EIA-232

Der Begriff EIA-232 bezeichnet einen Standard für eine serielle Schnittstelle, die in den frühen 1960ern von einem US-amerikanischen Standardisierungskommitee (heute EIA - Electronic Industries Alliance) eingeführt wurde. Damals wurden Mainframes und Text-Terminals unter Zuhilfenahme von Modems durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über die Telefonleitung zusammengeschlossen.

Die aktuelle Version heißt offiziell ANSI/EIA/TIA-232-F-1997. Die alte - immer noch sehr verbreitete - Bezeichnung ist RS-232 (RS steht dabei für Radio Sector, womit die ursprünglich zuständige Abteilung der Behörde gemeint ist, wird aber heute als Recommended Standard gelesen). Zur Frage der korrekten Bezeichnung siehe EIA.

EIA-232 definiert die Verbindung zwischen dem Terminal (DTE, data terminal equipment) und dem Modem (DCE, data communication equipment), was Timing, Spannungspegel, Protokoll und Stecker betrifft. Allgemein sind die Parameter unter Serielle Datenübertragung erläutert.

Weitere Übertragungsstandards wie RS-422, RS-485 findet man unter der Rubrik Serielle Schnittstelle.

Übersicht

Die Übertragung erfolgt in Wörtern. Ein Wort entspricht dabei je nach Konfiguration 5 bis 9 Bits, in dem dann ein einzelnes Zeichen kodiert ist. Meistens erfolgt die Kodierung gemäß ASCII. Häufig kommen auch (ASCII-)Steuercodes für die Ansteuerung eines Terminals wie VT100 zum Einsatz. Üblich ist daher, 7 bzw. 8 Bits zu übertragen.

Eine EIA-232-Verbindung arbeitet (bit-)seriell mit je einer Datenleitung für beide Übertragungsrichtungen. Das heißt, die Bits werden nacheinander auf einer Leitung übertragen, im Gegensatz zur parallelen Datenübertragung. Die dafür nötige Seriell-Parallel-Wandlung geschieht meistens in sog. UARTs (entweder als integriertes Modul in einem Microcontroller oder als Stand-Alone-Baustein).
Die EIA-232 wird deshalb häufig salopp „serielle Schnittstelle“ genannt, obwohl es zahllose andere serielle Schnittstellenarten gibt.

Die Datenübertragung erfolgt asynchron. D.h. der Zeitabstand zwischen den zu übertragenen Worten kann beliebig lang sein. Die Synchronisation in die Übertragung erfolgt durch den Empfänger als sogenannte Wortsynchronisation, also am Anfang und am Ende des Wortes.
Die Synchronisation des Abfragetaktes des Empfängers geschieht mit dem Start der Übertragung auf der Datenleitung. Der Empfänger synchronisiert sich in die Mitte des sogenannten Startbits (1 Bit vor den Datenbits) und taktet die folgenden Bits des Datenwortes mit "seiner" Baudrate ab.
Damit das funktioniert, muss die Baudrate von Sender und Empfänger ungefähr (bis auf einige Prozent) übereinstimmen. Jedes übertragene Wort muss somit von einem Startbit (logischer Wert 0) eingeleitet und 1 bis 2 Stopbit(s) (logischer Wert 1) abgeschlossen werden.
Zwischen Start- und Stopbit(s) werden die eigentlichen Nutzdaten über die Taktzeit unverändert (NRZ-codiert) übertragen.

EIA-232 ist eine Spannungsschnittstelle (im Gegensatz z.B. zu einer Stromschnittstelle). Die Information (Bit) wird durch eine elektrische Spannung kodiert.
Für die Datenleitungen (TxD und RxD) wird eine negative Logik verwendet, wobei eine Spannung zwischen -3 Volt und -12 Volt eine logische Eins und eine Spannung zwischen +3 Volt und +12 Volt eine logische Null darstellt.
Bei den Steuerleitungen (DCD, DTR, DSR, RTS, CTS und RI) wird der aktive Zustand durch eine Spannung zwischen +3 Volt und +12 Volt dargestellt, der inaktive Zustand durch eine Spannung zwischen -3 Volt und -12 Volt.

