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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Serieller asynchroner Adapter für COM-Port. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Grundlegende Konzepte und Begriffe Fast jeder Computer ist mit mindestens einem asynchronen seriellen Adapter ausgestattet. Normalerweise handelt es sich um eine separate Platine oder sie befindet sich direkt auf der Hauptplatine des Computers. Er wird auch als asynchroner RS-232-C-Adapter oder RS-232-C-Port bezeichnet. Jeder asynchrone Adapter enthält normalerweise mehrere RS-232-C-Anschlüsse, über die externe Geräte an den Computer angeschlossen werden können. Jeder dieser Ports verfügt über mehrere Register, über die das Programm auf ihn zugreift, und über eine spezielle IRQ-Leitung, um dem Computer eine Änderung des Portstatus zu signalisieren. Während des BIOS-Bootvorgangs wird jedem RS-232-C-Port der logische Name COM1 - COM4 (COM-Portnummer 1 - 4) zugewiesen. Die RS-232-C-Schnittstelle wurde von der Electronic Industries Association (EIA) als Standard für den Anschluss von Computern und verschiedenen seriellen Peripheriegeräten entwickelt. Der IBM PC unterstützt die RS-232-C-Schnittstelle nicht vollständig; vielmehr enthält der auf dem Computergehäuse als serieller Datenanschluss gekennzeichnete Anschluss einige der in der RS-232-C-Schnittstelle enthaltenen Signale und weist entsprechende Spannungspegel auf Standard. Derzeit ist die serielle Kommunikationsschnittstelle weit verbreitet. Hier ist eine bei weitem nicht vollständige Liste der Anwendungen:
Grundlegende Konzepte und Begriffe Serielle Datenübertragung bedeutet, dass Daten über eine einzige Leitung übertragen werden. In diesem Fall werden die Bits des Datenbytes der Reihe nach über eine Leitung übertragen. Zur Synchronisation wird einer Gruppe von Datenbits normalerweise ein spezielles Startbit vorangestellt, gefolgt von einer Gruppe von Bits, gefolgt von einem Paritätsbit und einem oder zwei Stoppbits. Manchmal fehlt möglicherweise ein Paritätsbit. Dies wird durch die folgende Abbildung veranschaulicht:
Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Anfangszustand der seriellen Datenleitung der Logikpegel 1 ist. Dieser Leitungszustand wird als markiert bezeichnet – MARK. Wenn die Datenübertragung beginnt, geht der Leitungspegel auf 0. Dieser Leitungszustand wird als leer bezeichnet – SPACE. Befindet sich die Leitung länger als eine bestimmte Zeit in diesem Zustand, wird davon ausgegangen, dass die Leitung in den BREAK-Zustand gewechselt ist. Das Startbit START signalisiert den Beginn der Datenübertragung. Als nächstes werden die Datenbits übertragen, zuerst die niedrigeren, dann die höheren. Wird das Paritätsbit P verwendet, so wird dieses mit übertragen. Das Paritätsbit wird so eingestellt, dass die Gesamtzahl der Einsen (oder Nullen) im Bitpaket entweder gerade oder ungerade ist, abhängig von der Einstellung der Portregister. Dieses Bit dient zur Erkennung von Fehlern, die bei der Datenübertragung aufgrund von Störungen auf der Leitung auftreten können. Das empfangende Gerät berechnet die Parität der Daten neu und vergleicht das Ergebnis mit dem empfangenen Paritätsbit. Wenn die Parität nicht übereinstimmt, wird davon ausgegangen, dass die Daten mit einem Fehler übertragen wurden. Natürlich gibt ein solcher Algorithmus keine hundertprozentige Garantie für die Fehlererkennung. Wenn sich also während der Datenübertragung eine gerade Anzahl von Bits geändert hat, bleibt die Parität erhalten und der Fehler wird nicht erkannt. Daher kommen in der Praxis komplexere Fehlererkennungsmethoden zum Einsatz. Ganz am Ende werden ein oder zwei Stoppbits STOP übertragen, wodurch die Übertragung des Bytes abgeschlossen ist. Dann wechselt die Leitung vor dem Eintreffen des nächsten Startbits wieder in den MARK-Zustand. Die Verwendung des Paritätsbits sowie Start- und Stoppbits bestimmen das Datenübertragungsformat. Natürlich müssen Sender und Empfänger das gleiche Datenformat verwenden, sonst ist der Austausch nicht möglich. