RS-232
In der Telekommunikation ist RS-232 oder Recommended Standard 232 ein 1960 eingeführter Standard für die serielle Datenübertragung. Sie definiert formal die Signale, die eine Verbindung zwischen einem DTE (Datenendgerät), wie z. B. einem Computerterminal, und einem DCE (Datenübertragungsgerät oder Datenkommunikationsgerät), wie z. B. einem Modem, herstellen. Die Norm definiert die elektrischen Eigenschaften und das Timing von Signalen, die Bedeutung von Signalen und die physikalische Größe und Belegung von Steckern. Die aktuelle Version der Norm ist TIA-232-F Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange, herausgegeben im Jahr 1997. Die RS-232-Norm wurde häufig für serielle Computeranschlüsse verwendet und ist auch in industriellen Kommunikationsgeräten noch weit verbreitet. ⓘ
Eine serielle Schnittstelle, die dem RS-232-Standard entspricht, war früher ein Standardmerkmal vieler Computertypen. Personalcomputer nutzten sie nicht nur für Verbindungen zu Modems, sondern auch zu Druckern, Computermäusen, Datenspeichern, unterbrechungsfreien Stromversorgungen und anderen Peripheriegeräten. ⓘ
Im Vergleich zu späteren Schnittstellen wie RS-422, RS-485 und Ethernet hat RS-232 eine geringere Übertragungsgeschwindigkeit, eine kürzere maximale Kabellänge, einen größeren Spannungshub, größere Standardstecker, keine Mehrpunktfähigkeit und eine begrenzte Multidrop-Fähigkeit. In modernen Personalcomputern hat USB die RS-232 von den meisten ihrer peripheren Schnittstellenfunktionen verdrängt. Dank ihrer Einfachheit und ihrer früheren Allgegenwärtigkeit werden RS-232-Schnittstellen jedoch immer noch verwendet, insbesondere in Industriemaschinen, Netzwerkausrüstungen und wissenschaftlichen Instrumenten, wo eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit geringer Geschwindigkeit und geringer Reichweite völlig ausreichend ist. ⓘ
RS-232 (Recommended Standard 232) ist ein Standard für eine serielle Schnittstelle, der in den frühen 1960er Jahren vom US-amerikanischen Standardisierungsgremium Electronic Industries Association (EIA) erarbeitet wurde und bis in die 2010er Jahre häufig bei Computern vorhanden war. ⓘ
Geltungsbereich der Norm
Die Norm RS-232-C der Electronic Industries Association (EIA) aus dem Jahr 1969 definiert:
- Elektrische Signaleigenschaften wie Spannungspegel, Signalisierungsrate, Timing und Anstiegsgeschwindigkeit der Signale, Spannungsfestigkeit, Kurzschlussverhalten und maximale Lastkapazität.
- Mechanische Eigenschaften der Schnittstelle, steckbare Steckverbinder und Stiftkennzeichnung.
- Funktionen der einzelnen Schaltungen im Schnittstellenstecker.