Als Steckverbindung wurden nach der ursprünglichen Norm 25-polige Sub-D-Stecker für DTE und -Buchsen für DCE benutzt. Da viele der 25 Leitungen reine Drucker- bzw. Terminal-Steuerleitungen aus der elektromechanischen Ära sind, die für die meisten Verbindungen mit moderneren Peripheriegeräten nicht benötigt werden, haben sich heute 9-polige Sub-D-Stecker und Buchsen etabliert, die beim ersten IBM PC ursprünglich als reine Notlösung zum Platzsparen eingeführt worden waren (damals ging es darum, den Stecker zusammen mit einer ebenfalls verkleinerten Centronics-Schnittstelle auf einer Steckkarte unterzubringen).

Zur Vermeidung von Datenverlusten muss der Empfänger die Datenübertragung anhalten können, wenn keine weiteren Daten mehr verarbeitet werden können. Dieses sogenannte Handshake kann auf zwei Arten realisiert werden, entweder softwareseitig über bestimmte Steuercodes oder über spezielle Leitungen.

Beim Software-Handshake (Xon/Xoff-Protokoll) sendet der Empfänger zur Steuerung des Datenflusses spezielle Zeichen an den Sender (Xon = 17 und Xoff = 19). Entsprechend werden für die Datenübertragung lediglich 3 Leitungen (RxD, TxD und Gnd) benötigt. Im jeweiligen Stecker müssen dann RTS mit CTS gebrückt werden und DTR mit DSR und DCD. Andernfalls wartet die Hardware, weil die Handshakeleitungen nicht richtig bedient werden.

Beim Hardware-Handshake steuert der RxD-Empfänger über Steuerleitungen die Handshake-Eingänge CTS, DSR und DCD des TxD-Senders mit seinen Handshake-Ausgängen RTS -> CTS und DTR -> DSR & DCD. Ein Minimal-Interface mit Hardware-Handshake besteht demzufolge aus 5 Leitungen (TxD, RxD, Gnd, RTS und CTS).

Timing

RS-232 timing.png

Das Timingdiagramm zeigt ein Beispiel, wie ein Zeichen übertragen wird. Zunächst liegt der Ruhepegel an. Der Ruhezustand der Übertragungsleitung, der auch mit Mark bezeichnet wird, entspricht dem Pegel einer logischen 1. Als Erstes wird das Startbit logisch 0 (Space) gesendet, um den Empfänger mit dem Sender synchronisieren zu lassen. Die (zeitliche) "Länge" der jeweiligen Bits hängt von der Baudrate ab.

übliche Baudraten
Baud	Bitlänge
50	20 ms
300	3,3 ms
1.200	833 µs
2.400	417 µs
4.800	208 µs
9.600	104 µs
19.200	52 µs
38.400	26 µs
57.600	17 µs
115.200	8,68 µs
230.400	4,34 µs
460.800	2,17 µs

Darauf folgen 5-8 Datenbits (Nutzdaten). Angefangen wird mit den LSB (lowest significant bit) und beendet mit dem MSB (most significant bit). In diesem Beispiel werden 8 Datenbits gesendet. Nun folgt optional ein Parity-Bit, welches zur Erkennung von Übertragungsfehlern dient. Das Paritätsbit bewirkt, dass bei gerader ("EVEN") Parität immer eine gerade bzw. bei ungerader ("ODD") Parität eine ungerade Anzahl von "1"-Bits übertragen wird. Es gibt also die Möglichkeiten E wie even parity oder O wie odd parity oder kein Parity-Bit entsprechend N wie non parity. Abgeschlossen wird die Übertragung mit ein oder zwei Stoppbits logisch "1". Die folgende Ruhezeit darf beliebig lang sein (hier im Beispiel ist sie ein halbes Bit lang).