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Datenübertragungsrate. Es muss auch für Sender und Empfänger gleich sein. Die Datenübertragungsrate wird normalerweise in Baud (mit dem Namen des französischen Erfinders der Telegrafenmaschine Emile Baudot - E. Baudot) gemessen. Baud bestimmt die Anzahl der pro Sekunde übertragenen Bits. Auch die Start-/Stopbits sowie das Paritätsbit werden berücksichtigt. Manchmal wird ein anderer Begriff verwendet - Bits pro Sekunde (bps). Hier meinen wir die effektive Datenrate ohne Overhead-Bits. Hardware-Implementierung Ihr Computer verfügt möglicherweise über einen oder zwei serielle Anschlüsse. Diese Anschlüsse befinden sich entweder auf der Hauptplatine oder auf einer separaten Karte, die in die Erweiterungssteckplätze auf der Hauptplatine gesteckt wird. Es gibt auch Platinen mit vier oder acht seriellen Schnittstellen. Sie werden häufig verwendet, um mehrere Computer oder Terminals an einen einzigen zentralen Computer anzuschließen. Diese Boards werden „Ultiport“ genannt. Der serielle Datenport basiert auf dem Intel 8250-Chip oder seinen modernen Gegenstücken – Intel 16450, 16550, 16550A. Dieser Chip ist ein universeller asynchroner Transceiver (UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Die Mikroschaltung enthält mehrere interne Register, auf die über I/O-Befehle zugegriffen werden kann. Der 8250-Chip enthält die Sende- und Empfangsdatenregister. Wenn ein Byte übertragen wird, wird es in das Pufferregister des Senders geschrieben und von dort aus wieder in das Schieberegister des Senders geschrieben. Ein Byte wird Stück für Stück aus dem Schieberegister verschoben. Ebenso gibt es Empfänger-Schiebe- und Pufferregister. Das Programm hat nur Zugriff auf die Pufferregister, kopiert Informationen in die Schieberegister und der Schiebevorgang wird automatisch vom UART-Chip durchgeführt. Die Register, die den asynchronen seriellen Port steuern, werden im nächsten Kapitel beschrieben. Der asynchrone serielle Port wird über einen speziellen Anschluss mit externen Geräten verbunden. Es gibt zwei Standards für RS-232-C-Schnittstellenanschlüsse, nämlich DB25 und DB9. Der erste Stecker hat 25 Pins und der zweite hat 9 Pins. Hier ist die Pinbelegung des seriellen DB25-Anschlusses:
Neben dem 25-poligen Stecker wird häufig ein 9-poliger Stecker verwendet:
Nur zwei Pins dieser Anschlüsse werden zum Senden und Empfangen von Daten verwendet. Der Rest überträgt verschiedene Hilfs- und Steuersignale. In der Praxis ist möglicherweise eine unterschiedliche Anzahl von Signalen erforderlich, um ein bestimmtes Gerät anzuschließen. Die RS-232-C-Schnittstelle definiert den Austausch zwischen zwei Arten von Geräten: DTE (Data Terminal Equipment – Endgerät) und DCE (Data Communication Equipment – Kommunikationsgerät). In den meisten Fällen, aber nicht immer, ist der Computer ein Endgerät. Modems, Drucker, Plotter sind immer Kommunikationsgeräte. Betrachten wir nun die Signale der RS-232-C-Schnittstelle genauer. RS-232-C-Schnittstellensignale Hier betrachten wir die Interaktion zwischen einem Computer und einem Modem sowie zwei direkt miteinander verbundene Computer. Sehen wir uns zunächst an, wie sich der Computer mit dem Modem verbindet. Die TD- und RD-Eingänge werden von DTE- und DCE-Geräten unterschiedlich verwendet. Das DTE-Gerät verwendet den TD-Eingang zum Übertragen von Daten und den RD-Eingang zum Empfangen von Daten. Umgekehrt verwendet ein DCE-Gerät den TD-Eingang zum Empfangen und den RD-Eingang zum Senden von Daten. Um das Endgerät und das Kommunikationsgerät zu verbinden, müssen daher die Pins ihrer Anschlüsse direkt verbunden werden:
Die restlichen Leitungen beim Anschluss eines Computers und eines Modems müssen ebenfalls wie folgt angeschlossen werden:
Betrachten Sie den Prozess des Handshakes zwischen einem Computer und einem Modem. Zu Beginn einer Kommunikationssitzung muss der Computer sicherstellen, dass das Modem einen Anruf tätigen kann (funktioniert). Dann muss das Modem, nachdem es den Teilnehmer angerufen hat, dem Computer mitteilen, dass es eine Verbindung zum entfernten System hergestellt hat. Genauer gesagt geschieht dies wie folgt. Der Computer signalisiert auf der DTR-Leitung, um dem Modem anzuzeigen, dass es bereit ist, eine Kommunikationssitzung durchzuführen. Als Antwort sendet das Modem ein Signal auf der DSR-Leitung. Wenn ein Modem eine Verbindung zu einem anderen entfernten Modem hergestellt hat, sendet es ein Signal auf der DCD-Leitung, um den Computer zu informieren. Wenn die Spannung auf der DTR-Leitung abfällt, teilt dies dem Modem mit, dass der Computer die Kommunikationssitzung nicht mehr fortsetzen kann, beispielsweise weil der Computer ausgeschaltet ist. In diesem Fall beendet das Modem die Verbindung. Wenn die Spannung auf der DCD-Leitung abfällt, teilt dies dem Computer mit, dass das Modem die Verbindung verloren hat und die Verbindung nicht mehr fortsetzen kann. In beiden Fällen geben diese Signale eine Antwort auf das Vorhandensein einer Kommunikation zwischen dem Modem und dem Computer. Wir haben uns nun mit der untersten Ebene der Kommunikationssteuerung befasst, dem Handshake. Zur Steuerung der Baudrate gibt es eine höhere Ebene, die aber auch in Hardware implementiert ist. In der Praxis ist eine Datenratenkontrolle (Flusskontrolle) erforderlich, wenn große Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden. Wenn ein System versucht, Daten schneller zu übertragen, als sie vom empfangenden System verarbeitet werden können, kann dies zum Verlust einiger übertragener Daten führen. Um zu verhindern, dass mehr Daten übertragen werden, als verarbeitet werden können, wird eine Kommunikationssteuerung namens „Flusskontrolle“ (Flow-Controll Handshake) verwendet. Der RS-232-C-Standard definiert die Möglichkeit der Flusskontrolle nur für eine Halbduplex-Verbindung. Halb -Duplex ist eine Verbindung, bei der Daten jeweils nur in eine Richtung übertragen werden können. Tatsächlich wird dieser Mechanismus jedoch auch für Duplexverbindungen verwendet, bei denen Daten gleichzeitig in zwei Richtungen über die Kommunikationsleitung übertragen werden. Ablaufsteuerung Bei Halbduplex-Verbindungen sendet das DTE-Gerät ein RTS-Signal, wenn es Daten senden möchte. Das DCE signalisiert der CTS-Leitung, wenn sie bereit ist, und das DTE beginnt mit der Datenübertragung. Bis sowohl RTS als auch CTS aktiv sind, kann nur die DCE Daten übertragen. Bei Vollduplex-Verbindungen haben die RTS/CTS-Signale die entgegengesetzte Bedeutung wie bei Halbduplex-Verbindungen. Wenn das DTE Daten empfangen kann, signalisiert es dies auf der RTS-Leitung. Ist das DCE ebenfalls empfangsbereit, sendet es das CTS-Signal zurück. Wenn die Spannung auf den RTS- oder CTS-Leitungen abfällt, teilt dies dem sendenden System mit, dass das empfangende System nicht zum Datenempfang bereit ist. Nachfolgend geben wir einen Auszug aus dem Dialog zwischen Computer und Modem, der beim Datenaustausch stattfindet.
