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Schnittstellen in der Nachrichtentechnik

Diplomarbeit 2001 51 Seiten

Technik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

2. Grundlagen der Datenübertragung
2.1 Betriebsarten der Datenübertragung
2.1.1 Simplex-Betrieb
2.1.2 Halb-Duplex-Betrieb
2.1.3 Voll-Duplex-Betrieb
2.2 Parallele und serielle Datenübertragung
2.2.1 Parallele Datenübertragung
2.2.2 Serielle Datenübertragung
2.3 Datenformate der seriellen Übertragung
2.3.1 Asynchrones Datenformat
2.3.2 Synchrones Datenformat
2.3.3 Übertragungsparameter
2.4 Steuerung der Datenübertragung
2.4.1 Steuerzeichen
2.4.1.1 Übertragungssteuerzeichen
2.4.1.2 Formatsteuerzeichen
2.4.1.3 Gerätesteuerzeichen
2.4.1.4 Codeerweiterungszeichen
2.4.1.5 Sonstige Steuerzeichen
2.4.2 Handshakeverfahren
2.4.2.1 Softwarehandshake
2.4.2.2 Hardwarehandshake
2.4.3 First In-First-Out (FIFO) Serielle Schnittstellen

3. V.- und X.- Schnittstellen
3.1 V.- Schnittstellen
3.1.1 Funktionen der Schnittstellenleitungen
3.1.2 V.21-Schnittstelle
3.1.3 V.23-Schnittstelle
3.1.4 RS-232 C ("V.24")-Schnittstelle
3.1.5 Übertragungsbeispiel
3.2 X.- Schnittstellen
3.2.1 Schnittstellenleitungen und ihre Funktionen
3.3 Überblick weiterer Schnittstellen
3.3.1 RS-422 A ("V.11")
3.3.2 RS-423 A ("V.10")
3.3.3 RS-485
3.3.4 RS-449
3.4 Stromschnittstelle
3.4.1 Gerätearten der Stromschnittstelle Parallele Schnittstellen

4. Centronics-Schnittstelle
4.1 IEEE–1248–Schnittstelle
4.2 PCMCIA–Schnittstelle

Quellenverzeichnis

1. Allgemeines

Unter einer Schnittstelle im allgemeinsten Fall versteht man die Verbindung zwischen verschiedenen Funktionsgruppen, die untereinander Daten austauschen. Das können verschiedene Programme, verschiedene Wahlstufen in der Fernmeldetechnik, verschiedene Teile einer Hardware oder aber auch Hard-, und Software sein.

Die bekanntesten Softwareschnittstellen werden durch die Betriebssysteme bestimmt. Hier gibt es in der Regel eine maschinennahe (BIOS) und eine maschinenferne Schnittstelle (das Betriebssystem selbst). Die BIOS selbst enthält dabei die Schnittstelle zwischen Hard- und Software.

In der Fernwahltechnik stellen die Leitungen zwischen den einzelnen Wahlstufen die Schnittstellen dar. Hier wäre die C-Ader zu erwähnen, die die Belegungsfähigkeit signalisiert, und die A-Ader, auf der die Wahlsignale durch Erdimpulse weitergeschaltet werden.

Als Schnittstelle zwischen verschiedenen Teilen einer Hardware kann man einerseits den Bus des Computers selbst ansehen, andererseits kommuniziert der Computer über Hardwareschnittstellen mit externen Geräten (Drucker, Plotter, Modems). Es besteht aber auch die Möglichkeit einer Kommunikation zwischen verschiedenen Computern. Die eigentliche Fernleitung wird hierbei meistens über standardisierte Leitungen durchgeführt (Fernsprechleitungen, IDN-, und ISDN-Netze). Hierbei wird eine Schnittstelle zwischen dem Computer und der Übertragungseinrichtung (häufig ein Modem) benötigt. Für diese beiden grundsätzlich verschiedenen

Schnittstellen sind von der CCITT Normempfehlungen herausgegeben worden, die später noch genauer besprochen werden.

