DE2249725C3 - Serielle Schnittstelle für Datenein- und -ausgabegeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine einen Modulator und einen Demodulator enthaltende serielle Schnittstelle für Datenein- und -ausgabegeräte mit getakteter, vorzugsweise biockweiser Datenübertragung, bei der die Verbindung zu den Geräten mit Befehlszeichen aufgebaut und ihr Zustand an eine Steuereinheit zürückgemeldet wird.

Es hat sich gezeigt, daß es insbesondere die Anzahl der Leitungen ist, die die Anschlußkosten einer Schnittstelle stark beeinflußt, Dabei fallen bei kurzen Verbindungen die reinen Kabelkosten nicht einmal Stark ins Gewicht Entscheidend ist, daß jede Leitung über eine Steckverbindung angeschlossen und sowohl im Gerät als auch in der Steuereinheit geeignete ί Schaltkreise zur Leitungsanpassung vorhanden sein müssen. Stecker einschließlich der Anschlußkosten sind teuer, reparaturanfällig und mit lohnintensiver Arbeit verbunden; die Schaltkreise müssen auf entsprechenden Printplatten untergebracht werden (Adapterkarten,

in Verteilerkarten), an die die Anschlußleitunfe-sn der Schnittstelle führen.

Man war bestrebt, diese Nachteile der parallelen Schnittstelle, die in der umständlichen konstruktiven Realisierbarkeit liegen, zu vermeiden, z. B. durch die

H serielle Datenübertragung, möglichst über eine einzige Leitung.

Ein bekanntes serielles Übertragungsverfahren arbeitet synchron und basiert entweder auf dem ISO-7-Bit-Code oder auf codetransparenter Datenübertragung.

Codetransparenz ist auch eine der wesentlichen Eigenschaften, die von einer seriellen Schnittstelle für Ein-Ausgabegeräte gefordert werden. Das Grundproblem jeder codetransparenten Übertragung, nämlich das Erkennen des Textendes durch ein nicht im

2ϊ Codevorrat vorhandenes Zeichen, was ein Widerspruch in sich selbst ist, kann jedoch beispielsweise nur durch das Einfügen von einzelnen Bits in den Datenstrom erzielt werden, so dsß eine Datenquelle, die ausschließlich einen isochronen Bitstrom liefern kann, nicht

in unmittelbar an eine solche Übertragungsstrecke angeschlossen werden kann. Derartige Datenquellen können jedoch typische Ein-Ausgabegeräte sein, z. B. Magnetbandkassette, Plattenspeicher, elektrostatischer Drukker, dynamischer Umlaufspeicher als Gerätepuffer.

)"> Die synchrone Datenübertragung ist außerdem an eine festgelegte Transferrate gebunden und- kann sich nicht an einen vom Ein-Ausgabegerät geforderten Takt anpassen. Ein anderes bekanntes Verfahren, das sich wenigstens an den Eigentakt der Datenquelle anpassen

•w kann, ist die asynchrone Datenübertragung.

Da bei diesen Verfahren zwischen den einzelnen Datenzeichen stets Steuerinformationen übertragen werden müssen, ist ein isochroner Datenverkehr nur zeichenweise möglich, und zwar mit höherer Transfer-

« rate, als für die Übertragung der Daten nötig wäre.

Die geforderte Übertragungsrate bei den heute angebotenen Ein-Ausgabegeräten, insbesondere bei Plattenspeichern selbst einfacher Ausführung, steigt jedoch weiter an. Daher muß für eine leistungsfähige

¹M) serielle Schnittstelie gefordert werden, daß sie die Leistungsfähigkeit der Übertragungsstrecke voll ausnutzt, also die Datenübertragung ohne Redundanz ausführt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine leistungsfähi-

r> ge serielle Schnittstelle zu schaffen, mit der die Datenübertragung ohne Redundanz erfolgen und die Übertragungsrate auch vom Eigentakt der Datensenke bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß bei

w) getrennten Daten- und Taktleitungen Schrittpaare aus jeweils gerader und ungerader Parität der Signale auf den beiden Leitungen gebildet werden, indem der Takt mit den Daten derart moduliert ist, daß das Signal auf der Taktleitung bei ungerader Parität dem invertierten

b"» Datensignal entspricht Und bei gerader Parität gleich dem Datensignal ist und daß aus einer Folge von Signalen ausschließlich gerader Paritäten eine die Datenblöcke umrahmende Signalfolge abgeleitet ist, die

im Demodulator von den Daten getrennt wird.

