RS-232

RS-232
Stecker 9-polig Sub-D
Buchse 9-polig Sub-D

RS-232 ist ein Standard für eine bei Computern oft vorhandene serielle Schnittstelle, die in den frühen 1960ern von einem US-amerikanischen Standardisierungskomitee eingeführt wurde.

Inhaltsverzeichnis

Anwendung

Mainframes und Text-Terminals wurden früher unter Zuhilfenahme von Modems durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über die Telefonleitung ähnlich wie Fernschreiber zusammengeschlossen. Die Übertragung der Daten bei beiden Systemen erfolgte sequenziell. Durch den ursprünglichen Verwendungszweck bedingt weist die Schnittstelle einige Unsymmetrien bei der Definition der Steuer-Leitungen auf, die bei den später üblich gewordenen Anwendungen in völlig anderen Bereichen zu Verschaltungsproblemen führen können.

Amerikanische Norm

Die aktuelle amerikanische Version heißt offiziell (ANSI EIA/) TIA-232-F und ist aus dem Jahr 1997.[1] Die in den USA und Europa übliche 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 den Abschnitt Kennzeichnung von Standards bei EIA – Electronic Industries Alliance.

Definition

Prinzipskizze zur Verbindung zweier PCs mittels Modem über das Telefonnetz:
EIA-232-Verbindungen werden hierbei jeweils zwischen PC und Modem eingesetzt
Verbindung zweier Datenstationen (Beschriftung in deutscher Terminologie)

EIA-232 definiert die Verbindung zwischen dem Terminal (Datenendeinrichtung (DEE), engl. data terminal equipment (DTE)) und dem Modem (Datenübertragungseinrichtung (DÜE), engl. data communication equipment (DCE)), 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.