2. Grundlagen der Datenübertragung:

Eine korrekte Datenübertragung setzt bei den beteiligten Geräten genau festgelegte Bedingungen voraus, etwa hinsichtlich der Sprache, in der ein Datenaustausch stattfinden soll, der Übertragungsrichtung und der Art der Übertragung. Außerdem ist es sinnvoll, wenn die beteiligten Geräte Informationen über den korrekten Ablauf der Übertragung austauschen können. Erst wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, wird ein korrekter Datenaustausch über die entsprechende Schnittstelle möglich.

Grundlage jeder Kommunikation zwischen zwei an einem Datenaustausch beteiligten Geräten ist eine gemeinsame Sprache, die im Bereich der Computertechnik aus der digitalen Codierung von Buchstaben und Zahlen besteht. Als Beispiel sei hier der ASCII-Code genannt. Es handelt sich dabei um einen 7-Bit-Code, der hauptsächlich im Mikrocomputerbereich Verwendung findet. In diesem Code werden alle Buchstaben, Zahlen, Steuerzeichen usw. in Form von binären Zahlen ausgedrückt, mit denen der Computer arbeiten kann. Allgemein sind in der Datenübertragung 5 bis 8 Bit-Codes vertreten.

In der Datenfernübertragung sind an der Datenübertragung insgesamt 4 Geräte beteiligt: 2 Datenendeinrichtungen (DEE oder Data Terminal Equipment DTE, eine Datensenke), die Informationen senden oder empfangen sowie 2 Datenübertragungseinrichtungen (DÜE oder Data Communication Equipment DCE, meistens ein Modem), die nur der Umformung der Daten in eine Form dienen, mit der Fernübertragung analog möglich ist. Die Datenübertragungseinrichtungen sind in der Regel Modems (Mo dulator – Dem odulator). Datenendeinrichtungen können entweder Computer oder auch Terminals sein.

2.1 Betriebsarten der Datenübertragung

2.1.1 Simplex-Betrieb

In dieser Betriebsart werden die Daten nur in einer Richtung übertragen, d.h. es erfolgt die Datenübermittlung von einem sendenden zu einem empfangenden Gerät (z.B. Computer -> Drucker), aber kein Datenaustausch.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.1 Datentransfer im Simplex-Betrieb

2.1.2 Halb-Duplex-Betrieb

In dieser Betriebsart können beide Geräte miteinander Daten austauschen. Beide Geräte können damit die Funktion eines Senders oder eines Empfängers übernehmen. Die Übertragung erfolgt jedoch hier noch nicht gleichzeitig, d.h. sendet ein Gerät, kann das andere nur empfangen. Es findet hier ein sogenannter Wechselverkehr mit Umschalten der Datenrichtung statt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.2 Datentransfer im Halb-Duplex-Betrieb

2.1.3 Voll-Duplex-Betrieb

Hierbei können, wie bereits beim Halb-Duplex-Betrieb Daten zwischen 2 Geräten ausgetauscht werden. Im Gegensatz zum Halb-Duplex-Betrieb können hierbei aber beide Geräte gleichzeitig die Funktion des Senders und des Empfängers übernehmen. Aus diesem Grund sind hierbei auch 2 Datenkanäle erforderlich, von denen jeder im Simplex-Betrieb arbeitet. Im Vergleich mit Simplex und Halb-Duplex wird hierbei eine schnellere Datenübertragung durch den höheren Leitungsaufwand erreicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.3 Datentransfer im Voll-Duplex-Betrieb

2.2 Parallele und serielle Datenübertragung

Neben den bereits genannten Betriebsarten, die Aussagen über die Möglichkeiten zum Informationssaustausch beinhalten, gibt es noch weitere Möglichkeiten eine Datenübertragung zu charakterisieren.

Eine davon ist die Art der Übertragung der einzelnen Datenbytes, nämlich ob diese bitweise (=seriell) oder byteweise (=parallel) übertragen werden.

2.2.1 Parallele Datenübertragung

Wie bereits gesagt werden hierbei die einzelnen Datenbytes auch als Bytes gleichzeitig übertragen. Anders ausgedrückt handelt es sich um eine bitparallele Übertragung von Daten. Diese Formulierung ist vor allem deshalb besser, da ein Datenpaket ja nicht unbedingt auf 8 Bit (=1Byte) beschränkt sein muss.

