Hard- und SoftwareKomponenten

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1 Hard- und SoftwareKomponenten Schnittstellen Dr. Bernd Ebel

2 Schnittstell en Beispiel für externe Schnittstellen

3 Schnittstellen Für den Anschluß eines externen Gerätes ist eine definierte Schnittstelle erforderlich Eine Schnittstelle definiert die Festlegung für die physikalischen Eigenschaften der Schnittstellenleitungen. Die Spezifikation einer Schnittstelle enthält Informationen über Übertragungsgeschwindigkeiten, Übertragungsverfahren, zu den Schnittstellenleitungen, dem Stecker, der Buchse oder Steckerleiste und deren Belegung Sinn und Zweck einer Spezifikation oder einer Normierung ist, daß unterschiedliche Geräte unterschiedlicher Hersteller miteinander verbunden werden können. Ein Computersystem hat interne Schnittstellen, die sich im Computergehäuse befinden und externe Schnittstellen, die aus dem Computergehäuse herausgeführt sind.

4 Seriele Schnittstellen Fast jeder Computer ist mit ein oder zwei seriellen Schnittstellen ausgestattet An jeder Schnittstelle kann nur ein Endgerät angeschlossen werden. Die serielle Schnittstelle ist 9- in älteren Systemen 25polig. Sie wird auch RS-232(C) oder V.24-Schnittstelle genannt Engl. Bezeichnung, COM-Port, ist abgeleitet von Communication Mit COM1, COM2, COM3, usw. wird einer physischen existierenden Schnittstelle eine logische Bezeichnung durch das BIOS und das Betriebssystem zugeteilt Unter dieser Bezeichnung können alle Anwendungen auf diese Schnittstelle zugreifen

5 Serielle Schnittstellen Obwohl die COM-Schnittstelle langsam am Aussterben ist, wird sie häufig als Software-Simulation eingesetzt. z. B. um USB-Geräte in einen Computer einzubinden und für Anwendungen nutzbar zu machen. Klassische Endgeräte, sind die Maus und das Modem. Sehr viele technische Einrichungen haben eine serielle Schnittstelle, an der sich ein Computer oder auch Notebook anschließen läßt, um die Einrichtung zu steuern oder zu konfigurieren.

6 Seriele Schnittstellen

7 Serielle Schnittstellen Normen Eigenschaften CCITT Funktion V.24 ISO Elektr. Eigenschaften V.28 Mechan. Eigenschaften DIN Bl.1

8 Elektrische Eigenschaften Signalpegel 1/H 0/L Datenleitung V V Steuer- und Meldeleitungen V V Die Signalspannung ist auf allen Leitungen bipolar und darf nicht zwischen V liegen. Der maximale Spannungsbereich liegt zwischen V. Die nutzbare Kabellänge zwischen der Schnittstelle und dem Endgerät ist abhängig von der Signalstärke und Übertragungsgeschwindigkeit Je schneller die Übertragung, desto kürzer und hochwertiger sollte das Kabel sein. Sind die Voraussetzungen optimal läßt sich eine Kabelstrecke von 30 Metern überbrücken. Allerdings nur mit einer sehr geringen Geschwindigkeit. Für reale Anwendungen sollten 6 bis 8 Meter nicht überschritten werden.

9 Serielle Schnittstelle

10 Signale und Datenübertragung

11 Funktionsweise Datenbits sind auf dem Datenbus parallel vorhanden sie überträgt die Datenbits aber nacheinander Deshalb ist eine Parallel-SeriellWandlung notwendig. Das Datenwort wird aus dem Speicher in den Schnittstellenspeicher geschrieben. Dann wird das Datenwort aufgeteilt und die Datenbits einzeln übertragen. Ist das ganze Datenwort übertragen worden, wird ein weiteres Datenwort aus dem Speicher geholt Beim Empfangen der Daten wird das Datenwort wieder zusammengesetzt und in den Speicher geschrieben.

12 Funktionsweise Damit der Empfänger die Daten wieder richtig zusammensetzt, müssen Sender und Empfänger zeitgleich Senden bzw. Empfangen. Um das zu gewährleisten, werden zwei Verfahren zur Aufrechterhaltung der Synchronisation angewendet. Die synchrone und asynchrone Übertragung.