  • Die Übertragung erfolgt in Wörtern. Ein Wort entspricht dabei je nach Konfiguration fünf bis neun 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, diese sind im RS232-Standard jedoch nicht definiert. Üblich ist daher, sieben bzw. acht Datenbits zu übertragen. Jedoch ist beispielsweise auch (nach Anpassung der Signalpegel) die Verarbeitung des 5-bit-Fernschreib-Codes möglich.
  • 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 Mikrocontroller 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, es existiert also kein gemeinsamer Takt. Jeder Teilnehmer kann bei freier Leitung, zu jedem beliebigen Zeitpunkt, vollständige Datenwörter übertragen. Die Synchronisation in der Übertragung erfolgt durch den Empfänger als sogenannte Wortsynchronisation, also am Anfang durch die Signalflanke des Startbits.
    Die Synchronisation des Empfängers geschieht mit dem Start der Übertragung auf der Datenleitung, da das Stopp-Bit bzw. der Ruhezustand auf der Leitung den inversen Pegel zum Start-Bit aufweist. Der Empfänger synchronisiert sich so in die Mitte der einzelnen Datenbits und tastet die folgenden Bits des Datenwortes mit seiner eigenen Bitrate ab.
    Damit das funktioniert, dürfen die Bitraten von Sender und Empfänger nur einige Prozent voneinander abweichen. Jedes übertragene Wort muss somit von einem Startbit (logischer Wert 0) eingeleitet und mit mindestens einem Stopp-Bit (logischer Wert 1) abgeschlossen werden. Das Stopp-Bit ist kein Bit im eigentlichen Sinne, sondern bezeichnet die Mindestlänge der Pause bzw. des Ruhezustands. Daher können zwischen zwei Wörtern beliebig viele Stopp-Bits vorliegen, auch nichtganzzahlige Werte wie 1,5 Stopp-Bits. Damit ist gemeint, dass die Mindestdauer der Pause der Zeitdauer von 1,5 Bitzellen entspricht. Der Grund liegt darin, dass manche UARTs zwischen den Empfang zweier Wörter eine etwas längere Pause von mehr als einer Bitdauer benötigen.
    Zwischen Start- und Stopp-Bit(s) werden die eigentlichen Nutzdaten (Datenbits) 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 V und −15 V (ANSI/EIA/TIA-232-F-1997) eine logische Eins und eine Spannung zwischen +3 V und +15 V eine logische Null darstellt. Signalpegel zwischen −3 V und +3 V gelten als undefiniert.
    Bei den Steuerleitungen (DCD, DTR, DSR, RTS, CTS und RI) wird der aktive Zustand durch eine Spannung zwischen +3 V und +15 V dargestellt, der inaktive Zustand durch eine Spannung zwischen −3 V und −15 V. Zu beachten ist jedoch, dass die hier angegebenen (und mehrheitlich benutzten) Bezeichnungen für die Steuerleitungen im Original-Standard so nicht vorkommen. Dort sind lediglich gewisse Schaltungen beschrieben, die diesen Bezeichnungen zwar zugeordnet werden können, im Standard aber anders benannt sind.
    Die oben angegebenen Spannungen beziehen sich auf die Empfänger (Eingänge). Bei den Sendern (Ausgänge) muss die Spannung mindestens +5 V bzw. −5 V an einer Last von 3…7 kΩ betragen, um genügend Störabstand zu gewährleisten. Üblich ist die Verwendung von +12 V und −12 V.
  • Als Steckverbindung wurden nach der ursprünglichen Norm 25-polige D-Sub-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 D-Sub-Stecker und Buchsen etabliert, welche häufig DB-9 genannt werden oder korrekter DE-9. Diese waren beim IBM PC/AT ursprünglich als reine Notlösung zum Platzsparen eingeführt worden (damals ging es darum, den Stecker zusammen mit einer ebenfalls verkleinerten Centronics-Schnittstelle auf einer Steckkarte unterzubringen). Der 9-polige Stecker ist daher auch nicht in der RS-232-Norm zu finden, sondern im Standard EIA/TIA-574. Für die EIA-232-Datenübertragung werden selten auch noch andere Konnektoren benutzt wie z. B. Modular 8P8C (unkorrekterweise oft als RJ-45 bezeichnet, spezifiziert in EIA/TIA 561) oder komplett firmenspezifische.
  • Zur Vermeidung von Datenverlusten muss der Empfänger die Datenübertragung anhalten können, wenn keine weiteren Daten mehr verarbeitet werden können. Dieser sogenannte Handshake kann auf zwei Arten realisiert werden, entweder softwareseitig über bestimmte Steuercodes oder über spezielle Leitungen (Hardware-Handshake).
    • Beim Software-Handshake sendet der Empfänger zur Steuerung des Datenflusses spezielle Zeichen an den Sender. Entsprechend werden für die Datenübertragung lediglich drei Leitungen (RxD, TxD und Gnd) benötigt, aber diese Art Handshake ist nur dann möglich, wenn die beiden Steuercodes in den Nutzdaten nicht vorkommen. Beim Xon/Xoff-Protokoll sendet der Empfänger zur Steuerung des Datenflusses spezielle Zeichen an den Sender (Xon = 11h und Xoff = 13h).
    • Beim Hardware-Handshake signalisieren sich die beiden Geräte über zusätzliche Steuerleitungen ihren jeweiligen Status. Ein Minimal-Interface mit Hardware-Handshake besteht beispielsweise aus fünf Leitungen (TxD, RxD, GND, RTS und CTS).
  • Grundsätzlich ist eine Vollduplex-Verbindungen möglich, da für Sendung und Empfang getrennte Datenleitungen zur Verfügung stehen.
  • Im Standard ist auch eine 25-polige Variante mit zwei unabhängigen Datenkanälen (jeweils mit Sende- und Empfangsleitungen) spezifiziert, die in der Praxis jedoch sehr selten anzutreffen ist.
  • Spezielle Bitraten oder Paritätsverfahren sind im Standard nicht festgelegt.

Datenrahmen und Timing

EIA-232-Datenrahmen
Übliche Bitraten
Bitrate (bit/s) Bitdauer
50 20,0 ms
110 9,09 ms
150 6,67 ms
300 3,33 ms
1.200 833 µs
2.400 417 µs
4.800 208 µs
9.600 104 µs
19.200 52,1 µs
38.400 26,0 µs
57.600 17,4 µs
115.200 8,68 µs
230.400 4,34 µs
460.800 2,17 µs
500.000 2,00 µs

Der Standard legt keine Geschwindigkeiten fest, obwohl erwähnt wird, dass er für Übertragungsraten bis 20.000 bit/s gedacht ist. Übliche Bausteine unterstützen aber Übertragungsraten von 115,2 kbit/s und mehr.

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) Dauer der jeweiligen Bits hängt von der eingestellten Bitrate ab, welche bei der EIA-232 gleich der Baudrate ist.

Darauf folgen 5 bis 8 Datenbits (Nutzdaten). Angefangen wird mit dem LSB (least 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 no parity. Weiterhin kann das Paritätsbit immer gesetzt („M“ wie mark parity) oder immer gelöscht („S“ wie space parity) sein. 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, no 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 Bit/s für die Nutzdaten ein Maximaldurchsatz von 92.160 Bit/s (=115.200×8/10 Bit/s) ergibt.

