Computerschnittstellen und Bussysteme

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1 Klaus Dembowski Computerschnittstellen und Bussysteme für PC, Tablets, Smartphones und Embedded-Systeme 3., völlig neu bearbeitete Auflage VDE VERLAG GMBH Berlin Offenbach

2 Inhaltsverzeichnis Teil I: Grundlagen 1 Einführung und Überblick Systemübersicht Externe Schnittstellen Maus und Tastatur USB Ports Serial Port Parallel Port VGA Port LAN Port Audio IEEE 1394 Port esata Interne Bussysteme Von ISA zu PCI Accelerated Graphics Port PCI-Bus-Weiterentwicklungen Peripherie-Schnittstellen und -Bussysteme Von IDE zu PATA 14 Betriebsarten 15 Ultra DMA Small Computer System Interface 17 Standards 18 Konfiguration 19 Kenndaten 20 Differential SCSI 21 Low Voltage Differential 22

3 VIII Inhaltsverzeichnis 2 Zahlen, Zeichendarstellung und Codes Zahlendarstellung Binäre Zahlendarstellung und -berechnung Darstellung negativer Zahlen Gleitkommadarstellung IEEE-Formate Codes und Zeichensätze Numerische Codes im Überblick Der ASCII-Code Übertragungssteuerzeichen - Transmission Control Formatsteuerzeichen - Format Effector Gerätesteuerzeichen - Device Control Informationstrennzeichen - Information Separator Steuerzeichen für Codeerweiterungen Sonstige Steuerzeichen IBM-und ANSI-Zeichensatz UNICODE 40 3 Standards Organisationen IEEE-Standards, Das OSI-Schichtenmodell 47 4 Codierungsverfahren und Fehlerkontrolle Die Manchester-Codierung Die 4B/5B-Codierung Die 8B/10-Codierung Die MLT-3-Codierung PAM5- und Trellis-Codierung Fehlerkontroll- und Korrekturmechanismen Paritätsprüfung Cyclic Redundancy Check 59

4 Inhaltsverzeichnis JX 5 Logikschaltungen und Interface-Technik Logische Grundschaltungen Sequentielle Logik Logikfamilien im Überblick PC-Interfacetechnik Kommunikation mit dem Interface Programmierbare Logikschaltungen Programmable Logic Devices Decoder mit Programmable Array Logic Complex PLDs Field Programmable Gate Arrays Hardware Description Language und IP Cores 87 Teil II: Klassische Systeme 6 Parallele Schnittstellen Der Standard IEEE Grundsätzliche Kommunikation und Signalbedeutung Compatible Mode Nibble Mode Byte Mode EPP Mode ECP Mode Programmbeispiele GPIB-, IEEE-488-, IEC-625-Bussystem Standards Systemaufbau Leitungen und Signale Datenleitungen - Data Lines Übergabeleitungen - Handshake Lines Steuerleitungen - Management Lines Adressendarstellung 114

5 X Inhaltsverzeichnis Nachrichtenkonzept - Grundlegende Befehle und Adressen Universalbefehle Adressierte Befehle Höreradressen Sprecheradressen Sekundärbefehle Programmbeispiel mit Lab VIEW Serielle Schnittstellen Betriebsarten und Übertragungsparameter Synchrone und asynchrone Datenübertragung Paritätsprüfung Übertragungsgeschwindigkeit Schrittgeschwindigkeit Zeichengeschwindigkeit Betriebsarten Serielle Schnittstellen im Überblick Symmetrisch und asymmetrisch - Single Ended und Differential RS-232-Schnittstelle Signale und Betriebsarten Typische Verbindungen Serielle Schnittstelle der Personal Computer Die Standard-UARTs Receiver/Transmitter-Register Interrupt Enable-Register Interrupt Identification-Register FIFO Control-Register Line Control-Register Modem Control-Register Line Status-Register Modem Status-Register Stromschnittstelle RS-422-Schnittstelle RS-423-Schnittstelle RS-485-Schnittstelle 147