13 Schnittstellenbausteine Der digitale Schnittstellenbaustein wird UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) genannt. Der herkömmliche UART trägt die Nummer 8250 mit maximal Bit/s Übertragungsrate. Sein Nachfolge kann bereits Bit/s übertragen. Dieser Baustein ist vor allem für moderne Modems wichtig, da erst dadurch schnelle Datenübertragungsraten über das analoge Telefonnetz ermöglicht werden Der UART funktioniert genauso wie der UART Zusätzlich ist er mit 2 x 16 Byte Pufferspeicher ausgestattet, die nach dem FIFO-Prinzip (First In First Out), einer Datenpuffertechnik, arbeiten.

14 Schnittstellenbausteine

15 Hardware-Handshake (Modem) Die serielle Schnittstelle überträgt die Daten Bit für Bit nacheinander. Obwohl für die bitweise Übertragung nur zwei Leitungen notwendig wären, sind es mehr. Die zusätzlichen Leitungen werden zur Steuerung der Übertragung zwischen Computer und dem Endgerät genutzt. Üblicherweise wird die serielle Schnittstelle für den Anschluß eines Modems verwendet.

16 1. DTR -> Ist das Modem eingeschaltet? 2. DSR <- Modem eingeschaltet! 3. DCD <- Modem empfängt Trägersignal der Gegenstelle. 4. RTS -> Ist das Modem bereit Daten zu Senden? 5. CTS <- Modem ist bereit Daten zu Senden!

17 Logik des Handshakes

18 Software-Handshake XON/XOFF-Protokoll: Datenanforderung der Empfangsstation durch XON-Code (ASCII 17) -> Empfangsbereitschaft Datenübertragung wird gestoppt durch XOFFCode (ASCII 19) -> Unterbrechung bis zum nächsten XON-Zeichen -> 3 Leitungen notwendig (TxD, RxD, SG)

19 Software-Handshake ETX/ACK-Protokoll: Empfänger bereit: Steuerleitung DTR auf HighPegel Empfänger sendet ACK (ASCII 6) Sender übermittelt Daten Sender sendet ETX (ASCII 3) (- nächster Block wieder durch ACK ) -> Übertragung von Datenpaketen bestimmter Länge (abh. von Puffergröße auf Empfangsseite) -> eine Leitung (DTR DSR) mehr

20 RS 232C vs. V.10/V.11

21 Null-Modem

22 TTY-seriell

23 Seriell: V.10/V.11, RS-449

24 V.10 vs. V.11

25 Parallelschnittstelle

26 Parallelschnittstelle In den Anfangszeiten des Computers hat jeder Hersteller für sein Endgerät eine eigene Schnittstelle entwickelt. So z. B. auch der Drucker-Hersteller Centronics. Er hat eine der ersten parallelen Schnittstellen für Drucker eingeführt. Durch die Möglichkeit der bidirektionalen Übertragung können an der Centronics-Schnittstelle auch CD-ROMs, Festplatten und Streamer betrieben werden. Die parallele Schnittstelle kann gleichzeitig 8 Bit übertragen, wobei jedes Bit eine eigene Leitung hat. Zusätzlich gibt es Steuerleitungen, die für den Betrieb eines Druckers gedacht sind. Jede Daten- und Steuerleitung ist mit einer Masseleitung verdrillt. So kommt man auf der Druckerseite auf einen 36poligen Amphenol-Stecker, der sich am Drucker mit Klammern befestigen läßt.

27 Pin-Belegung

28 Parallelschnittstelle Auf der Seite des Computers wird ein 25poliger Sub-D-Stecker (siehe Bild linker Stecker) verwendet. Die Centronics-Schnittstelle arbeitet mit TTL-Pegeln (+5V und 0V) auf den Signalleitungen. Die Länge der Leitung zwischen Computer und Drucker sollte nicht mehr als 2 bis 3 m betragen. Je hochwertiger das Kabel, desto länger darf es sein. 5 m ist jedoch die Obergrenze für eine fehlerfreie Datenübertragung. Die englische Bezeichnung für die Centronics-Schnittstelle ist LPT. Diese Bezeichnung ist aus der Zeit abgeleitet, wo Nadeldrucker den Text zeilenweise ausgegeben haben.