Um ein definiertes Übertragungsverhalten zu erreichen, schreibt die Norm eine maximale Flankensteilheit am Sender und eine (von der Bitrate abhängige) minimale Flankensteilheit im Übergangsbereich −3 V … 3 V am Empfänger vor.

Leitungslänge und Übertragungsrate

Ersatzschaltbild Kabel (längshomogene Leitung)
Maximalwerte
max. Baud max. Länge
2.400 900 m
4.800 300 m
9.600 152 m
19.200 15 m
57.600 5 m
115.200 <2 m

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 Leitungsreflexionen. Mit zunehmender Übertragungsrate und Kabellänge stören die Reflexionen immer mehr die Datenübertragung. Die Norm verlangt, dass die Flankensteilheit am Sender den Wert 30 V/µs nicht überschreiten darf, womit die Auswirkung der Reflexionen begrenzt werden. Empfängerseitig wird durch einen Schmitt-Trigger wieder ein Rechtecksignal mit sehr hoher Flankensteilheit hergestellt.

Ein weiterer Aspekt ist, dass die Signalübertragung nicht differentiell, sondern asymmetrisch (single-ended bzw. unbalanced) erfolgt. Das zu übertragende Signal beinhaltet einen Gleichspannungsanteil und ist deshalb relativ empfindlich auf Gleichtaktstörungen. Solche Störungen können z. B. durch induktive Einkopplung in die Schleife RxD-Gnd entstehen. 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 nebenstehende Tabelle gibt Erfahrungswerte von Texas Instruments wieder.

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

Verkabelung und Stecker

Pinbelegung des DE-9-Steckers (9-pol., male), wie er normalerweise am DTE vorhanden ist
Pinbelegung der DE-9-Buchse (9-pol., female), wie sie normalerweise am DCE vorhanden ist

Um zwei Geräte über die serielle Schnittstelle zu verbinden, müssen die „hörenden“ mit den „sprechenden“ Leitungen verbunden werden. Bei Terminals bzw. Rechnern (DTE – data terminal equipment) sind „sprechende“ Leitungen TxD, RTS und DTR, „hörende“ Leitungen sind RxD, CTS, DSR, DCD und RI. Bei Modems (DCE – data circuit-terminating equipment) ist es genau umgekehrt; es gibt die vom Terminal „gesprochenen“ Signale an die Gegenseite weiter und muss daher auf diese „hören“, andersherum werden die von der Gegenseite „gehörten“ Signale zum Terminal „weitergesagt“.

  • Handelt es sich um eine Verbindung von Terminal bzw. Rechner (DTE) (meistens mit Stecker) zu einem Modem (DCE) (meistens mit Buchse), ist ein 1:1-Kabel nötig.
  • Handelt es sich dagegen um eine Verbindung zweier Geräte gleichen Typs (z. B. zweier PCs), so sind die Leitungen zu kreuzen. Ein solches Kabel nennt man Nullmodem-Kabel, da kein Modem (also 0 Modem) eingesetzt wird. Aufgrund des unsymmetrisch definierten Satzes von Steuersignalen und deren zum Teil recht freizügiger Verwendung gibt es jedoch nicht DAS gekreuzte Kabel schlechthin, das immer funktioniert. Ein Kabelende, das für den Anschluss an ein DTE-Gerät ausgelegt ist, kann evtl. an einem DCE-Gerät einen Kurzschluss verursachen (der im Normalfall laut V.28-Spezifikation keinen Hardware-Schaden nach sich ziehen darf, aber in der Praxis bereits vorgekommen ist).
  • 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. Falls auch die Steuerleitungen "geloopt" werden, ist auch hier zu beachten, dass je nach Typ des Gerätes (DTE oder DCE) die Steuersignale DCD und RI jeweils beide entweder Eingang oder Ausgang sind und keinen eindeutig vordefinierten "Gegenüber" haben. Sie müssen daher geeignet verschaltet werden, damit keine Kurzschlüsse zwischen Ausgängen oder undefinierte Eingangspegel entstehen.

Die praktische Identifizierung von DTE- und DCE-Geräten ist durch Messung des Ruhepegels (Spannung zwischen GND und TxD bzw. RxD, unterschiedliche Belegung 9- und 25-poliger Kabel beachten) möglich. Manche modernen Geräte erkennen unbeschaltete Anschlüsse und schalten zwecks Energieeinsparung die Ausgangstreiber ab. In diesem Fall muss den vermutlichen Ausgängen durch einen geeigneten Widerstand zwischen Signalanschluss und GND ein angeschlossenes Gegenüber vorgegaukelt werden.