- Standarduntergruppen von Schnittstellenschaltungen für ausgewählte Telekommunikationsanwendungen. ⓘ
Die Norm definiert keine Elemente wie die Zeichenkodierung (d. h. ASCII, EBCDIC oder andere), die Einrahmung von Zeichen (Start- oder Stoppbits usw.), die Übertragungsreihenfolge von Bits oder Fehlererkennungsprotokolle. Das Zeichenformat und die Übertragungsbitrate werden von der Hardware der seriellen Schnittstelle festgelegt, in der Regel einem UART, der auch Schaltungen zur Umwandlung der internen Logikpegel in RS-232-kompatible Signalpegel enthalten kann. Die Norm definiert keine Bitraten für die Übertragung, sie besagt lediglich, dass sie für Bitraten von weniger als 20.000 Bits pro Sekunde vorgesehen ist. ⓘ
Geschichte
RS-232 wurde erstmals 1960 von der Electronic Industries Association (EIA) als empfohlener Standard eingeführt. Die ursprünglichen DTEs waren elektromechanische Fernschreiber, und die ursprünglichen DCEs waren (normalerweise) Modems. Als die ersten elektronischen Terminals (Smart- und Dumb-Terminals) aufkamen, waren sie oft so konzipiert, dass sie mit Fernschreibern austauschbar waren, und unterstützten daher RS-232. ⓘ
Da die Norm die Anforderungen von Geräten wie Computern, Druckern, Prüfgeräten, POS-Terminals usw. nicht vorhersah, legten die Entwickler, die eine RS-232-kompatible Schnittstelle in ihre Geräte implementierten, die Norm oft eigenwillig aus. Die daraus resultierenden Probleme waren häufig eine nicht genormte Pin-Belegung der Schaltkreise an den Steckern und falsche oder fehlende Steuersignale. Die mangelnde Einhaltung der Normen führte zu einer florierenden Industrie von Breakout-Boxen, Patch-Boxen, Testgeräten, Büchern und anderen Hilfsmitteln für den Anschluss unterschiedlicher Geräte. Eine häufige Abweichung von der Norm bestand darin, die Signale mit einer geringeren Spannung zu übertragen. Einige Hersteller bauten daher Sender, die +5 V und -5 V lieferten, und bezeichneten sie als "RS-232-kompatibel". ⓘ
Später begannen Personalcomputer (und andere Geräte), diese Norm zu nutzen, um sich mit vorhandenen Geräten verbinden zu können. Viele Jahre lang war ein RS-232-kompatibler Anschluss ein Standardmerkmal für die serielle Kommunikation, z. B. für Modemverbindungen, bei vielen Computern (wobei der Computer als DEE fungierte). Sie wurde bis in die späten 1990er Jahre hinein häufig verwendet. Bei Peripheriegeräten für Personalcomputer wurde sie weitgehend durch andere Schnittstellenstandards wie USB verdrängt. RS-232 wird immer noch für den Anschluss älterer Peripheriegeräte, industrieller Geräte (z. B. SPS), Konsolenanschlüsse und Spezialgeräte verwendet. ⓘ
Die Norm wurde im Laufe ihrer Geschichte mehrmals umbenannt, da die Trägerorganisation ihren Namen änderte, und war unter den Bezeichnungen EIA RS-232, EIA 232 und zuletzt TIA 232 bekannt. Die Norm wurde weiterhin von der Electronic Industries Association und seit 1988 von der Telecommunications Industry Association (TIA) überarbeitet und aktualisiert. Revision C wurde in einem Dokument vom August 1969 veröffentlicht. Revision D wurde 1986 herausgegeben. Die aktuelle Revision ist TIA-232-F Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange, herausgegeben im Jahr 1997. Die Änderungen seit Revision C betreffen den Zeitplan und die Details, um die Harmonisierung mit dem CCITT-Standard ITU-T/CCITT V.24 [de] zu verbessern, aber Geräte, die nach dem aktuellen Standard gebaut wurden, funktionieren auch mit älteren Versionen. ⓘ
Zu den verwandten ITU-T-Normen gehören V.24 (Schaltkreisidentifikation) und ITU-T/CCITT V.28 [de] (Signalspannungs- und Zeitmerkmale). ⓘ
In der Revision D von EIA-232 wurde der D-Subminiatur-Steckverbinder formell in die Norm aufgenommen (er wurde nur im Anhang von RS-232-C erwähnt). Der Spannungsbereich wurde auf ±25 Volt erweitert, und die Kapazitätsgrenze der Schaltung wurde ausdrücklich mit 2500 pF angegeben. Mit der Revision E von EIA-232 wurde ein neuer, kleinerer, 26-poliger "Alt A"-Standardstecker in D-Form eingeführt, und es wurden weitere Änderungen vorgenommen, um die Kompatibilität mit den CCITT-Normen V.24, V.28 und ISO 2110 zu verbessern. ⓘ
Revisionsgeschichte der Spezifikationsdokumente:
- EIA RS-232 (Mai 1960) "Schnittstelle zwischen Datenendgeräten und Daten"
- EIA RS-232-A (Oktober 1963)
- EIA RS-232-B (Oktober 1965)
- EIA RS-232-C (August 1969) "Interface Between Data Terminal Equipment and Data Communication Equipment Employing Serial Binary Data Interchange" (Schnittstelle zwischen Datenendgeräten und Datenübertragungsgeräten mit seriellem Binärdatenaustausch)
- EIA EIA-232-D (1986)
- TIA TIA/EIA-232-E (1991) "Schnittstelle zwischen Datenendgeräten und Datenkommunikationsgeräten, die seriellen Binärdatenaustausch verwenden"
- TIA TIA/EIA-232-F (Oktober 1997)
- ANSI/TIA-232-F-1997 (R2002)
- TIA TIA-232-F (R2012) ⓘ
Beschränkungen der Norm
Da RS-232 über den ursprünglichen Zweck der Verbindung eines Terminals mit einem Modem hinaus verwendet wird, wurden Nachfolgenormen entwickelt, um die Einschränkungen zu beseitigen. Zu den Problemen mit dem RS-232-Standard gehören:
- Die großen Spannungsschwankungen und das Erfordernis positiver und negativer Versorgungsspannungen erhöhen den Stromverbrauch der Schnittstelle und erschweren die Entwicklung von Stromversorgungen. Der erforderliche Spannungshub begrenzt auch die Höchstgeschwindigkeit einer kompatiblen Schnittstelle.