Abgesehen von dem verhältnismäßig geringen Aufwand und der größeren Flexibilität hinsichtlich der Geräteanschlüsse Hegt ein besonderer Vorteil in der Codetransparenz der Daten, die ohne jede Einschrän- '· kung ist, wenn die Bitanzahl des Datenstromes geradzahlig und die Geschwindigkeitstransparenz bis zur maximalen Übertragungsrate voll gegeben ist Ferner kann die Taktung sowohl von der Steuereinheit bei Geräten nhne Eigentakt als auch von den ι» angeschlossenen oder angewählten Geräten mit dem Eigentakt des Gerätes ermöglicht werden. Die Daten werden seriell, aber in der Ursprungsform übertragen und bei der Modulation wird der Datencode nicht verändert ι ί

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar. Es zeigt

Fig. 1 eine Kanalkonfiguration zwischen einer Steuereinheit und angeschlossenen Geräten,

Fig.2a-d ein Impulsschema zur Erläuterung des in Modulatormechanismus,

F i g. 3 ein Blockschaltbild einer Übertragungseinrichtung,

F i g. 4 und 5 Impulsdiagramme,

F i g. 6 ein Blockschaltbild eines Modulators, -'ϊ

F i g. 7 ein Blockschaltbild eines Demodulators,

Fig.8 ein Diagramm für ein Prozedurbeispiel zur Abfrage von Geräten,

Fig.9 ein Diagramm für ein Prozedurbeispiel zur Befehlsausgabe. sn

Nach F i g. 1 läßt sich mit der seriellen Schnittstelle Cs eine Kanalkonfiguration realisieren, wobei bis zu 16 Ein-Ausgabegeräte _y\ ie, über einen Adapter AD der Steuereinheit X angeschlossen werden können. Es handelt sich um ein BUS-Leitungssyslem. Ein Stern-Sy- <"> stern läßt sich als Subsystem des BUS-Systems auffassen, nämlich als Anschluß eines einzigen Gerätes Y. Das Schnittstellenkabel K, welches ein handelsübliches Telefonkabel sein kann, wird in der dargestellten Weise von Gerät y, zu Gerät yi usw. verlegt. Die jeweils 4u freien Steckverbindungen St der letzten Geräte dieser Kette werden mit Steckern versehen., die Leitungs-Abschlußwiderstände enthalten.

In der Steuereinheit X wird am Eingang von geeigneten Adaptern /!Deine parallele Schnittstelle Cp r> zur Verfügung gestellt. Diese Schnittstelle bildet praktisch Hen Anschluß des Speiche. ^-s in der Steuereinheit X. Sie ist definiert nach den Anforderungen, die sich innerhalb von Steuereinheiten oder Flechnern ergeben. Auf der Schnittstelle Cs wird vorzugsweise blockweise ><i Datenübertragung abg .'wickelt Die: Verbindung zu einem Gerät Vi... wird mit Befehlszeichen auf- und abgebaut die Geräte melden ihren Status an die Steuereinheit X zurück. Ein Übertragungsfehler bewirkt im allgemeinen die Wiederholung des zuvor übertrage- r> nen Datenblocks.

Die Forderung der Geschwindigkeitstranspareiiz, d. h. einer beliebigen Übertragungsrate bis zum Maximalwert, läßt sich nur in einem getakteten Übertragungssystem in einfacher Weise verwirklichen, wi Für den Modulationsmechanismus zeigen F i g. 2a-d Impulsdiagramme auf zwei Leitungen, der Datenleitung D und der Taktleitung T, die beispielsweise von A^nach yführen.