Da alle möglichen Variationen in den Standards festgelegt sind, müssen bei beiden Geräten, die an der Kommunikation beteiligt sind, alle Parameter gleich eingestellt sein, damit eine erfolgreiche Kommunikation garantiert werden kann.

Von vielen Geräten werden folgende Einstellungen verwendet: 8 Datenbits, kein Parity, 1 Stoppbit, was oft als 8N1 abgekürzt wird. Damit sind für die Übertragung eines Bytes auf der Leitung mindestens 1 + 8 + 1 "Bitdauern" nötig, woraus sich bei 115.200 Baud ein Maximaldurchsatz von 11,25 KiB/s ergibt.

Leitungslänge und Übertragungsrate

Da wegen der verwendeten Spannungsübertragung die Spannung am Empfänger mit zunehmender Leitungslänge (wegen des größer werdenden elektrischen Kabelwiderstandes und der Kabelkapazität) abnimmt, ist die Leitungslänge begrenzt.

Ein weiterer begrenzender Faktor ist die Laufzeit des Signals. Da eine EIA-232-Schnittstelle am Leitungsende nicht mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden kann (zu große Verlustleistung), gibt es unweigerlich Leitungsreflektionen. Mit zunehmender Übertragungsrate und Kabellänge stören die Reflexionen immer mehr die Datenübertragung. Die Norm schreibt Flankensteilheiten vor, die der Sender nicht überschreiten darf, um die Auswirkung der Reflexionen zu begrenzen. RS485 Leitung.jpg

Ein weiterer Aspekt ist, dass die Signalübertragung nicht differentiell, sondern "single-ended" (unbalanced) erfolgt. Das zu übertragende Signal beinhaltet also einen Gleichspannungsanteil und ist deshalb relativ empfindlich auf Gleichtaktstörungen. Solche Störungen können z. B. entstehen durch induktive Einkopplung in die Schleife RxD-Gnd. Weil sich alle Signale auf das gleiche Gnd-Signal beziehen, kann ein Strom auf der Txd-Leitung einen Spannungsabfall auf der Gnd-Leitung erzeugen, welcher zu einer Potentialverschiebung zwischen den beiden Kommunikationspartnern führt und beispielsweise auf der RxD-Leitung gesehen wird und Störungen verursacht.

Laut ursprünglichem Standard ist eine Kabelkapazität von max. 2500 pF zulässig, was bei Standardkabeln einer Kabellänge von max. 15 m (50 Fuß) entspricht. Mit Kabeln, welche eine besonders niedrige Kapazität aufweisen (beispielsweise UTP CAT-5 Kabel mit 55 pF/m), lassen sich konform zur Definition 45 m erreichen. Die folgende Tabelle gibt Erfahrungswerte von Texas Instruments wieder.

Maximalwerte
max. Baud	max. Länge
2.400	900 m
4.800	300 m
9.600	152 m
19.200	15 m

Die Probleme der gegenseitigen Beinflussung über Gnd, fehlender Abschlusswiderstand etc. lassen sich durch eine differentielle Übertragung wie bei RS-485, LVDS etc. beheben.

Verkabelung und Stecker

Rs232_buchse_9pol.png

Bild_Rs232_buchse_9pol_female.png

Serielle schnittstelle.jpg

Um zwei Geräte über die serielle Schnittstelle zu verbinden, müssen die "hörenden" mit den "sprechenden" Leitungen verbunden werden, d. h. TxD muss mit RxD und CTS mit RTS verbunden werden.

