Serielle Kommunikation

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Inhaltsverzeichnis:

  1. Was ist serielle Kommunikation?
  2. Grundlegende Modi der seriellen Datenübertragung
  3. Serielle Kommunikation vs. Parallele Kommunikation
  4. Arten von seriellen Kommunikationsschnittstellen
  5. Wie funktioniert serielle Kommunikation?

Was ist serielle Kommunikation?


Die serielle Kommunikation ist eine häufig verwendete Methode zum Datenaustausch zwischen Computern und Peripheriegeräten. Die serielle Übertragung zwischen Sender und Empfänger unterliegt strengen Protokollen, die für Sicherheit und Zuverlässigkeit sorgen und zu ihrer Langlebigkeit geführt haben. Viele Geräte von PCs bis hin zu Mobilgeräten nutzen die serielle Kommunikation. Schauen wir uns die Grundlagen genauer an.

Die serielle Kommunikation nutzt eine serielle digitale Binärmethode für den Datenaustausch. Sie verwendet eine Reihe von Schnittstellen und seriellen Kommunikationsprotokollen, darunter RS232, RS485, SPI und I2C.

COM Port Monitor

COM Port Monitor ist eine serielle Kommunikationssoftware, mit der Daten, die über serielle Schnittstellen empfangen werden, überwacht und analysiert werden können.
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Serial Port Monitor

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Grundlegende Modi der seriellen Datenübertragung


Binäre Impulse werden zur Übertragung von Daten bei der seriellen Datenübertragung verwendet. Die Binärziffer eins wird durch fünf Volt oder eine HIGH-Logik dargestellt. Umgekehrt wird die binäre Null mit einem logischen LOW oder Null Volt bezeichnet. Zur Implementierung der seriellen Kommunikation sind eine Quelle und ein Ziel erforderlich. Sie werden auch als Sender und Empfänger bezeichnet. Verschiedene Arten der seriellen Kommunikation können verwendet werden und werden als Simplex, Halbduplex und Vollduplex bezeichnet.

Übertragungsmodi

Übertragungsmodi


  • Die Simplex-Methode implementiert die Datenübertragung in eine Richtung. In diesem Schema ist zu einem bestimmten Zeitpunkt nur die Quelle oder das Ziel aktiv. Wenn die Quelle Daten sendet, hat der Empfänger keine andere Wahl, als die Übertragung zu akzeptieren. Der Simplex-Modus wird zum Senden von Fernseh- oder Radiosignalen verwendet.
  • Halbduplex-Modus ermöglicht, dass sowohl Quelle als auch Ziel aktiv sind, jedoch nicht gleichzeitig. Die Übertragung erfolgt jeweils nur in eine Richtung. Ein typisches Beispiel ist die Nutzung des Internets. Wenn Sie eine Webseite von Ihrem Computer aus anfordern, verarbeitet der Server die Anforderung. Dieser wird dann zum Absender, wenn die Informationen an Ihren Computer zurückgesendet werden, der jetzt der Empfänger ist.
  • Vollduplex-Modus ist die weltweit am weitesten verbreitete Form der seriellen Kommunikation. Quelle und Ziel sind beide aktiv und können gleichzeitig Daten senden und empfangen. Ihr Smartphone ist ein hervorragendes Beispiel für den Vollduplex-Modus in Aktion.

Eine weitere Überlegung bei der Erörterung der seriellen Kommunikation ist das Protokoll und die Endianesse der beiden Host-Computer. Endianness bezieht sich auf die Methode, bestimmte Speicheradressen zum Speichern von Daten zu verwenden. Auf diese Weise werden die Daten an einer bestimmten Speicheradresse gespeichert. Bezüglich des Datenausrichtungs-Endians gibt es zwei Klassifikationen.

  • Little Endian
  • Big Endian.

Das folgende Beispiel zeigt den Unterschied zwischen Little Endian und Big Endian. Es zeigt, wie eine 32-Bit-hexadezimale Datenübertragung von ABCD87E2 mit beiden Endianen gespeichert wird.

Was ist der Unterschied zwischen Little Endian und Big Endian?


Der Unterschied zwischen Little Endian und Big Endian liegt in der Endianität, die angibt, in welchem Byte (MSB oder LSB) der Speicher abgelegt ist.

Wie wird ABCD87E2 im Speicher dargestellt?


Im Little Endian-Format wird das LSB an der niedrigsten Speicheradresse und das MSB an der höchsten Speicheradresse gespeichert.