29 Parallelschittstele Obwohl die Centronics-Schnittstelle keiner offiziellen Normierung unterlag, hat sie sich zum Industrie-Standard entwickelt. Einige Jahre später hat sich aus dem Urstandard der herstellerübergreifende Standard EPP (Enhanced Parallel Port) entwickelt Der EPP nutzt die selben physikalischen Eigenschaften der Centronics-Schnittstelle. Deutlich gesteigert wurde die Übertragungsrate. Etwas später wurde mit dem Standard ECP (Enhanced Capabilities Port) die Transferleistung erneut erhöht, was sich in der Praxis kaum bemerkbar machte. Nachteilig war die Notwendigkeit eines DMA-Kanals, der für andere Zwecke nicht benutzt werden konnte.

30 Schnittstellenstandards

31 Schnittstellenstandards

32 Pin-Belegung

33 Handshake

34 PC-Kopplung, parallel

35 Programme für Parallelkopplung LapLink FastLynx Norton Commander

36 Universal Serial Bus (USB) Den heutigen universellen seriellen Bus (USB 1.0) entwickelte Intel, die Mark einführung erfolgte Der Bus war zum Anschluss von Geräten an den PC konstruiert. Er sollte die Nachfolge für eine ganze Reihe von damals verwend PC-Schnittstellen antreten und diese vereinheitlichen. Deshalb war die USB-Spezifikation nicht auf Tastatur und Maus begrenzt, sondern schloss auc andere Peripheriegeräte wie Drucker und Scanner mit ein. Der erste Standard, USB 1.0, sah eine Bitrate von maximal 12 MBit/s (1,5 MB vor. Massenspeicher wie etwa Festplatten wurden zu Beginn nicht als ein wesentlicher Anwendungsfall von USB gesehen, grundsätzlich aber unterstüt Ab Ende 1998 folgte die überarbeitete Spezifikation USB 1.1, die in erster Lin Fehler und Unklarheiten in der 1.0 Spezifikation behob und den Interrupt Out Transfer hinzufügte. Im Jahr 2000 folgte die Spezifikation für USB 2.0, die vor allem die Datenrate auf bis zu 480 MBit/s (60 MByte/s) erweiterte.

37 USB - Überblick USB ist ein bitserieller Bus, die einzelnen Bits des Datenpaketes werden also nacheinander übertragen. Die Datenübertragung erfolgt differentiell über zwei verdrillte Leitungen, eine überträgt das Datensignal unverändert und die andere das invertierte Signal. Der Signalempfänger bildet die Differenzspannung beider Signale; der Spannungshub zwischen 1- und 0-Pegeln ist dadurch doppelt so groß. Dies erhöht die Übertragungssicherheit, unterdrückt Gleichtaktstörungen und verbessert nebenbei die elektromagnetische Verträglichkeit. Zwei weitere Leitungen dienen, falls nötig, zur Stromversorgung der angeschlossenen Geräte. Durch Verwendung von vier Adern in einem Kabel können diese dünner und preiswerter als bei parallelen Schnittstellen ausgeführt werden. Die Bus-Spezifikation sieht einen zentralen Host-Controller (dem sog. MASTER) vor, der die Koordination der angeschlossenen Peripherie-Geräte (den sog. Slave-Clients) übernimmt. Daran können bis zu 127 verschiedene Geräte angeschlossen werden. An einen USB-Port kann immer nur ein einzelnes USB-Gerät angeschlossen werden. Wenn an einen Host mehrere Geräte angeschlossen werden sollen, muss deshalb ein Verteiler (Hub) für die Kopplung dieser Geräte sorgen.