- Die Single-Ended-Signalisierung in Bezug auf eine gemeinsame Signalmasse schränkt die Störfestigkeit und die Übertragungsreichweite ein.
- Multi-Drop-Verbindungen zwischen mehr als zwei Geräten sind nicht definiert. Es wurden zwar "Umgehungslösungen" für Multi-Drop-Verbindungen entwickelt, doch sind diese in Bezug auf Geschwindigkeit und Kompatibilität begrenzt.
- Die Norm geht nicht auf die Möglichkeit ein, eine DEE direkt mit einer DEE oder eine DÜE mit einer DÜE zu verbinden. Für diese Verbindungen können Nullmodemkabel verwendet werden, die jedoch nicht in der Norm definiert sind, und einige dieser Kabel verwenden andere Verbindungen als andere.
- Die Definitionen der beiden Enden der Verbindung sind asymmetrisch. Dies macht die Zuweisung der Rolle eines neu entwickelten Geräts problematisch; der Konstrukteur muss sich für eine DEE-ähnliche oder eine DÜE-ähnliche Schnittstelle entscheiden und festlegen, welche Steckerstiftbelegungen zu verwenden sind.
- Die Handshake- und Steuerleitungen der Schnittstelle sind für den Auf- und Abbau einer Wählverbindung vorgesehen; insbesondere die Verwendung von Handshake-Leitungen für die Flusskontrolle ist in vielen Geräten nicht zuverlässig implementiert.
- Für die Stromversorgung eines Geräts ist keine Methode angegeben. Zwar kann den DTR- und RTS-Leitungen eine geringe Strommenge entnommen werden, doch ist dies nur für Geräte mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. Mäuse, geeignet.
- Der in der Norm empfohlene 25-polige D-Sub-Stecker ist im Vergleich zur heutigen Praxis sehr groß. ⓘ
Rolle in modernen Personal Computern
Im Buch PC 97 Hardware Design Guide hat Microsoft die Unterstützung für den RS-232-kompatiblen seriellen Anschluss des ursprünglichen IBM-PC-Designs abgeschafft. Heute ist RS-232 in Personalcomputern größtenteils durch USB für die lokale Kommunikation ersetzt worden. Die Vorteile gegenüber RS-232 liegen darin, dass USB schneller ist, mit niedrigeren Spannungen arbeitet und über einfachere Anschlüsse verfügt, die sich leichter anschließen und verwenden lassen. Nachteile von USB im Vergleich zu RS-232 sind, dass USB weit weniger immun gegen elektromagnetische Störungen (EMI) ist und dass die maximale Kabellänge viel kürzer ist (15 Meter bei RS-232 gegenüber 3-5 Metern bei USB, je nach USB-Version und Verwendung aktiver Kabel). ⓘ
In Bereichen wie der Laborautomatisierung oder der Vermessung werden weiterhin RS-232-Geräte verwendet. Einige Arten von speicherprogrammierbaren Steuerungen, frequenzvariablen Antrieben, Servoantrieben und computergestützten numerischen Steuerungen sind über RS-232 programmierbar. Die Computerhersteller haben auf diese Nachfrage reagiert, indem sie den DE-9M-Anschluss an ihren Computern wieder einführten oder Adapter zur Verfügung stellten. ⓘ
RS-232-Anschlüsse werden auch häufig für die Kommunikation mit Headless-Systemen wie Servern verwendet, in denen kein Monitor oder keine Tastatur installiert ist, und zwar während des Bootvorgangs, wenn das Betriebssystem noch nicht läuft und daher keine Netzwerkverbindung möglich ist. Ein Computer mit einer seriellen RS-232-Schnittstelle kann mit der seriellen Schnittstelle eines eingebetteten Systems (z. B. eines Routers) kommunizieren, was eine Alternative zur Überwachung über Ethernet darstellt. ⓘ