Little endian und Big endian

Little Endian und Big Endian


Es gibt zwei Grundformen der Datenübertragung. Dies sind parallele und serielle Kommunikation. Die serielle Kommunikation führt die Datenübertragung bitweise durch. Es werden im Wesentlichen zwei Drähte verwendet, einer für den Sender und der andere für den Empfänger..

Wenn Sie Daten senden, ist die Endgültigkeit der Übertragung von Bedeutung. Welches Bit wird bei einer 8-Bit-Binärdatenübertragung von 11001110 zuerst gesendet? Dies kann das höchstwertige Bit sein - MSB (7. Bit) oder das niedrigstwertige Bit - LSB (0. Bit). Das folgende Diagramm zeigt eine Little-Endian-Übertragung, bei der das LSB zuerst verschoben wird.

Serielle Kommunikation

Serielle Kommunikation


In dieser Darstellung sendet der Sender für jeden Takt ein einzelnes Bit an den Empfänger.

Anstatt Daten Bit für Bit zu verschieben, kann die parallele Kommunikation 8, 16 oder 32 Datenbits gleichzeitig verschieben. Beispiele für die parallele Kommunikation sind Drucker und Kopierer, die von der schnelleren Datenübertragung profitieren.

Parallele Kommunikation

Parallele Kommunikation

Serielle Kommunikation vs. Parallele Kommunikation


Die serielle Kommunikation sendet Daten bitweise. Folglich werden weniger E/A-Leitungen (Eingabe-Ausgabe-Leitungen) benötigt, um sie zu implementieren, als für die parallele Übertragung. Dies führt zu weniger Interferenzen und einer Verringerung des Platzbedarfs. Es reduziert auch die Kosten des eingebetteten Systems und ermöglicht die zuverlässige Übertragung von Daten über große Entfernungen. Datenkommunikationsgeräte (DCE) wie Modems nutzen die serielle Datenübertragung.

Weitere E/A-Leitungen sind erforderlich, um die parallele Kommunikation zu implementieren. Wenn Daten in einem Block von 8, 16 oder 32 Bit gesendet werden, benötigt jedes Bit eine eigene physikalische E/A-Leitung. Die Geschwindigkeit der parallelen Übertragung ist schneller als die der seriellen Übertragung, erfordert jedoch eine größere Anzahl von E/A-Leitungen. Die parallele Datenübertragung wird in Personal Computern verwendet, um Daten mit internen Komponenten wie dem Direktzugriffsspeicher (RAM) oder der CPU auszutauschen.

Hinweis: Bei Schaltkreisen oder Prozessoren mit einer begrenzten Anzahl von E / A-Pins ist die serielle Kommunikation die bevorzugte Methode.

Die Vor- und Nachteile der seriellen und parallelen Kommunikation werden in dieser Vergleichstabelle hervorgehoben.

Serieller Bus Paralleler Bus
Sendet bei jedem Takt ein Datenbit Überträgt einen Datenblock gleichzeitig
Bessere Methode für die Fernkommunikation Wird hauptsächlich für die Kommunikation über kurze Entfernungen verwendet
Langsame Übertragungsgeschwindigkeit Schnellere Kommunikation
Erfordert eine einzelne Leitung für die Datenübertragung Benötigt n Zeilen für die Übertragung von n Bits
Niedrige Installationskosten Höhere Installationskosten
Beispiel: Computer zu Computer Beispiel: Computer zu Multifunktionsdrucker

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Arten von seriellen Kommunikationsschnittstellen


Die serielle Schnittstelle ist für die Codierung der Bits einer Binärzahl zuständig. Sie führt diese Aufgabe aus, indem sie sich auf die "zeitliche" Position der Bits auf dem Draht konzentriert und nicht auf ihre "räumliche" Position innerhalb einer Gruppe von Drähten.

Der Taktindex ist der Mechanismus, der den effizienten Betrieb serieller Geräte erzwingt. Ein fehlerhafter Takt kann zu unerwarteten Ergebnissen führen und jedes Gerät hat ein anderes Taktsignal. Serielle Kommunikationsprotokolle werden allgemein als synchron oder asynchron definiert.

■ Synchrone serielle Schnittstelle

Eine synchrone serielle Schnittstelle verwendet einen einzelnen CPU-Bus, der das Taktsignal und die Datenübertragung gemeinsam nutzt. Dies macht die synchrone Datenübertragung schneller als die Alternative. Es gibt keine Bedenken hinsichtlich nicht übereinstimmender Baudraten, und zum Anschließen von Geräten sind weniger E / A-Leitungen erforderlich. Beispiele für synchrone Schnittstellen sind SPI und I2C.