Für eine parallele Datenübertragung ist es notwendig, für jedes gleichzeitig zu übertragende Bit eine "Informationsebene" (einzelne Leitung eines Kabels oder aber auch eine Frequenz in einem Mehrfrequenzsystem) zu haben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.4 Beispiel. einer paralleler Datenübertragung

2.2.2 Serielle Datenübertragung

Hierunter wird im allgemeinen eine Datenübertragung verstanden, bei der bitseriell übertragen wird; d.h. die einzelnen Bits eines Datenpakets werden nacheinander über eine Leitung gesendet.

Wenn aber größere Dateneinheiten gesendet werden, ist es durchaus auch möglich bei einer Übertragung mit 8 Bit parallel noch von einer seriellen Übertragung (in diesem Fall byteserielle Übertragung) zu sprechen, da das Datenpaket gesamt betrachtet in Teilstücken hintereinander, also seriell, übertragen wurde. Diese Betrachtungsweise ist zum Beispiel beim IC-Bus üblich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.5 Beispiel. einer seriellen Datenübertragung

2.3 Datenformate der seriellen Übertragung

Außer den bisher besprochenen Grundlagen für eine Datenübertragung ist es auch nötig, dass das empfangende Gerät den Beginn einer Übertragung feststellen kann. Hier gibt es zwei Methoden, die bei der seriellen Übertragung angewendet werden. Es handelt sich dabei um Synchronisationsverfahren, die für eine zeitliche Übereinstimmung von Sender und Empfänger sorgen.

2.3.1 Asynchrones Datenformat

Hierbei wird bei der Übertragung kein Takt mitübertragen, weshalb die Synchronisation im Zeichen selbst enthalten sein muss. Hierzu werden in der Regel Start- und Stoppbits verwendet, bei denen sich der Empfänger auf die Flanken synchronisieren kann.

Die Übertragung sieht hierbei so aus, dass während einer Sendepause ein Signalpegel entsprechend dem gewählten Stopbitpegel gesendet wird. Vor der Übertragung des eigentlichen Datums wird dann das Startbit gesendet, welches komplementär zum Stopbit sein muss. Auf die dadurch entstehende Flanke synchronisiert sich der Empfänger. Dann wird das eigentliche Datenwort gesendet, und anschließend an das Datenwort wieder Stopbitpegel. Hier unterscheidet man Datenformate mit 1, 1.5 oder 2 Stopbits. Diese Angabe steht für die Mindeststopbitlänge zwischen dem Ende der Übertragung des Datenpakets und dem Pegelwechsel zum Startbit. Diese Mindestlänge kann jedoch überschritten werden. Legen wir 7 Nutzbits und bei je einem Start-, Paritäts- und Stop-Bit drei Bit

Steuerinformation zugrunde, so ergibt sich eine Informationstransferrate von 7/10 der Baudrate (siehe Übertragungsparameter).

Das Paritätsbit hat die Aufgabe, die Sicherheit der Datenübertragung zu erhöhen. Man unterscheidet zw. Gerader (even) und ungerader (odd) Parität (parity). Bei gerader Parität prüft der Sender, ob die Anzahl der Einsen im Datenwort gerade ist. Das Paritätsbit wird dann so gesetzt, dass die Anzahl der Einsen – einschließlich des Paritätsbits gerade wird. Der Empfänger prüft dann, ob das von ihm berechnete Paritätsbit mit dem übertragenen übereinstimmt. Für ungerade Parität wird das Paritätsbit entsprechend so gesetzt, dass die Anzahl der Einsen ungerade ist, wieder einschließlich Paritätsbit. Einzeln auftretende Fehler, sogenannte Einzelfehler, können mit dieser Methode erkannt werden.