Physikalische Schnittstelle
Bei RS-232 werden die Nutzdaten als zeitliche Abfolge von Bits gesendet. Sowohl synchrone als auch asynchrone Übertragungen werden von der Norm unterstützt. Zusätzlich zu den Datenleitungen definiert die Norm eine Reihe von Steuerleitungen, die zur Verwaltung der Verbindung zwischen DEE und DÜE verwendet werden. Jeder Daten- oder Steuerstromkreis funktioniert nur in einer Richtung, d. h. für die Signalisierung von einer DEE zur angeschlossenen DÜE oder in umgekehrter Richtung. Da es sich bei den Sende- und Empfangsdaten um getrennte Schaltungen handelt, kann die Schnittstelle im Vollduplexbetrieb arbeiten und den gleichzeitigen Datenfluss in beide Richtungen unterstützen. Die Norm definiert keine Zeichenrahmen innerhalb des Datenstroms oder Zeichenkodierung. ⓘ
Spannungspegel
Der RS-232-Standard definiert die Spannungspegel, die den logischen Eins- und Null-Pegeln für die Datenübertragung und die Steuersignalleitungen entsprechen. Gültige Signale liegen entweder im Bereich von +3 bis +15 Volt oder im Bereich von -3 bis -15 Volt in Bezug auf den "Common Ground" (GND)-Pin; der Bereich zwischen -3 bis +3 Volt ist folglich kein gültiger RS-232-Pegel. Für Datenübertragungsleitungen (TxD, RxD und ihre sekundären Kanaläquivalente) wird die logische Eins als negative Spannung dargestellt und der Signalzustand als "Mark" bezeichnet. Die logische Null wird mit einer positiven Spannung signalisiert und der Signalzustand wird als "Leerzeichen" bezeichnet. Steuersignale haben die entgegengesetzte Polarität: der bestätigte oder aktive Zustand ist eine positive Spannung und der nicht bestätigte oder inaktive Zustand ist eine negative Spannung. Beispiele für Steuerleitungen sind Request to Send (RTS), Clear to Send (CTS), Data Terminal Ready (DTR) und Data Set Ready (DSR). ⓘ
| Datenschaltungen | Steuerschaltungen | Spannung ⓘ |
|---|---|---|
| 0 (Leerzeichen) | Bestätigt | +3 bis +15 V |
| 1 (Markierung) | Abgelehnt | -15 bis -3 V |
Die Norm legt eine maximale Leerlaufspannung von 25 Volt fest: Signalpegel von ±5 V, ±10 V, ±12 V und ±15 V sind je nach den für die Leitungstreiberschaltung verfügbaren Spannungen üblich. Einige RS-232-Treiberchips haben eine eingebaute Schaltung, um die erforderlichen Spannungen aus einer 3- oder 5-Volt-Versorgung zu erzeugen. RS-232-Treiber und -Empfänger müssen in der Lage sein, unbestimmte Kurzschlüsse gegen Masse oder gegen beliebige Spannungspegel bis zu ±25 Volt zu überstehen. Auch die Anstiegsgeschwindigkeit, d. h. wie schnell das Signal zwischen den Pegeln wechselt, wird kontrolliert. ⓘ
Da die Spannungspegel höher sind als die üblicherweise von integrierten Schaltungen verwendeten Logikpegel, sind spezielle Treiberschaltungen erforderlich, um die Logikpegel zu übersetzen. Diese schützen auch die internen Schaltungen des Geräts vor Kurzschlüssen oder Überspannungen, die an der RS-232-Schnittstelle auftreten können, und stellen ausreichend Strom zur Verfügung, um die Anforderungen an die Anstiegsgeschwindigkeit für die Datenübertragung zu erfüllen. ⓘ
