Die RS Schnittstelle

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1 Die RS Schnittstelle Referat in der Vorlesung Rechnerstrukturen C.Wehland ; A.Gerst

2 Inhalt Überblick serielle PC-Schnittstelle Übertragungsparameter Signale der seriellen Schnittstelle Register der seriellen Schnittstelle 2

3 Die serielle PC-Schnittstelle 3

4 Die serielle PC-Schnittstelle Jeder PC ist mit mindestens einer, normalerweise mit zwei seriellen Schnittstellen ausgestattet. Verwendung finden angeschlossene Maus, Modem, Drucker, usw. 4

5 Die serielle PC-Schnittstelle Die übliche amerikanische Bezeichung ist RS232-Schnittstelle (genauer RS232-C), während die europäische Norm die Schnittstelle als V24/V28 bezeichnet. 5

6 Die serielle PC-Schnittstelle Im Gegensatz zur parallelen Schnittstelle, die die Daten in 8-Bit-Breite vom PC zur Peripherie sendet und nur in einigen Fällen bidirektional betrieben werden kann, ist die serielle Schnittstelle grundsätzlich in beiden Richtungen zu betreiben. Die Daten werden nacheinander auf einer Leitung nach einem bestimmten Protokoll zwischen PC und Peripherie ausgetauscht. 6

7 Übertragungsparameter 7

8 Synchrone Übertragung Der Datenaustausch kann bei der RS232C- Schnittstelle in der synchronen oder in der asynchronen Betriebsart erfolgen. Beim synchronen Datenaustausch können der Sender und der Empänger mit unterschiedlichen Taktraten arbeiten, wobei über getrennte Leitungen signalisiert wird, wann die Datenbits gültig sind. 8

9 Asynchrone Übertragung PC-üblichen Betriebsart, der asynchronen, arbeiten Sender und Empfänger mit derselben Taktrate, und im Datenstrom sind zur Synchronisation ein Startbit, ein Stoppbit und eventuell ein Paritätsbit untergebracht. 9

10 Übertragungsparameter Startbit Stoppbit Anzahl der Datenbits Parität Baudrate Durch das Startbit wird der Datenanfang, durch das Stoppbit das Datenende gekennzeichnet. Die Anzahl der Datenbits beträgt in den meisten Fällen 7 oder 8 Bit. Übertragungsfehler können durch das Paritätsbit erkannt werden. 10

11 Parity Bit No Parity Es findet keine Paritätsprüfung statt. Even Parity (gerade Parität) Der Datensender zählt alle Bits, die den Wert 1 haben und setzt das Paritätsbit auf 1, wenn die Summe der Bits ungerade ist. Das Paritätsbit wird auf 0 gesetzt, wenn die Summe der Bits gerade ist. Der Empfänger addiert die Anzahl der gesetzten Datenbits mit dem Paritätsbit. Die Summe ist immer gerade. Ist die Summe ungerade, liegt ein Übertragungsfehler vor. Odd Parity (ungerade Parität) Das Verfahren entspricht dem der geraden Paritätsprüfung, lediglich die Summe aus den gesetzten Datenbits und dem Paritätsbit ist immer ungerade. 11

12 Das Paritätsbit (parity bit) Ein Beispiel für eine Übertragung mit 8e1 Bitstream: Paritybit muss eine 1 sein Bitstream: Paritybit muss eine 0 sein Analoges gilt für " ungerade " Parität. 12

13 Baudrate Die Übertragungsgeschwindigkeit wird in BAUD (Zustände pro Sekunde / bps) angegeben. Typische Werte für die Baudrate sind:

14 Übertragungsbedingung Sollen zwei Geräte miteinander über die RS232-Schnittstelle kommunizieren so muss das Übertragungsformat bei beiden Geräten gleich eingestellt sein. 14

15 Übertragungssicherheit Die Kabellänge, der Pegel und die Übertragungsgeschwindigkeit bestimmen die Übertragungssicherheit. Ist die Übertragung nicht störungsfrei, sollte zuerst die Übertragungsgeschwindigkeit reduziert werden. 15

16 Signale der seriellen Schnittstelle 16

17 Signale der seriellen Schnittstelle Signalübermittlung Pinbelegung 17

18 Pegel Die Norm-Pegel der seriellen Schnittstelle entsprechen nicht dem TTL-Pegel wie bei der parallelen Schnittstelle, sondern hier entspricht eine logische Eins einem Spannungswert von 3V bis 15V und eine logische Null einem Wert von +3V bis +15V (Der Bereich von Volt ist nicht eindeutig definiert). In der Praxis sind die Pegel jedoch meist geringer und betragen höchstens +/- 12V, weil das Netzteil des PCs keiner höhere Spannung zur Verfügung stellt. Durch die Verwendung der relativ hohen Spannungswerte kann die Kabellänge 30m und mehr betragen, und Störungen sind nicht so kritisch. 18