Bei einer asynchronen Datenübertragung ist es außerdem nötig, dass sowohl Sender als auch Empfänger auf die exakt gleiche Baud-Rate eingestellt sind, da Abweichungen zu einer Phasenverschiebung des Sender- und des Empfängertaktes führen, und bei einer Verschiebung um mehr als eine halbe Periodendauer während des Empfanges eines Zeichens keine fehlerfreie Datenübertragung mehr möglich ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.6 Asynchrones Datenformat

2.3.2 Synchrones Datenformat

Hierbei werden mehrere Daten zu einem Block zusammengefasst. Vor Beginn des Blockes wird ein Synchronisationsbyte gesendet und nach der Übermittlung des gesamten Blockes ein Endezeichen. Innerhalb des Blockes werden die Datenbytes ohne weitere Kennzeichnung übertragen. Damit hierbei das Zeitraster sowohl im Sender als auch im Empfänger eingehalten werden kann, wird hier parallel zu den Daten ein Taktsignal gesendet.

2.3.3 Übertragungsparameter

Die Übertragungsrate wird in Baud angegeben. Sie entspricht bei dualer Codierung

Schritte/s = Bits/s bps (bit per second) = 1 Baud

Genormt sind unter anderem die Baudraten 300, 600, 2400, 4800, 9600, und 19200. Bei Akustikkopplern wird z.B. die relativ niedrige Übertragungsrate von 300 Baud verwendet, für Terminals dagegen z.B. 19200 Baud.

Die Informationstransferrate ist niedriger als die Übertragungsrate. Sie ergibt sich aus dem Verhältnis von Nutzinformation zu übertragender Information, die sich aus Nutzinformation und Steuerinformation zusammensetzt (siehe asynchrones Datenformat)

2.4 Steuerung der Datenübertragung

Neben der Übertragung der einzelnen Zeichen und Zeichenfolgen sind auch noch Informationen über den Zustand der Übertragung nötig. Die Art dieser Informationen wird durch Übertragungsprotokolle geregelt. Es kann hierdurch der Anfang und das Ende einer Übertragung festgestellt, die Übertragungsrichtung gewählt und Fehler mitgeteilt werden.

2.4.1 Steuerzeichen

Sie sind Zeichen, die auf dem normalen Datenweg übermittelt werden. Sie dienen einerseits der Erweiterung des Codes, oder aber sie steuern die Geräte.

Einige Möglichkeiten für Steuerzeichen sind im Anschluss anhand des 7-Bit-ASCII-Codes beschrieben. Mit sieben Bit können 128 Zeichen definiert werden. Das achte Bit bleibt Null oder wird als Paritybit verwendet. Bei Verwendung dieses Bits zum Umschalten erhält man den sogenanntenerweiterten Zeichensatz mit 256 Zeichen.

2.4.1.1 Übertragungssteuerzeichen

Sie steuern den Ablauf der Datenübertragung zwischen verschiedenen Geräten. Hierzu gehören z.B. ACK (Acknowledge), mit dem der Empfänger den fehlerfreien Empfang bestätigt und EOT (End of Transmission), das das Ende der Übertragung anzeigt.

SOH (01h) Start of Heading: Kopf einer Zeichenfolge mit Adressen oder Daten

STX (02h) Start of Text: beendet obige Zeichenfolge und leitet „Text“ ein

ETX (03h) End of Text: beendet Text oder Zeichenfolge

EOT (04h) End of Transmission: Ende der Übertragung

ENQ (05h) Enquiry: Anforderung einer Antwort/Verwerfung eines Blockes

ACK (06h) Acknowledge: Bestätigung des fehlerfreien Empfangs eines Blocks

DLE (10h) Data Link Escape: Es folgt ein beliebiges Bitmuster

NAK (15h) Negativ Acknowledge: Aufforderung zur Wiederholung

SYN (16h) Synchronus Idle: Füllzeichen zur Synchronisation

ETB (17h) End of Transmission Block (mit nachfolgendem weiterem Block)

2.4.1.2 Formatsteuerzeichen

Diese Steuerzeichen bestimmen die Form der Ausgabe der übertragenen Daten auf den angeschlossenen Ausgabegeräten wie Druckern oder Bildschirmen. Hierzu gehören z.B. LF (Line Feed), das einen Zeilenvorschub um eine Zeile bewirkt, CR (Carriage Return), mit dem ein Rücksetzen des Druckkopfes oder des Cursors an den Anfang derselben Zeile ausgelöst wird und HT (Horizontal Tabulator), das eine Bewegung der Schreibeinrichtung an die nächste Tabulatorposition verursacht.