38 USB - Übersicht (2) Durch den Einsatz von Hubs entstehen Baumstrukturen, die alle im Host controller enden. Der USB ersetzt die älteren PC-Schnittstellen RS232 (seriell), Gameport, die Centronics-Schnittstelle sowie die PS/2-Schnittstelle für Tastatur und USB bietet deutlich höhere Datenübertragungsraten. USB überträgt seine Daten jedoch in Paketen, für manche zeitkritische Anwendungen ist er deshalb weniger geeignet etwa bei nur mit wenige Bytes belegten Paketen, die die Übertragungsrate senken, oder wenn da Sammeln von Bytes zum Füllen eines Pakets die Übertragung verzögern Trotz seines Namens Universal Serial Bus ist der USB kein physischer Datenbus. Die Bezeichnung Bus bezieht sich auf die logische Vernetzung, die tatsächliche elektrische Ausführung erfolgt nur mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.

39 USB - Steckertypen Typ A Typ B Typ Mini-B 5-polig (Standard) Typ Mini-B 4-polig (Mitsumi) Typ Mini-B 4-polig (Aiptek)

40 USB - Stecker USB-Standardstecker Typ A und B. und USB-Mini- Typ A und B Nicht maßstabsgetreu, mit Pinnummern, Draufsicht

41 USB - Kabel Ministecker Standardstecker Pin Name VCC DD+ GND Farbe Beschreibung Rot +5V Weiß DatenGrün Daten+ Schwarz Masse PIN Name 1 VCC 2 D3 D+ 4 ID 5 GND Farbe Rot Weiß Grün keine Beschreibung +5V DatenDaten+ identifiz. MiniA oder MiniB Schwarz Masse

42 USB - Controller Universal Host Controller Interface (UHCI) wurde im November 1995 von Intel spezifiziert. Die aktuelle Version des Dokuments trägt die Revisionsnummer 1.1, daher nennen sich auch alle gegenwärtigen USB-Geräte USB-1.1kompatibel. UHCI-Chips bieten Unterstützung für USB-Geräte mit 1,5 oder 12 MBit/s Bandbreite. Sie werden ausschließlich von den Herstellern Intel und VIA Technologies verbaut. Open Host Controller Interface (OHCI) ist eine Spezifikation, die gemeinsam von Compaq, Microsoft und National Semiconductor entwickelt wurde. Ein OHCIController hat prinzipiell die gleichen Fähigkeiten wie seine UHCI-Pendants, erledigt aber mehr Aufgaben in Hardware und ist dadurch marginal schneller als ein UHCI-Controller. Bei den USB-Controllern auf Hauptplatinen, die nicht von Intel oder VIA stammen, handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um OHCI.

43 USB - Übertragungsmodi Endpunkte USB-Geräte verfügen über eine Anzahl von durchnummerierten Endpunkten, gewiss maßen Unteradressen des Gerätes. Die Endpunkte sind in den Geräten hardwareseitig vorhanden und werden von der USB SIE (Serial Interface Engine) bedient. Über diese Endpunkte können voneinander unabhängige Datenströme laufen. Geräte mit mehreren getrennten Funktionen (z. B. Webcams, die Video und Audio übe gen) haben mehrere Endpunkte. Die Übertragungen von und zu den Endpunkten erfol meist unidirektional, für bidirektionale Übertragungen ist deshalb ein IN- und ein OUTEndpunkt erforderlich (IN und OUT beziehen sich jeweils auf die Sicht des Hostcontroll Eine Ausnahme davon sind Endpunkte, die den sogenannten Control Transfer Modus verwenden. In jedem USB-Gerät muss ein Endpunkt mit Adresse 0 vorhanden sein, über den die Erkennung und Konfiguration des Gerätes läuft, darüber hinaus kann er auch noch we Funktionen übernehmen. Endpunkt 0 verwendet immer den Control Transfer Modus. Ein USB-Gerät darf maximal 31 Endpunkte haben: den Control Endpunkt (der eigentlic zwei Endpunkte zusammenfasst) und je 15 In- und 15 Out-Endpunkte. Low-Speed-Geräte sind auf Endpunkt 0 plus maximal zwei weitere Endpunkte im Interrupt Transfer Modus mit maximal 8 Bytes pro Transfer beschränkt.

