Serielle Schnittstelle

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

Digitale

Schnittstelle

Analoge

Schnittstelle

Analoge

Schnittstelle

Digitale

Schnittstelle

DEEDatenendeinrichtung (z.B.: Computer, Drucker)

DÜEDatenübertragungseinrichtung (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

DEE

Simplex

Halbduplex

Hier können Daten in beide Richtungen übertragen werden, jedoch ist dies nicht gleichzeitig möglich.

DEE

DÜE

DEE

Halbduplex

Vollduplex

Hier können Daten gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden.

DEE

DÜE

DEE

Text Box: DÜE

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):

StStartbit

PParitätsbit

SpStoppbit

D0 - D7Datenbits

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:

SYNSynchronisationswort

SOHAnfang des Kopfes (start of header)

STXAnfang 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
Sendedaten	Transmit Data
Empfangsdaten	Receive Data
Sendeteil einschalten	Request to Send
Sendeteilbereitschaft	Clear to Send
Betriebsbereitschaft	Data Set Ready
Betriebserde	Signal Ground
Empfangssignalpegel	Data Carrier Detect
Nicht genormt
Nicht genormt
Hohe sendefrequenz einschalten	Select Transmit Frequency
Empfangssignalpegel	Help Carrier Detect
Sendebereitschaft	Clear to Send
Sendedaten	Transmit Data
Empfangsdaten	Receive Data
Sendeteil einschalten	Request to Send
Sendeschritttakt	Transmitter Signal Element Timing
Empfangsschritttakt	Receiver Signal Element Timing
Nicht genormt
Leitung anschalten Endgerät betriebsbereit	Connect Data Set to Line Data Terminal Ready
Empfangsqualität	Data Signal Quality
Ankommender Ruf	Ring Indicator
Übertragungsge- schwindigkeit wählen	Data Signalling Rate Selector
Sendeschritttakt	Transmitter Signal Element Timing
Nicht genormt

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:

Leitungs-

anschaltung

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.