BS (08h) Backspace: ein Schreibschritt zurück innerhalb der Zeile

HT (09h) Horizontal Tabulation: nächste Tabulatorposition

LF (0Ah) Line Feed: Zeilenvorschub

VT (0Bh) Vertikal Tabulator

FF (0Ch) Form Feed: erste Position des nächsten Formulars (bei Bildschirm: „Löschen“)

CR (0Dh) Carriage Return: Erste Position derselben Zeile

2.4.1.3 Gerätesteuerzeichen

Mit diesen Steuerzeichen (DC1 bis DC4) können Zusatzgeräte wie Lochstreifenleser und -stanzer ein- und ausgeschaltet werden.

DC1 (11h) z.B. XON

DC2 (12h)

DC3 (13h) z.B. XOFF

DC4 (14h)

2.4.1.4 Codeerweiterungszeichen

Mit Hilfe dieser Zeichen können zusätzliche Schriftzeichen dargestellt oder auch weitere Steuerzeichen gebildet werden. Hierzu gehören SO (Shift Out) und SI (Shift In), mit denen zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden werden kann, und ESC (Escape), das zur Definition weiterer Steuerbefehle benutzt wird.

2.4.1.5 Sonstige Steuerzeichen

Außer den bisher besprochenen gibt es noch eine Reihe anderer Steuerzeichen, die zur Steuerung diverser Attribute der angeschlossenen Geräte dienen. Als Beispiele seien hier BEL (Bell) erwähnt, das ein akustisches Signal auslöst und DEL (Delete), mit dem das vorhergegangene Zeichen gelöscht werden kann.

NUL (00h) Leeres Füllzeichen

SUB (1Ah) Substitution

SP (20h) Space = Zwischenraum

DEL (7Fh) Delete = Löschen, auch Pausenzeichen

BEL (07h) Klingel

CAN (18h) Cancel

EM (19h) End of Medium

2.4.2 Handshakeverfahren

Da im allgemeinen externe Geräte (Drucker oder ähnliches) langsamer sind als der Computer selbst, und nur über einen begrenzten Pufferspeicher verfügen, ist es nötig, dass sie dem Computer mitteilen können, wann sie keine Daten mehr aufnehmen können. Diesen Vorgang bezeichnet man als Handshake, weil der Übergabemechanismus durch eine fest definierte Flankenfolge – quasi per Handschlag –gesichert abläuft. Man unterscheidet dabei Soft- und Hardwarehandshake.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.7 Prinzip des Handshakeverfahrens

Der Sender zeigt mit dem Signal Daten gültig die Bereitstellung der Daten an. Dieser Übergabeimpuls, oft auch STROBE genannt, definiert der Zeitbereich, in dem die Daten gültig (valid) sind. Die Übergabe erfolgt aber in Absprache mit dem Empfänger. Nur wenn er zur Übernahme BEREIT signalisiert, beginnt der Sender eine Datenübergabe. Dies wird im Bild 2.7 mit einem Pfeil symbolisiert. Nachdem der Empfänger die Daten übernommen hat, quittiert er mit Daten übernommen. Da der Empfänger jetzt beschäftigt ist, wird das Empfängersignal –neben ACKNOWLEDGE für Bestätigung oder READY für BEREIT- oft auch BUSY genannt. Erst wenn der Empfänger erneut die Übernahmebereitschaft anzeigt, beginnt der Sender die nächste Datenübergabe. Die Datenleitungen können dabei eine beliebige Anzahl haben., z.B. nur 1 Bit oder 1 Byte oder 1 Byte + Parity Bit oder Vielfache davon.