Messung
zwischen
DTE DCE
GND und TxD −3 … −15 V ca. 0 V
GND und RxD ca. 0 V −3 … −15 V

Die Namen und Beschreibungen der wichtigsten Signalleitungen orientieren sich an der ursprünglichen Verwendung der Schnittstelle. Mit „Gegenstelle“ ist in dieser Tabelle nicht die Gegenseite (beim klassischen Verwendungszweck diejenige am anderen Ende der Telefonleitung) gemeint, sondern der lokale Partner des DTE (also im klassischen Fall ein DCE (Modem)). WICHTIG: Die Leitungsbezeichnungen sind sowohl bei DTE (PC) als auch bei DCE (Modem) die gleichen und aus der Sicht des DTE formuliert, aber die Eigenschaft des Anschlusses (Eingang bzw. Ausgang) ist natürlich jeweils unterschiedlich!

Abkürzung Name Beschreibung Pin-Nr.
25-pol.
Pin-Nr.
9-pol.
Richtung beim DTE (z. B. PC) Richtung beim DCE (z. B. Modem)
Common Ground Gemeinsame Abschirmmasse (nicht Datenmasse) 1
TxD, TX, TD Transmit Data Leitung für ausgehende (von DTE gesendete) Daten (negative Logik). 2 3 Ausgang Eingang
RxD, RX, RD Receive Data Leitung für eingehende (von DTE zu empfangende) Daten (negative Logik). 3 2 Eingang Ausgang
RTS Request to Send „Sendeanforderung“; Ein High-Pegel an diesem Ausgang signalisiert, dass DTE Daten senden möchte 4 7 Ausgang Eingang
CTS Clear to Send „Sendeerlaubnis“; Ein High-Pegel an diesem Eingang ist ein Signal der Gegenstelle, dass sie Daten von DTE entgegennehmen kann 5 8 Eingang Ausgang
DSR Data Set Ready Ein High-Pegel an diesem Eingang ist ein Signal der Gegenstelle, dass sie im Prinzip einsatzbereit ist (aber nicht notwendigerweise auch empfangsbereit, siehe CTS) 6 6 Eingang Ausgang
GND Ground Signalmasse. Die Signalspannungen werden gegen diese Leitung gemessen. 7 5
DCD, CD, RLSD (Data) Carrier Detect Mit einem High-Pegel an diesem Eingang signalisiert die Gegenstelle, dass sie einlaufende Daten auf der Leitung erkennt (dem Namen nach ist das die Modulationsträger-Erkennung) und an DTE weitergeben möchte 8 1 Eingang Ausgang
DTR Data Terminal Ready Mit einem High-Pegel an diesem Ausgang signalisiert DTE seine Betriebsbereitschaft an die Gegenstelle. Damit kann die Gegenstelle, z. B. ein Modem, aktiviert oder auch zurückgesetzt werden. Üblicherweise antwortet die Gegenstelle mit einem High-Pegel auf DSR 20 4 Ausgang Eingang
RI Ring Indicator Ein High-Pegel an diesem Eingang signalisiert dem DTE-Gerät, dass ein Anruf ankommt, d.h. dass jemand eine Datenverbindung aufzubauen wünscht, („ring“ ist engl. für „klingeln“; besonders bei Telefonen und im übertragenen Sinne auch bei Modems). Siehe auch: Rufton. 22 9 Eingang Ausgang

Weitere Standards

Farbkennung der Leitungen

Pin Farbe
1 braun
2 rot
3 orange
4 gelb
5 grün
6 blau
7 violett
8 grau
9 schwarz

Konverter-Stecker RS 232 nach RJ 45 (dieser Stecker kommt häufig bei Netzwerk-Komponenten wie Switches, Routern oder Firewalls vor):

Pin Sub-D RJ 45 (Standard-Farbe TP-Kabel)
1 unbelegt
2 6 (grün)
3 3 (grün-weiß)
4 2 (orange)
5 4 (blau)
6 7 (braun-weiß)
7 1 (orange-weiß)
8 8 (braun)
9 unbelegt
  • 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.

Literatur

  • Burkhard Kainka: Messen, Steuern, Regeln über die RS 232-Schnittstelle, m. CD-ROM. 7. Auflage. Franzis Verlag, 1997, ISBN 978-3-7723-6058-9.
  • Joe Campbell: V 24 / RS-232 Kommunikation. (6313 736). 4. Auflage. Sybex-Verlag GmbH, 1984, ISBN 978-3-8874-5075-5.

Quellen

  1. Document bei TIA

Weblinks


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