Wenn sich an den Übergangszeitplinkten des Taktes ei der logische Zustand der Daten ändert, kann die Information über den Beginn eines neuen Taktschrittes aus den Daten entnommen werdeiti. Der Takt wird daher entsprechend F i g. 2b moduliert Unte.r Beibehaltung der ursprünglichen Datencodierung entstehen sehr einfache Kriterien für die Taktrückgewinnung aus den beiden Signalen auf den Leitungen D und T, und zwar Schrittpaare, die abwechselnd ungerade (U) und gerade (G) Parität der Signale beider Leitungen aufweisen.

Bei der Modulation wird sehr einfach verfahren: Der Datenstrom wird in Schrittpaare aufgeteilt, die dann in das L/-G-Muster umgewandelt werden. Dabei gibt es 2²=4 verschiedene Schrittpaare (2-Bit-Elemente), wie F i g. 2c zeigt Der Takt Tentsteht im Abschnitt t/durch Invertieren des Datensignals, im Abschnitt G ist er gleich dem Datensignal.

Bei dieser Modulationsart treten die Abschnitte G niemals unmittelbar nacheinander auf. Diese Folge kann jedoch benutzt werden, um eine Information zu übertragen, die unabhängig von jedem beliebigen Datencode, z. B. das Ende eines transparenten Datenstromes kennzeichnet (F i g. 2d). Diese* so erzeugte Signal wird mit Rahmen bezeichnet

Ein Blockschaltbild der Übertragungseinrichtung ist in Fig.3 dargestellt Für jede ÜL·. rtragungsrichtung steht ein Übertragungsweg zur Verfügung, der aus einem Modulator MOD, 2 Leitungstreibern LTi, 172, einer Übertragungsleitung (BUS), 2 Leitungsempfängern LVu LVi und einem Demodulator DÄMbesteht

F i g. i zeigt das Impulsdiagramm an den Eingängen des Modulatorb und den Ausgängen des Demodulators.

Der Modulator MOD liefert Rahmenbits an die Übertragungsleitungen DFX (DFY) und TFX (TFY), solange der Rahmentakt auf FT₁ an seinem Eingang anliegt, der Demodulator DEM erzeugt daraus wieder den Rahmentakt FT₂. Sobald der Modulator MOD Daten und Datentakt an den Anschlüssen von DTi und D\ erhält, erzeugt er entsprechend £/-G-Schrittpaare auf den entsprechenden Leitungen, die im Demodulator in die ursprünglichen Signale (DTi und Di) zurückgewandelt werden.

Im einzelnen zeigt F i g. 5 ein Impulsdiagramm für den Übertragungsmechanismus, während detaiiiiertere Schaltpläne für den Modulator und Demodulator in den F i g. 6 und 7 angegeben sind.

Uer Modulator besteht im wesentlichen aus den logischen Schaltungen L\ und Li, sowie den Kippstufen Fi und Fi, denen die Daten auf D\, die Datentakte auf DT\ und die Rahmentakte auf FTi zugeleitet werden und von denen auf der Leitung ©die verknüpften Signale in der Form

DT, ■ D₁ + DT: ■ D₁

und auf Leitung©die verknüpften Signale in der Form F(E- FT, +E- FTi)

abgeleitet werden, die über die Gatter G\ bis Gt in entsprechend ungewandelter Form abgegeben werden. Die Kippstufe F₂ speichert den Signalzustand des letzten Bits eines üatenabschnittes, gesteuert durch den 0— 1 -Übergang des ersten Rahmentaktes FTi.

Der Demodulator besteht aus den logischen Schaltungen L] und Li. an die Kippstufen Fi bzw. Ft angeschlossen sind. Ferner ist noch eine Kippstufe B₂ vorgesehen. Die Signalbezeichnungen in F i g. 5 sind den Leitungen in den Fig.3, 6, 7 zugeordnet. Irrt einzelnen werden von den logischen Schaltungen Lj, L·, auf deii Leitungen ©bis ©Signalverknüpfungen von der Form

©= DF- TF-jDF- TF
©= DF- TF+ DF- TF

® = DT₂ (B₂-DF- TFJrB₁ ■ DF ■ TF)
©« B₁ · BF- TF+lh - W- TF

abgeleitet.