6 Inhaltsverzeichnis XI 7.7 Bauelemente für serielle Schnittstellen Serielle Controller Treiberbausteine für RS-232-Schnittstellen TTL-Differential-Konverter Infrarotschnittstelle Programmbeispiel Komponentenschnittstellen Inter Integrated Bus - I 2 C System Management Bus - SMB Access Bus Display Data Channel Konzept und -Kommunikation Bus-Arbitration Adressen und erweiterte Funktionen Programmbeispiel SPI und Microwire Bus-Kommunikation Microwire Programmbeispiel One-Wire Bus Kommunikation Identifizierung und Selektierung Systemaufbau Evaluierung und Programmierung 186

7 XII Inhaltsverzeichnis Teil III: Peripherie-Bussysteme 9 Universal Serial Bus Topologie Anschlüsse und Signale Kommunikation Geräteerkennung Pipes, Endpoints und Descriptors Adressen und Pakete Übertragungsmodi Interrupt Transfer Bulk Transfer Isochronous Transfer Control Transfer USBOn-The-Go Super Speed-USB Verbindungen Protokoll und Stromsparmechanismen Applikationen und Programmierung Einfache USB-Umsetzung mit FTDI-Chips USB-Kommunikation mit Android Arduino-Plattform als USB-Host Android-Programmierung Die Manifest-Datei USB-2.0-Applikationen mit Cypress-Controllern Erstellung der Software - Firmware EEPROM-Daten Hauptprogramm Deskriptortabelle und Settings Interrupt Service-Routinen Treiber und Applikationen 247

8 Inhaltsverzeichnis XIII 10 Serial ATA und Serial Attached SCSI Serial ATA esata Serial Attached SCSI - SAS Peripheral Component Interconnect Anschlüsse und Signale PCI-Bus-Grundlagen Register und Kommunikation Der Konfigurationsbereich - Configuration Space Vendor ID und Device ID Command Register Status Register Class Codes Weitere PCI-Bus-Register Device Space Versions-Erweiterungen Erweiterter Configuration Space Power Management PCI-X PCI Bus-Programmierung PCI-BIOS-Detektierung PCI-Einheit suchen PCI-Einheit nach Klassencode suchen Konfigurationsdaten lesen PCI Express Kommunikation Architektur Credit Based Flow Control Signale und Interfaces Implementierungen für Notebooks PCMCIA und CardBus ExpressCards Thunderbolt 308

9 XIV Inhaltsverzeichnis Teil IV: Netzwerke und Funksysteme 12 Local Area Networks Feldbussysteme Standardisierung Unterscheidungskriterien Ethernet als Feldbus Topologien und Zugriffsverfahren Sterntopologie und Arcnet Attached Ressources Computer Network Ringtopologie und Token-Passing-Verfahren Bustopologie und CSMA/CD-Verfahren Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Baumtopologie Das Ethernet Funktionsprinzip und Kenndaten Netzwerkkabel und Signale Verbindung für Gigabit-Ethernet Kabelaufbau und Spezifikationen 331 Dämpfung und Inhomogenitäten 332 Bandbreite 332 Übersprechen - Crosstalk 332 Schirmung Ethernet-Schichten Frame-Formate Wireless LANs Funktechnik Digitale Modulation Frequency Hopping Spread Spectrum Multiple Input Multiple Output Direct Sequence Spread Spectrum Orthogonal Frequency-Division Multiplex WLANs nach IEEE Wi-Fi Zugriffsverfahren - CSMA/CA WLAN-Topologien 354

10 Inhaltsverzeichnis XV Adhoc-WLAN Infrastructure-WLANs Android-Programmierung für den WLAN-Zugriff Bluetooth Piconetund Scatternet Standards - IEEE Leistungsklassen und Protocol Stack Betriebsmodi Paketaufbau Profiles Verbindungsaufbau und Sicherheitsmechanismen Android-Programmierung für die Bluetooth-Kommunikation Suchvorgang und Pairing Client-Verbindung Server-Verbindung Datenübertragung Bluetooth Low Energy Link Layer HCl Layer Host-Schichten Generic Attribute Profile Generic Access Profile Applikationen CC2540-Schaltung 382 Development Kit 386 Software und Programmierung 386 Stichwortverzeichnis 391