19 Das Senden von Daten Das Format eines seriellen Bitstromes (7o1) Hier wird das Zeichen: übertragen LSB: Bit mit der niedrigsten Wertigkeit; MSB: Bit mit der höchsten Wertigkeit 19

20 Das Empfangen von Daten Die Abtastungsrate beim Empfangen Der Empfänger tastet das Signal auf der Leitung mit hohem Abtast-Takt ab, bis ein Startbit entdeckt wird. Anschließend wird die Takteinstellung auf den ankommenden Bitstrom eingestellt. Sobald die vorgewählte Anzahl Bit angekommen ist, wird wieder auf die hohe Taktrate umgestellt. 20

21 Pinbelegung (EIA RS232-C) Die RS232-Norm benutzt die V.24 Vereinbarungen und gibt genauere Spezifikationen über den Stecker und deren Pinbelegung: 25 pin Stecker 9 pin Stecker PIN No. DESCRIPTION 13 Secondary CTS PIN No. DESCRIPTION 1 Protective Ground 14 Secondary TD 1 Carrier Detect 2 Transmit Data 15 Transmitter Signal Element Timing 2 Receive Data 3 Receive Data 16 Secondary RD 3 Transmit Data 4 Request To Send 17 Receiver Signal Timing Element 4 Data Terminal Ready 5 Clear To Send 18 Unassigned 5 Signal Ground 6 Data Set Ready 19 Secondary RTS 6 Data Set Ready 7 Signal Ground 20 Data Terminal Ready 7 Request To Send 8 Receive Line Signal Detect/Carrier Detect 21 Signal Quality Detector 8 Clear To Send 9 Reserved 22 Ring Indicator 9 Ring Indicator 10 Reserved 23 Data Signal Rate Selector 11 Unassigned 24 Transmit Signal Element Timing 12 Secondary RLSD 25 Unassigned 21

22 Verbindungsstecker In einem PC wird entweder ein 9-poliger oder ein 25- poliger Verbindungsstecker eingesetzt. Im Original-PC wurde die 25polige Verbindung verwendet, während mit den ATs die 9polige eingeführt wurde. Heute sind beide Verbindungen üblich, und um Verwechslungen mit der ebenfalls 25poligen parallelen Schnittstelle zu vermeiden, sind die seriellen Verbindungen am PC als Steckkontakte (male) ausgeführt. Um die Verbindung zwischen Geräten mit unterschiedlichen Steckverbindungen herstellen zu können, sind zahlreiche Adapter verfügbar. 22

23 Adapter 23

24 Pinbelegung 9-polig Im einfachsten Fall besteht eine RS232-Verbindung lediglich aus 3 Leitungen: RXD, Empfangsleitung TXD, Sendeleitung GND, Masseleitung 24

25 Anschlussarten 25

26 Anschlussarten Wie die RXD- und TXD-Leitung des PCs mit der Peripherie verbunden wird, hängt von dem anzuschliessenden Gerät ab. Häufig verwendete Verbindungen, die sich alle auf die 25polige Verbindung beziehen, sind im Bild zuvor angegeben. 26

27 Anschlussarten 27 Einige Leitungen (RXD, TXD) sind dabei Über Kreuz angeschlossen. Die Sendeleitung des PCs ist die Empfangsleitung der Peripherie und umgekehrt. Diese Verbindungsart, die als Nullmodem bezeichnet wird, findet Verwendung wenn Daten zwischen zwei PCs ausgetauscht werden oder ein Drucker oder ein Plotter angeschlossen werden sollen.