2.4.2.1 Softwarehandshake

Dieser ist nur dann möglich, wenn beide Geräte gleichzeitig senden können (Voll-Duplex-Betrieb). Hierbei wird durch ein Steuerzeichen signalisiert, dass das Gerät in der Lage oder auch nicht in der Lage ist, Daten zu empfangen. Ein Beispiel für einen solchen Handshake ist das XON/XOFF - Verfahren, das relativ oft verwendet wird. Hierbei prüft der Computer vor der Sendung eines Zeichens, ob das angeschlossene Peripheriegerät gerade XOFF sendet. Ist dies der Fall, so wartet er, bis das Peripheriegerät wieder XON sendet bevor er das Zeichen überträgt.

2.4.2.2 Hardwarehandshake

Hier wird der Handshake über eigene Leitungen durchgeführt, mit denen das Peripheriegerät seinen Verarbeitungszustand signalisiert.

2.4.3 First In-First-Out (FIFO)

Ein FIFO ist ein Registersatz mit z.B. acht Bit parallel, bei dem Daten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit eingegeben und ausgelesen werden können.

Wie es der Name schon sagt, werden die Daten, die zuerst geladen werden auch wieder zuerst ausgelesen. Das Einschreiben erfolgt mit maximaler Geschwindigkeit, während die Abholung der Daten angepasst werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.8 Prinzipieller Aufbau eines FIFO’ s

In diesem Bild sind 8 Datenleitungen D0-D7 vorgesehen. Diese dienen als Eingang von Schieberegistern, von denen symbolisch nur eines dargestellt ist. Eingangstakt (CLOCK IN) und Ausgangstakt (CLOCK OUT) können unterschiedlich sein. Ist der Ladevorgang zu schnell, zeigt die FIFO VOLL an und der Sender unterbricht die Datenübertragung. FIFO LEER zeigt an, dass keine Daten zur Verfügung stehen.

Serielle Schnittstellen

3. V.- und X.- Schnittstellen

Die Seriellen Schnittstellen sind in verschiedenen Formen weit verbreitet. Da die Übertragung bitseriell erfolgt, ist der Kostenaufwand für das Kabel relativ gering.

Die V.- und X.- Schnittstellen sind Normempfehlungen, die vom CCITT (Comit Consultatif International Télégraphique et Téléphonique) erarbeitet wurden. Andere Normen sind die ISO-Normen (International Organisation for Standardisation). Diese Normen haben das Ziel, verschiedene DEE- und DÜE-Einrichtungen miteinander zu verbinden. Einige dieser Normen sind nachfolgend beschrieben.

Der grundsätzliche Unterschied zwischen den V.- und X .-Normen liegt darin, dass die V.- Schnittstellen die Übertragung über analoge Netze (z.B. Telefonnetz); und die X.- Schnittstellen die Übertragung über digitale Netze (z.B. DATEX ) festlegen.

3.1. V.- Schnittstellen

Hierfür gibt es einige in der Norm V.24 festgelegte funktionale Eigenschaften. Sie gibt aber nicht die Pinbelegungen der Stecker, die in anderen Normen (z.B. CCITT V.21, V.23 sowie DIN 66021) für verschiedene Teilrealisationen der V.24 festgelegt sind, an. Diese Norm ist außerdem in das DIN-Normenwerk (DIN 66020) übernommen worden, auf das ich mich bei meinen kommenden Ausführungen beziehe.

3.1.1 Funktionen der Schnittstellenleitungen nach DIN 66020

In Klammer sind hier die Bezeichnungen nach CCITT V.24 angegeben.

a) Schnittstellenleitungen zur Übergabe von Datensignalen

a 1) Betriebserde und Rückleiter (Kurzzeichen E)

E2: Betriebserde (102 - Signal Ground or Common Return)

- Diese Leitung ist der gemeinsame Rückleiter für unsymmetrische Doppelstromschnittstellenleitungen. Sie definiert außerdem das Bezugspotential für die symmetrischen Doppelstromschnittstellenleitungen. Innerhalb der DÜE kann diese Leitung zu einem Punkt geführt werden, an dem es möglich ist, sie mit Hilfe einer Schaltbrücke mit Schutzerde zu verbinden.

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Details

Seiten
51
Jahr
2001
ISBN (eBook)
9783638166294
Dateigröße
2.7 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v10095
Note
1
Schlagworte
Schnittstellen Nachrichtentechnik

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Titel: Schnittstellen in der Nachrichtentechnik