■ Asynchrone serielle Schnittstelle

Eine asynchrone serielle Schnittstelle arbeitet ohne externes Taktsignal. Sein Betrieb wird durch diese vier Parameter gesteuert:

  • Steuerung der Baudrate;
  • Datenflusskontrolle;
  • Fehlerkontrolle;
  • Sende- und Empfangskontrolle.

Wenn Stabilität in der Kommunikation wichtig ist, werden asynchrone Protokolle bevorzugt. Sie eignen sich auch zur Realisierung der Datenfernübertragung. RS232, RS422 und RS485 sind Beispiele für asynchrone Protokolle.

Wie funktioniert serielle Kommunikation?


Die serielle Kommunikation wird von modernen Mikrocontrollern und Mikroprozessoren für die interne und externe Datenübertragung verwendet. Schauen wir uns ein einfaches, anschauliches Beispiel für das Senden einer Datei von Ihrem Laptop an das Smartphone an. Sie senden wahrscheinlich über das WLAN- oder Bluetooth-Protokoll.

Das Einrichten der seriellen Kommunikation erfordert diese Schritte:

  • Erstellen einer Verbindung.
  • Der Laptop führt eine Suche nach in der Nähe befindlichen Geräten durch und zeigt eine Liste der gefundenen Geräte an.
  • Wählen Sie das Gerät aus, mit dem Sie kommunizieren möchten.

Ihr Smartphone muss gekoppelt sein, um die Verbindung herzustellen. Die Software wird mit Standardeinstellungen ausgeführt, sodass Sie die Parameter nicht manuell konfigurieren müssen. Es gibt vier Parameter, die sich auf die Kommunikation auswirken: Baudrate, Datenbitauswahl (Framing), Start-Stopp-Bit und Parität.

Regeln der seriellen Kommunikation

Regeln der seriellen Kommunikation

Wie hoch ist die Baudrate?

Die Baudrate bezieht sich auf die Übertragungsgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger. Es wird in Bits pro Sekunde ausgedrückt. Einige häufig verwendete Baudraten sind 1200, 2400, 4800, 9600 und 57600.

Sowohl Sender als auch Empfänger müssen auf die gleiche Baudrate eingestellt sein. In diesem Fall handelt es sich um Ihren Laptop und Ihr Mobilgerät.

Hinweis: Eine höhere Baudrate führt zu einer schnelleren Datenübertragung.

Sie könnten erwägen, 115200 Baud als Grenze zu verwenden, um die Möglichkeit zu minimieren, dass der Empfänger nicht mit höheren Frequenzen umgehen kann.

Framing

Das Framing gibt die Anzahl der Datenbits an, die vom Host-Gerät gesendet werden. Bei den meisten Geräten sind 8 Bit die bevorzugte Zahl. Sobald die Anzahl der Bits festgelegt ist, muss auch die Art der verwendeten Endianität angegeben werden.

Synchronisation

Synchronisationsbits werden verwendet, um den Beginn und das Ende einer Datenübertragung zu identifizieren. Ein Startbit und 1 oder 2 Stoppbits werden zum ursprünglichen Datenrahmen hinzugefügt. So wird die asynchrone Datenübertragung realisiert.

Fehlerkontrolle

Die Fehlerkontrolle ist wichtig, um Datenbeschädigungen vorzubeugen, die aufgrund von Störungen auftreten können, die auf den Empfänger einwirken. Das Überprüfen der Parität ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Ausgabe stabil ist.

Die Parität kann auf gerade oder ungerade eingestellt werden. Es basiert auf der Anzahl der übertragenen Einsen. Die Parität ist gerade und das Paritätsbit wird auf eins gesetzt, wenn eine gerade Anzahl von Einsen gesendet wurde. Das Paritätsbit wird auf Null gesetzt, wenn eine ungerade Anzahl von Einsen übertragen wird.

Fazit

Die serielle Kommunikation ist ein kritisches Konzept, das in vielen Bereichen der Elektronik und eingebetteten Systeme implementiert wird. Für Anwendungen muss ein gültiges serielles Protokoll ausgewählt werden, um einen ordnungsgemäßen Wechselkurs zu gewährleisten, wenn zwei Geräte denselben Bus verwenden.

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