Das klingt natürlich alles gut. In der Praxis ist nicht alles so einfach. Es ist nicht schwierig, einen Computer und ein Modem anzuschließen, da die RS-232-C-Schnittstelle genau dafür ausgelegt ist. Wenn Sie jedoch zwei Computer mit demselben Kabel verbinden möchten, mit dem Sie das Modem und den Computer verbunden haben, werden Sie Probleme bekommen. Um zwei Endgeräte - zwei Computer - miteinander zu verbinden, ist mindestens eine Querverbindung der Leitungen TR und RD erforderlich:
Dies reicht jedoch in den meisten Fällen nicht aus, da bei DTE- und DCE-Geräten die von den Leitungen DSR, DTR, DCD, CTS und RTS ausgeführten Funktionen asymmetrisch sind. Das DTE-Gerät sendet das DTR-Signal und wartet auf den Empfang der DSR- und DCD-Signale. Das DCE-Gerät sendet wiederum DSR, DCD und wartet auf DTR. Wenn Sie also zwei DTE-Geräte mit dem Kabel verbinden, mit dem Sie die DTE- und DCE-Geräte verbunden haben, können diese nicht miteinander verhandeln. Der Handshaking-Prozess wird nicht ausgeführt. Kommen wir nun zu den RTS- und CTS-Signalen, der Flusskontrolle. Um zwei DTE-Geräte zu verbinden, werden diese Leitungen manchmal an beiden Enden des Kabels miteinander verbunden. Dadurch erhalten wir, dass das andere Gerät immer bereit ist, Daten zu empfangen. Wenn das empfangende Gerät keine Zeit hat, Daten mit hoher Übertragungsrate zu empfangen und zu verarbeiten, ist daher ein Datenverlust möglich. Um all diese Probleme zu lösen, wird ein spezielles Kabel, umgangssprachlich Nullmodem genannt, zur Verbindung zweier DTE-Geräte verwendet. Mit zwei Anschlüssen und einem Kabel können Sie es ganz einfach selbst löten, indem Sie sich an den folgenden Diagrammen orientieren.
Um das Bild zu vervollständigen, betrachten wir noch einen Aspekt im Zusammenhang mit der mechanischen Verbindung der RS-232-C-Ports. Aufgrund des Vorhandenseins von zwei Steckverbindertypen – DB25 und DB9 – werden häufig Adapter von einem Steckverbindertyp auf einen anderen benötigt. Mit diesem Adapter können Sie beispielsweise den COM-Port eines Computers an ein Nullmodemkabel anschließen, wenn der Computer über einen DB25-Stecker verfügt und das Kabel in DB9-Steckern endet. Ein Diagramm eines solchen Adapters zeigen wir in der folgenden Abbildung:
Beachten Sie, dass Sie bei vielen Geräten (z. B. Terminals und Modems) den Status einzelner RS-232-C-Leitungen über interne Schalter (DIP-Schalter) steuern können. Diese Schalter können ihren Wert bei verschiedenen Modemmodellen ändern. Um sie zu verwenden, sollten Sie daher die Modemdokumentation lesen. Wenn sich Schalter 1 beispielsweise bei Hayes-kompatiblen Modems in der Position „Aus“ (unten) befindet, bedeutet dies, dass das Modem nicht nach einem DTR-Signal sucht. Daher kann das Modem eingehende Anrufe auch dann beantworten, wenn der Computer ausgeschaltet ist fordert das Modem nicht auf, eine Verbindung herzustellen. Technische Parameter der RS-232-C-Schnittstelle Bei der Übertragung von Daten über große Entfernungen ohne den Einsatz spezieller Geräte kann es aufgrund von Störungen durch elektromagnetische Felder zu Fehlern kommen. Daher gibt es Einschränkungen hinsichtlich der Länge des Verbindungskabels zwischen DTR-DTR und DTR-DCE. Die offizielle Längenbeschränkung für das RS-232-C-Patchkabel beträgt 15,24 Meter. In der Praxis kann dieser Abstand jedoch deutlich größer sein. Es hängt direkt von der Datenübertragungsrate ab. Laut McNamara (Technical Aspects of Data Communications, Digital Press, 1982) werden folgende Werte definiert:
Die Spannungspegel auf den Anschlussleitungen betragen -15..-3 Volt für eine logische Null, +3..+15 Volt für eine logische Eins. Das Intervall von -3 bis +3 Volt entspricht einem undefinierten Wert. Wenn Sie externe Geräte an den RS-232-C-Schnittstellenanschluss anschließen (sowie beim Anschluss zweier Computer mit einem Nullmodem), schalten Sie zuerst diesen und den Computer aus und entfernen Sie auch statische Aufladung (durch Anschließen an Masse). Andernfalls kann der asynchrone Adapter beschädigt werden. Die Masse des Computers und die Masse des externen Geräts müssen miteinander verbunden sein. Veröffentlichung: cxem.net
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