28 Anschlussarten Beim Anschluss von Peripherie an die serielle PC- Schnittstelle kann es auch vorkommen, dass die Leitungen eben nicht gekreuzt werden. Dies ist bei Modems der Fall, von denen sowohl Daten empfangen als auch gesendet werden können. Die Daten werden aber nicht in dem Modem verarbeitet, sondern nur zum PC weitergegeben. Das Modem fungiert als Datenübertragungseinrichtung (DÜE) und der PC als Datenendeinrichtung (DEE). Für die Verbindung von zwei Datenendeinrichtungen werden immer gekreuzte Leitungen verwendet. 28

29 Handshaking (Hardware) Die Übertragungssicherheit wird grösser, wenn man zwischen den Geräten ein Handshaking durchführt. Dann werden nicht nur die Datenleitungen miteinander verbunden sondern auch die Leitungen RTS und CTS. Mit CLEAR TO SEND (CTS) meldet die Peripherie, dass diese Daten zur Verfügung hat. Ist der Empfänger bereit, diese Daten zu übernehmen, teilt er dies mit der Leitung REQUEST TO SEND (RTS) mit. 29

30 Handshaking (Hardware) Eine weitere Verbesserung der Übertragungssicherheit ergibt sich durch die Verwendung der Leitungen DATA TERMINAL READY (DTR) und DATA SET READY (DSR). Über diese Leitungen wird dem Empfänger die Betriebsbereitschaft des Senders mitgeteilt. DTR kann dabei als BUSY-Signal des Empfängers verstanden werden. 30

31 Handshaking (Software) Falls eine Software die Unterstützung der Handshakeund der Betriebsbereitschaftsleitungen erfordert, die Peripherie diese jedoch nicht zur Verfügung stellt, ist eine Verbindung wie in Bild D üblich. Es werden dann lediglich die Datenleitungen verwendet, während die anderen Signalleitungen gebrückt werden, um dem Sender das Vorhandensein der anderen Signale vorzutäuschen. 31

32 Anschlussarten Verbindung, die häufig beim Anschluss von Plottern an einen PC verwendet wird (Bild E). Der Handshakeleitung CTS und der Bereitschaftsleitung DSR des PCs werden mit der Leitung DTR der Peripherie die Bereitschaft zur Datenaufnahme mitgeteilt. Über die Leitung DATA CARRIER DETECT (DCD) teilt die Peripherie dem PC mit, dass sich der Signal-Pegel innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs befindet. 32

33 Register der seriellen Schnittstelle 33

34 Register der seriellen Schnittstelle Das BIOS des PCs unterstützt bis zu vier serielle Schnittstellen, denen teilweise noch über Jumper oder DIP-Schalter die Basisadresse und ein Interruptkanal (IRQ3, IRQ4) zugewiesen werden können (meistens fest vorkonfiguriert). 34

35 Datenumsetzung (UARTs) In einem PC wird für die serielle Schnittstelle seltenst noch der Baustein 8250 verwendet, standardmässig aber sein verbesserter Nachfolger, der Der 8250 kann mit einer maximalen Übertragungrate von Baud, der mit Baud arbeiten. 35

36 Was ist ein UART UART (Universal Asynchronous Receiver- Transmitter) Ein universeller asynchroner Empfänger und Sender 36

37 UART Die von der CPU gesendeten parallelen Daten werden vom UART in serielle umgesetzt und die empfangenen Daten in parallele. An XTAL1 und XTAL2 wird ein Quarz angeschlossen. Aus der Frequenz wird die Einstellung der Baudrate abgeleitet. Die Leitung SIN (Serial In) entspricht der RXD-Leitung, die Leitung SOUT (Serial Out) der TXD-Leitung. Alle Leitungen, die auf die Anschlussbuchse gelangen (siehe Tabelle Pinbelegung 9-polig), werden über Treiberbausteine (1488, 1489) vom TTL-Pegel auf den Pegel der RS232- Schnittstelle umgesetzt. 37

38 Der UART 38 Der schematische Aufbau eines UART 16550

39 UART Ausgehend von der Basisadresse unter der sich das jeweilige Empfangsregister befindet, sind noch weitere Register für die seriellen Schnittstellen notwendig, welche in der Tabelle für COM1 angegeben sind. Der hat ein zusätzliches Register (Scratch-Pad- / FIFO- Register), welches als Datenzwischenspeicher dient, jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Funktion des UARTs hat. 39

40 UART Register 40

41 UART Im Empfangsregister werden die empfangenen Daten gespeichert und im Senderegister die zu sendenden Daten. Das Senderegister dient ausserdem als Register für das untere Byte der Baudrate (LSB). Das Bit 7 im Leitungs-Steuerregister muss High sein, wenn die Baudrate eingeschrieben werden soll. Das MSB der Baudrate, ebenfalls mit Bit7=1 im Leitungssteuerregister, in die Adresse 3F9h geschrieben. Falls dieses Bit nicht gesetzt ist, ist der Zugriff auf das Sende- und das Interrupt-Aktivierungs-Register gegeben. 41

42 Die RS Schnittstelle Referat in der Vorlesung Rechnerstrukturen C.Wehland ; A.Gerst

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