Handelt es sich um eine Verbindung von Terminal bzw. Rechner (DTE – data terminal equipment) mit Stecker zu einem Modem (DCE – data communication equipment) mit Buchse, ist ein 1:1-Kabel nötig.
Handelt es sich dagegen um eine Verbindung zweier gleicher Geräte (z. B. zweier PCs), so sind die Leitungen zu kreuzen. Ein solches Kabel nennt man Nullmodem-Kabel.
Durch einen loopback-Stecker bzw. -Buchse wird das serielle Sendesignal eines Gerätes direkt zum Empfangsteil des gleichen Gerätes geführt. Anwendung findet ein solches loopback device u. a. bei der Entwicklung von Kommunikationsprogrammen.

Die praktische Identifizierung von DTE und DCE Geräten ist durch Messung der Spannung zwischen GND und den Pins 2 und 3 möglich.

! Messung
zwischen 25-pol. DTE
9-pol. DCE 25-pol. DCE
9-pol. DTE

- GND und Pin 2 -3 ... -15 V ca. 0 V

- GND und Pin 3 ca. 0 V -3 ... -15 V

Namen und Bedeutungen der wichtigsten Signalleitungen. WICHTIG: Leitungsbezeichnungen immer aus Sicht des DTEs (Computers)!

Abkürzung	Name	Beschreibung	Pin-Nr. 25-pol.	Pin-Nr. 9-pol.	Input/Output (vom PC aus gesehen)	-		Common Ground	Gemeinsame Abschirmmasse (nicht Datenmasse)	Pin 1	-	-	-	TxD	Transmit Data	Leitung für ausgehende (gesendete) Daten.	Pin 2	Pin 3	Out	-	RxD	Receive Data	Leitung für den Empfang von Daten.	Pin 3	Pin 2	In	-	RTS	Request to Send	"Sendeanforderung"; Eine logische Eins an diesem Ausgang signalisiert der Gegenstelle, dass sie Daten Senden kann	Pin 4	Pin 7	Out	-	CTS	Clear to Send	Eine logische Eins an diesem Eingang ist ein Signal der Gegenstelle, dass sie Daten entgegennehmen kann	Pin 5	Pin 8	In	-	DSR	Dataset Ready	Ein angeschlossenes Gerät signalisiert dem Computer, dass es einsatzbereit (nicht notwendigerweise empfangsbereit) ist, wenn eine logische Eins auf dieser Leitung anliegt.	Pin 6	Pin 6	In	-	GND	Ground	Signalmasse. Die Signalspannungen werden gegen diese Leitung gemessen.	Pin 7	Pin 5	-	-	DCD	Data Carrier Detected	Ein Gerät signalisiert dem Computer, dass es einlaufende Daten auf der Leitung erkennt	Pin 8	Pin 1	In	-	DTR	Data Terminal Ready	Über diese Leitung signalisiert der PC dem Gerät, dass er betriebsbereit ist. Damit kann ein Gerät eingeschaltet oder zurückgesetzt werden. (Üblicherweise schaltet ein Gerät z.B. Modem diese Leitung auf DSR durch, wenn es einsatzbereit ist)	Pin 20	Pin 4	Out	-	RI	Ring Indicator	Das Gerät zeigt dem PC an, dass ein Anruf ankommt ("ring" ist engl. für "klingeln"; besonders bei Modems)	Pin 22	Pin 9	In

Weitere Standards

V.24: Der ITU-Standard (1964) definiert über 50 Schnittstellenleitungen. Die EIA-232-Schnittstelle benutzt davon 22.

V.28: Der ITU-Standard (1972) beschreibt elektrische Eigenschaften einer Schnittstelle, die sehr oft zusammen mit der V.24 benutzt wird.

DIN 66020-1: Die weitgehend übernommene deutsche Industrienorm der V.24.

ISO 2110: Definition der Mechanik eines Steckverbinders.

Weblinks

Siehe auch: Hardware-Protokoll, Software-Protokoll, Serielle Schnittstelle (RS-422, RS-485, LVDS, USB etc.)

Bussystem | Normung | Protokoll (Hardware)

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