In Fig.5 werden drei Abschnitte gezeigt, in denen '> Daten übertragen werden. Diese Abschnitte sind in Rahmen-Abüchnitten eingerahmt

Jeder Datenabschnitt endet entweder mit der Codierung 0/0 oder 1/1 auf den Übertragungsleitungen DFX/TFX. Dementsprechend niuß der darauffolgende ι» Rahmenabschnitt mit der Codierung 1/1 oder 0/0 beginnen. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal der bistabilen Kippstufe B₁ (F i g. 7), deren Stellung von der letzten Datenbitcodierung abhängt, muß der Demodulator den Rahmentakt entsprechend rückgewinnen. Das i^r> Signal auf FT₁ wird, wie in F i g. 5 angedeutet, entweder aus der Codierung 0/0 oder l/l auf Leitung DFX/TFX erzeugt. Οίε Stellung der bistabilen Kippstufe B^ bleib! bis zum nächsten Datenabschnitt erhalten und bestimmt die richtige Phasenlage von den Signalen auf FT₁ zu 2« denen auf DT₂.

Der zuletzt in Fig.5 dargestellte Datenabschnitt weicht von dieser Regel ab. Hier wurde angenommen, daß die bistabile Kippstufe B₁ in der falschen Stellung steht, entweder aufgrund einer Störung oder weil das 2^r> entsprechende Gerät erst im Rahmenabschnitt vor dem letzten Datenabschnitt eingeschaltet wurde und es deshalb keine Kenntnis von der Vorgeschichte auf den Leitungen DFX, TFX haben kann. Es ist jedoch ersichtlich, daß das erste D^'-Signal synchronisierend i" wirkt und sofort die richtige Phasenlage herstellt (siehe Fig-7).

Die vom Demodulator gelieferten Taktsignale werden in einer Tiefpaßschaltung verzögert (ca. '/2 Zeichenlänge). Auf diese Weise werden Verzerrungen η und Laufzeitunterschiede zwischen den Signalen auf den Leitungen D und T, die beispielsweise durch unterschiedliche Schaltzeiten der Leitungstreiber und Leitungsempfänger auftreten, unterdrückt Außerdem werden empfangene Störsignale weitgehend unter- ·«· drückt Die verzögerten Taktsignale liegen mit ihren Flanken in der Mitte des Datensignals auf DF (X, Y). Das Datensignal auf DF(X, Y) wird von einer bistabilen Schaltung L5 übernommen, die abwechselnd mit den Taktflanken der Signale auf DT₁ und DT₁ aktiviert wird. *s An ihrem Ausgang wird auf diese Weise das Signal DZ erzeugt.

Bei diesem Verfahren ist die Übertragung von Daten fehlerfrei, wenn die Paritätsverhältnisse der Signale auf den beiden Leiiungen entsprechend dem Datentakt w regelmäßig wechseln. Eine Störung dieser Regelmäßigkeit beispielsweise durch zu große Laufzeitunterschiede der beiden Signale, führt entweder dazu, daß im Demodulator innerhalb eines Datenabschnittes Rahmentakte FT₁ rückgewonnen werden, worauf die « Übertragung sofort abgebrochen werden kann, oder aber dazu, daß Datentakte DTausgelassen werden.

Da am Empfangsort im allgemeinen ein modulo-n-Zähler die Anzahl der übertragenen Bits zählt steht dieser Zähler am Ende der Übertragung nicht in der mi NuIIage, wenn Datentakte ausgelassen werden, wodurch ein Übertragungsfehler erkannt werden kann.

Aus F i g. 3 und 7 ist ersichtlich, daß jedes Gerät das an der Schnittstelle Cs betrieben wird, mit der Modulator- und Demodulatorschaltung ausgerüstet ist *■> Die jeweilige Schnitt-Adapter-Schaltung AD kann in den einzelnen Geräten unterschiedlich aufgebaut sein. Sie wird z. B. bei seriell arbeitenden Geräten anders aufgebaut sein als bei parallel organisierten.

