
-
Sendedaten
Transmit Data
®
2
3
Empfangsdaten
Receive Data
¬
3
2
Sendeteil einschalten
Request to Send
®
4
7
Sendeteilbereitschaft
Clear to Send
¬
5
8
Betriebsbereitschaft
Data Set Ready
¬
6
6
Betriebserde
Signal Ground
7
5
Empfangssignalpegel
Data Carrier Detect
¬
8
1
Nicht genormt
9
-
Nicht genormt
10
-
Hohe sendefrequenz einschalten
Select Transmit Frequency
®
11
-
Empfangssignalpegel
Help Carrier Detect
¬
12
-
Sendebereitschaft
Clear to Send
¬
13
-
Sendedaten
Transmit Data
®
14
-
Empfangsdaten
Receive Data
¬
16
-
Sendeteil einschalten
Request to Send
®
19
-
Sendeschritttakt
Transmitter Signal Element Timing
¬
15
-
Empfangsschritttakt
Receiver Signal Element Timing
¬
17
-
Nicht genormt
18
-
Leitung anschalten
Endgerät betriebsbereit
Connect Data Set to Line
Data Terminal Ready
®
®
20
4
Empfangsqualität
Data Signal Quality
¬
21
-
Ankommender Ruf
Ring Indicator
¬
22
9
Übertragungsge-
schwindigkeit wählen
Data Signalling Rate
Selector
®
¬
23
-
Sendeschritttakt
Transmitter Signal Element Timing
®
24
-
Nicht genormt
25
-
5.2 Analoge Schnittstellen – Modem
Das Wort Modem kommt von Modulator – Demodulator, was bereits etwas über seine Funktion aussagt.
Ein Modem wird benötigt, wenn digitale Datenströme über Leitungen übertragen werden müssen, die nur für analoge Signale in einem bestimmten Frequenzbereich sind, wie zum Beispiel das Fernsprechnetz. Um die von einer Datenendeinrichtung gesendeten digitalen Daten in analoge umzuwandeln, werden diese moduliert. Umgekehrt werden die von der Übertragungsleitung eintreffenden analogen Datensignalen durch Demodulation in digitale Daten umgewandelt. Daraus folgt, dass das Modem zwei Schnittstellen benötigt eine digitale, meist eine RS-232-Schnittstelle, und eine analoge.
Die wichtigsten Modemarten:
Modems für Fernsprechleitungen
Basisbandmodems für lokale Netzwerke
Optischen Modems für Lichtwellenleiter- und Infrarotverbindungen
HF- oder Funkmodems für Richtfunk-, Sprechfunk- oder Satellitenverbindungen
Alle diese Modems arbeiten nach dem selben Prinzip und können sowohl einen als auch mehrere Übertragungskanäle besitzen.
Zum Datenendgerät (digitale Schnittstellen)
Prinzipieller Aufbau eines Modems:Übertragungsleitung oder -weg
Leitungs-
anschaltung
Modulation
Und
Demodulation
Steuerung
Leistungsanschaltung:
Eine Leistungsanschaltung wird nur bei Modems benötigt, die für die Kommunikation über Fernmeldeleitungen konzipiert sind.
Denn dort darf das Modem erst dann eine Verbindung zur Übertragungsleitungen herstellen, wenn es angerufen wird, beziehungsweise wenn es ein anderes Modem anruft.
Modulation und Demodulation:
Die digitalen Datensignale, die vom Computer kommen, werden beim Modem mittels Modulation in analoge, und die analogen mittels Demodulation in digitale Signale umgewandelt. Dazu werden verschiedene Modulationsarten verwendet.
Steuerung:
Die Steuerung ist für das Zusammenspiel von digitaler und analoger Schnittstelle verantwortlich. Sie verarbeitet die vom Datenendgerät kommenden Steuer- und Datensignale uns steuert damit die einzelnen Komponenten des Modems und den Ablauf der Datenübertragung.
6.
UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)
Der UART verfügt über insgesamt zehn Register, die von außen (per Software) zu erreichen sind. Darüber hinaus verfügt er über einige weitere Register, die nur intern angesprochen werden. Dazu zählen beispielsweise das Empfangsschieberegister und das Sendeschieberegister, die für das Senden und Empfangen von Zeichen eine entscheidende Rolle spielen. Empfängt der UART ein Zeichen, werden die einzelnen hereinkommenden Bits zunächst im Empfangsschieberegister "aufgeschichtet", bis ein komplettes Byte eingetroffen ist. Sollte dabei kein Fehler aufgetreten sein, wird das Byte anschließend in das Empfangshalteregister weitergereicht, von wo es per Software ausgelesen werden kann.Übertragungsleitung
Rechner
Ausgabe der Daten
Empfangsdaten
STEUERUNG:
Baudrate
Datenbits
Parität
Stopbits
STATUS:
Fehler (Overrun, Rahmenfehler,.
..)
Empfangsdaten bereit
Sendehalteregister leer
In der entgegengesetzten Richtung schreibt die Software ein zu sendendes Byte zunächst in das Sendehalteregister. Von dort übernimmt es der UART in das interne Sendeschieberegister, um die einzelnen Bits von dort nacheinander über die Leitung zu geben.
Empfangs=
schieberegister
Empfangs=
halteregister
Sende=
schieberegister
Sende=
halteregister
Programmierung:
Senden: Soll ein Zeichen übertragen werden, muss überprüft werden ob das Sendehalteregister leer ist. (Bit 5 von 3FDh)
Empfangen: Soll ein Zeichen empfangen werden, muss überprüft werden, ob Bit 0 von 3FDh gesetzt ist.
Register der UART
Port Funktion Register Bemerkung
3F8h Ausgabe Sendehalteregister Bit 7 des Leitungssteuerreg. auf 0
3F8h Eingabe Empfangshalteregister Bit 7 des Leitungssteurerreg. auf 0
3F8h Ausgabe Baudratenregister (LSB) Bit 7 des Leitungssteuerreg. auf 1
3F9h Ausgabe Baudratenregister (MSB) Bit 7 des Leitungssteuerreg. auf 1
3F9h Ausgabe Unterbrechnungs- Bit 7 des Leitungssteuerreg. auf 0
aktivierungsregister
3FAh Eingabe Unterbrechungs-
erkennungsregister
3FBh Ausgabe Leitungssteuerregister
3FCh Ausgabe Modemsteuerregister
3FDh Eingabe Leitungsstatusregister
3FEh Eingabe Modemstatusregister
7.
Beispiel für Schnittstellen einer Automatisierungsinsel
8. Literaturnachweis
[1] persönliche Aufzeichnungen
[2] Schnittstellen von
[3] Internet
[4] Lehrbehelf 154
| Anmerkungen: |
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