44 USB - Übertragungsmodi Isochroner Transfer Der isochrone Transfer ist für Daten geeignet, die eine garantierte Bandbreite benötig Diese Transferart steht für Full-Speed- und High-Speed-Geräte zur Verfügung. Definiert das Alternate Setting einen Endpunkt mit isochronem Transfer, so reserviert der Host-Controller-Treiber die erforderliche Bandbreite. Steht diese Bandbreite nicht Verfügung, so schlägt die Aktivierung des Alternate Settings fehl, und es kann mit die Gerät keine isochrone Kommunikation aufgebaut werden. Die erforderliche Bandbreite ergibt sich aus dem Produkt des Abfrageintervalls und de FIFO-Größe. Full-Speed-Geräte können jede ms bis zu 1023 Bytes je isochronem Endpunkt übertragen (1023 kbyte/s). High-Speed-Geräte können bis zu drei Übertragungen je Micro-Frame (125 µs) mit bis 1024 Bytes ausführen (24 MByte/s). Stehen in einem Gerät mehrere isochrone Endpunkte zur Verfügung, erhöht sich die Datenrate entsprechend. Die Übertragung ist mit einer Prüfnummer (CRC16) gesicher wird aber bei einem Übertragungsfehler durch die Hardware nicht wiederholt. Der Empfänger kann erkennen, ob die Daten korrekt übertragen wurden. Isochrone Übertragungen werden z. B. von der USB-Audio-Class benutzt die bei externen USB-Soundkarten Verwendung findet.

45 USB - Übertragungsmodi Interrupt-Transfer Interrupt-Transfers dienen zur Übertragung von kleinen Datenmengen, die zu nicht ge bestimmbaren Zeitpunkten verfügbar sind. Im Endpoint Descriptor teilt das Gerät mit, welchen maximalen Zeitabständen es nach neuen Daten gefragt werden möchte. Das kleinstmögliche Abfrageintervall beträgt bei Low-Speed 10 ms, bei Full-Speed 1 ms un High-Speed bis zu drei Abfragen in 125 µs. Bei Low-Speed können pro Abfrage bis zu 8 Byte, bei Full-Speed bis zu 64 Byte und be High-Speed bis zu 1024 Byte übertragen werden. Daraus ergeben sich maximale Datenraten von 800 Byte/s bei Low-Speed, 64 kbyte/s Full-Speed und bis zu 24 MByte/s bei High-Speed. Die Daten sind mit einer Prüfnummer (CRC16) gesichert und werden bei Übertragungs bis zu drei mal durch die Hardware wiederholt. Geräte der HID-Klasse (Human Interface Device, zum Beispiel Tastaturen, Mäuse und Joysticks, übertragen die Daten über den Interrupt Transfer.

46 USB - Übertragungsmodi

47 HDMI HDMI (High Definition Multimedia Interface) kann nahezu alle bisherige Stecker und Schnittstellen ersetzen Volldigital, damit keine Verluste durch Umwandlung analog <->digital Bidirektionale 19-polige Schnittstelle zum parallelen Übertragen von Audio und Video Kein Bus, wie USB sondern Punkt-zuPunkt-Verbindungen Unterstützt sämtliche HDTV-Modi und alle PC-Video-Auflösungen sowie digitalen Audio-Formate von Stereo bis 7:1 Raumklang und 1-Bit-Audio Datenraten bis 4,8 Gbit/s bei bis zu 15m Kabellänge

48 HDMI

49 HDMI Standards HDMI 1.0 HDMI 1.1 HDMI 1.2 Vorgestellt am Maximale Kabellänge 15 m 15 m 15 m u. Mehr Kopierschutz HDCP Ja Ja Ja 8-Bit-YUV/RGB-Video Ja Ja Ja 1-Bit-Audio (z.b. SACD) Nein Nein Ja 7:1-Surround-Sound Eingeschränkt J a Ja Steuerung mehrer Geräte J a Ja Ja PC-Video-Auflösungen Nein Eingeschränkt J a PC-Grafikkarten-Support Nein Nein Ja

50 HDMI-Anwendung

51 Aufgabe Erarbeite einen ergänzenden Vortrag zu USB. Folgende Fragen sind zu beantworten Entwicklung der Standards Belegung des USB-Steckers Geschwindigkeit des Busses Zusätzliche interessante Aspekte gefunden?

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