In Fig.8 ist eine mögliche Routine der Übertragungsprozedur für die Abfrage eines Gerätes dargestellt. Ifi diesem Beispiel ist der Ablauf angegeben, der bei den Befehlen IPS (Primärzustandsabfrage), ISS (Sekundärzustandsabfrage), XR (selektives Rückstellen), ED (Ende der Blockübertragung mit positiver Bestätigung) und SU (Ende der Blockübertragung mit negativer Bestätigung) entsteht Diese Befehle haben keine Datenübertragung zur Folge. Sie werden vom ausgewählten oder selektierten Gerät mit dem primären Gerätezustand beantwortet. An Vereinbarungen ist hier getroffen worden, daß ein Befehlszeichen in den 8-Daten-Bit kodiert ist, die unmittelbar auf das letzte Rahmen-Bit folgen, und zwar so, daß die ersten 4 Bits nach dem letzten Rahmenbit die Geräteadresse, die Bits 5 bis 8 den Befehlscode enthalten, während ein Zustand ίί; den S DstsR-Sii kodiert ist ilie unmittelbar ^au^ da^c letzte Rahmen-Bit folgen.

Aus Fig.8 ist ersichtlich, daß die Steuereinheit X, sofern sie betriebsbereit ist entweder Rahmen- oder Datenbits sendet, und zwar mit der maximalen Übertragungsrate des Kanals. Ruhe auf den Leitungen von X für eine längere Zeit (z.B. > 100ms) bedeutet, daß X nicht betriebsbereit ist Diese Information kann auch zum Rücksetzen der Geräte verwendet werden.

Die ί iitungen von Vsind zu Beginn im unselektierten Zustand, da alle Geräte ihre Leitungstreiber ausgeschaltet haben. Alle Geräte empfangen jedoch die Signale auf den Leitungen von X.

Sobald ein Gerät seine Adresse richtig erkannt hat, schaltet es seine Leitungstreiber ein und sendet Rahmenbits nach X. X hat zuvor seine beiden Leitungsempfänger an DFYund TFVaktiviert Solange kein Gerät Y eingeschaltet ist sind die Leitungen Y in einem Undefinierten Zustand, in dem durch Störungen Signale vorgetäuscht werden können. Durch geeignete Schwellwertschaltmittel am Eingang der Leitungsempfänger in der Steuereinheit X und dadurch, daß jede Information, die von einem selektierten Gerät Y gesendet wird, mit einer vereinbarten Folge von Signalen beginnt z. B. mit 4 Rahmenbits, kann ein hinreichender Schutz gegen Fehlselektionen von Geräten erzielt werden.

Während der Übertragung von Y nach X wird ein Quittungsverfahren aufrechterhalten. V/enn sich das adressierte Gerät nicht meldet weil es beispielsweise abgeschaltet ist bewirkt dieses Verfahren ein Anhalten in der Befehlsübertragung nach wenigen Schritten (siehe F ig. 8).

Bei einem 2-Bit-Quittungsverfahren fordert ein von der sendenden Einheit geliefertes Schrittpaar von der empfangenen Einheit ebenfalls ein solches Schrittpaar zurück, ehe von der sendenden Einheit erneut ein weiteres Schrittpaar geliefert wird. Um hierbei einen isochronen Impulsverlauf zu erzielen, muß der von der empfangenden Einheit zurückgesendete Impuls innerhalb der Zeitdauer des ausgesendeten Schrittpaares in der sendenden Einheit erscheinen. Durch eine geforderte maximale Übertragungsrate und die gegebenen Verzögerungszeiiten der Verstärker und Demodulatoren ist durch die Laufzeitverzögerungen in Leitungen die maximal zulässige Leitungslänge gegeben. Ein Überschreiten dieser Leitungslänge hat einen anisochronen Impuisveriauf zur Folge, was eine Herabsetzung der Übertragungsrate bewirkt Eine Steigerung der Übertragungsrate bei gegebener Leitungslänge kann durch ein Quittungsverfahren erzielt werden, das

erst nach dem Senden von 2 oder mehreren Schriltpaaren auf die Quittung der Gegenseite wartet.

Befehle, z. B. »Read« bzw. »Write«, die eine Datenübertragung einleiten, beginnen wie alle anderen Befehle (Fig.9). Sowohl die Steuereinheit X als auch das Gerät Y bleiben jedoch nach der Übertragung von Beffhl und Zustand selektiert. Das bedeutet, daß die Steuereinheit nach dem Befehl eine Anzahl von kontinuierlichen I-Bits senden muß, um das Quittungsverfahren für die Zustands- und Datenübertragung aufrechtzuerhalten.

Nach derri Empfang des Gerätezüstands kann eine Wartezeit sowohl in der Steuereinheit X als auch irri Gerät Veintreten, die aber kleiner als die Zeit sein muß

(z. B. 100 ms), die eine mangelnde Betriebsbereitschaft der Steuereinheit X kennzeichnet. Eine solche Wartezeit kann auch im Datenabschnitt an jeder beliebigen Stelle auftreten, wenn interne Vorgänge in Steuereinheit Xoder Gerät Vdas erforderlich machen.

Beide beteiligten Einheiten können die Übertragung beenden, indem sie Rahmenbits senden, was gleichzeitig anzeigt, daß die folgenden Daten von X ein Befehl, von Kein Zustand sind.

Die Codetransparenz des Datenstromes beginnt, nachdem der Zustand übertragen ist, also nach dem 8. Datenbit in beiden Riehlungen nach Rähmenbits. Sie endet, sobald eine der beteiligten Einheiten Rahmenbits sendet oder empfängt.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Eine einen Modulator und Demodulator enthaltende serielle Schnittstelle für Datenein- und -ausgabegeräte mit getakteter, bluckweiser Datenübertragung, bei der die Verbindung zu den Geräten mit Befehlszeichen aufgebaut und ihr Zustand an eine Steuereinheit zurückgemeldet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei getrennten Daten- und Taktleitungen Schrittpaare aus jeweils gerader und ungerader Parität der Signale auf den beiden Leitungen gebildet werden, indem der Takt mil den Daten derart moduliert ist, daß das Signal auf der Taktleitung bei ungerader Parität dem invertierten Datensignal entspricht und bei gerader Parität gleich dem Datensignal ist und daß aus einer Folge von Signalen ausschließlich gerader Paritäten eine die Datenblöcke umrahmende Signalfolge abgeleitet ist, die im Demodulator von den Daten getrennt wird.

2. Serieüe Schnittstelle nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Modulator eine von durch die Steuereinheit (X) über einen Adapter (AD) erzeugten Daten und Datentakten angesteuerte Logikschaltung (Lt) vorgesehen ist, deren Ausgängen Gatterstufen (Gj, Gt) in Serie angeschlossen sind, die mit einer von den Takten angesteuerten Kippstufe ^Fi) und dem Ausgang einer zweiten Logikschaltung (L₂) verbunden sind, die die Takte direkt und über die erste Kippstufe (Fi) sowie die Daten und ^ie Takte über eine 2. liippstufe (F₂) aufnimmt, und zu den Gatterstufen (G3, Gt) der Logikschaltung (L_t, L₂) parallv-i zwei hintereinander geschaltete Gatterstufen (Gi, GiS liegen, deren erste (Gt) die Daten aufnimmt, währe.-d die Ausgänge der Gatterstufen (Gi, G*) an die Daten- und Datentaktübertragungsleitungen (DF, TF) angeschlossen sind.

3. Schnittstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Demodulator eine die Daten und Datentakte aufnehmende Logikschaltung (L₃) vorgesehen ist, an die eine Kippstufe (F3) angeschlossen ist, deren Ausgänge mit einer weiteren von den Daten angesteuerten Kippstufe (Ls) verbunden ist

4. Schnittstelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Demodulator eine zweite dieDaten und die Datentakte aufnehmende Logikschaltung (La) vorgesehen ist, die außerdem von inversen Ausgängen der Kippstufe (Fi) und einer bistabilen Kippstufe (Fi) angesteuert wird und deren Ausgänge mit einer Kippstufe (F*) verbunden sind, die von inversen Ausgängen der Kippstufe (Fj) angesteuert werden und mit ihren inversen Ausgängen die bistabile Kippstufe (B₂) ansteuert