Da beide Enden des RS-232-Schaltkreises davon abhängen, dass der Erdungsstift Null Volt hat, treten Probleme auf, wenn Maschinen und Computer angeschlossen werden, bei denen die Spannung zwischen dem Erdungsstift an einem Ende und dem Erdungsstift am anderen Ende nicht Null ist. Dies kann auch eine gefährliche Masseschleife verursachen. Die Verwendung einer gemeinsamen Masse beschränkt RS-232 auf Anwendungen mit relativ kurzen Kabeln. Wenn die beiden Geräte weit genug voneinander entfernt sind oder über getrennte Stromversorgungssysteme verfügen, weisen die lokalen Erdungsanschlüsse an beiden Enden des Kabels unterschiedliche Spannungen auf; dieser Unterschied verringert die Rauschmarge der Signale. Symmetrische, differentielle serielle Verbindungen wie RS-422 oder RS-485 können aufgrund der differentiellen Signalisierung größere Massespannungsunterschiede tolerieren. ⓘ
Unbenutzte Schnittstellensignale, die mit der Masse verbunden sind, haben einen undefinierten logischen Zustand. Wenn es notwendig ist, ein Steuersignal dauerhaft auf einen definierten Zustand zu setzen, muss es an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, die die logischen 1 oder 0 Pegel durchsetzt, zum Beispiel mit einem Pullup-Widerstand. Einige Geräte bieten zu diesem Zweck Testspannungen an ihren Schnittstellenanschlüssen. ⓘ
Steckverbinder
RS-232-Geräte können als Data Terminal Equipment (DTE) oder Data Circuit-terminating Equipment (DCE) klassifiziert werden; dadurch wird bei jedem Gerät festgelegt, welche Drähte die einzelnen Signale senden und empfangen. Gemäß der Norm haben männliche Steckverbinder die DTE-Stiftfunktionen und weibliche Steckverbinder die DCE-Stiftfunktionen. Andere Geräte können eine beliebige Kombination von Steckergeschlecht und Pin-Definitionen haben. Viele Terminals wurden mit weiblichen Steckern hergestellt, aber mit einem Kabel mit männlichen Steckern an jedem Ende verkauft; das Terminal mit seinem Kabel entsprach den Empfehlungen der Norm. ⓘ
Die Norm empfiehlt den 25-poligen D-Subminiatur-Steckverbinder bis zur Revision C und macht ihn ab der Revision D verbindlich. Die meisten Geräte implementieren nur einige der zwanzig in der Norm spezifizierten Signale, so dass Steckverbinder und Kabel mit weniger Stiften für die meisten Verbindungen ausreichen, kompakter und preiswerter sind. Die Hersteller von Personalcomputern haben den DB-25M-Stecker durch den kleineren DE-9M-Stecker ersetzt. Dieser Stecker mit einer anderen Pinbelegung (siehe Pinbelegung der seriellen Schnittstelle) ist bei Personalcomputern und zugehörigen Geräten weit verbreitet. ⓘ
Das Vorhandensein eines 25-poligen D-Sub-Steckers bedeutet nicht unbedingt, dass es sich um eine RS-232-C-kompatible Schnittstelle handelt. So war z. B. beim ursprünglichen IBM-PC ein männlicher D-Sub-Stecker eine RS-232-C-DTE-Schnittstelle (mit einer nicht standardisierten Stromschleifenschnittstelle auf reservierten Pins), aber der weibliche D-Sub-Stecker wurde bei demselben PC-Modell für den parallelen "Centronics"-Druckeranschluss verwendet. Einige Personalcomputer belegen einige Pins ihrer seriellen Schnittstellen mit nicht standardisierten Spannungen oder Signalen. ⓘ
Pinbelegungen
In der folgenden Tabelle sind die häufig verwendeten RS-232-Signale und Pinbelegungen aufgeführt:
| Signal | Richtung | Steckerstift ⓘ | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Name | V.24-Schaltung | Abkürzung | DTE | DCE | DB-25 | DE-9 (TIA-574) | MMJ | 8P8C ("RJ45") | 10P10C ("RJ50") | ||||||
| EIA/TIA-561 | Yost (DTE) | Yost (DCE) | Kykladen | Digi (ALTPIN-Option) | Nationale Instrumente | Kykladen | Digi | ||||||||
| Übertragene Daten | 103 | TxD | Aus | Eingang | 2 | 3 | 2 | 6 | 6 | 3 | 3 | 4 | 8 | 4 | 5 |
| Empfangene Daten | 104 | RxD | Eingang | Aus | 3 | 2 | 5 | 5 | 3 | 6 | 6 | 5 | 9 | 7 | 6 |
| Datenterminal bereit | 108/2 | DTR | Aus | Eingang | 20 | 4 | 1 | 3 | 7 | 2 | 2 | 8 | 7 | 3 | 9 |
| Datenträgererkennung | 109 | DCD | Eingang | Aus | 8 | 1 | — | 2 | 2 | 7 | 7 | 1 | 10 | 8 | 10 |
| Datensatz bereit | 107 | DSR | Eingang | Aus | 6 | 6 | 6 | 1 | — | 8 | — | 5 | 9 | 2 | |
| Ring-Indikator | 125 | RI | Eingang | Aus | 22 | 9 | — | — | — | — | — | 2 | 10 | 1 | |
| Anforderung zum Senden | 105 | RTS | Aus | Eingang | 4 | 7 | — | 8 | 8 | 1 | 1 | 2 | 4 | 2 | 3 |
| Freigabe zum Senden | 106 | CTS | Eingang | Aus | 5 | 8 | — | 7 | 1 | 8 | 5 | 7 | 3 | 6 | 8 |
| Signal Masse | 102 | G | Gemeinsam | 7 | 5 | 3, 4 | 4 | 4, 5 | 4, 5 | 4 | 6 | 6 | 5 | 7 | |
| Schutzerde | 101 | PG | Gemeinsam | 1 | — | — | — | — | — | — | 3 | — | 1 | 4 | |
Die Signalmasse ist eine gemeinsame Rückleitung für die anderen Anschlüsse; sie erscheint im Yost-Standard auf zwei Stiften, ist aber das gleiche Signal. Der DB-25-Stecker verfügt über eine zweite Schutzerde an Pin 1, die von jedem Gerät an seine eigene Rahmenerde oder ähnliches angeschlossen werden soll. Der Anschluss der Schutzerde an die Signalerde ist eine gängige Praxis, wird aber nicht empfohlen. ⓘ
Beachten Sie, dass EIA/TIA 561 DSR und RI kombiniert, und der Yost-Standard DSR und DCD kombiniert. ⓘ
Kabel
Die Norm legt keine maximale Kabellänge fest, sondern definiert stattdessen die maximale Kapazität, die eine konforme Antriebsschaltung tolerieren muss. Eine weit verbreitete Faustregel besagt, dass Kabel mit einer Länge von mehr als 15 m (50 ft) eine zu hohe Kapazität aufweisen, es sei denn, es werden spezielle Kabel verwendet. Durch die Verwendung von Kabeln mit geringer Kapazität kann die Kommunikation über größere Entfernungen bis zu etwa 300 m aufrechterhalten werden. Für größere Entfernungen sind andere Signalstandards, wie RS-422, für höhere Geschwindigkeiten besser geeignet. ⓘ
Da die Standarddefinitionen nicht immer korrekt angewandt werden, ist es oft notwendig, die Dokumentation zu konsultieren, die Verbindungen mit einer Breakout-Box zu testen oder durch Ausprobieren ein Kabel zu finden, das bei der Verbindung von zwei Geräten funktioniert. Für die Verbindung eines vollständig standardkonformen DCE-Geräts mit einem DTE-Gerät wird ein Kabel verwendet, das die gleichen Pin-Nummern in jedem Anschluss verbindet (ein so genanntes "gerades Kabel"). Es sind "Gender Changer" erhältlich, um Geschlechtsunterschiede zwischen Kabeln und Steckern auszugleichen. Für den Anschluss von Geräten mit verschiedenen Steckertypen ist ein Kabel erforderlich, das die entsprechenden Stifte gemäß der nachstehenden Tabelle verbindet. Üblich sind Kabel mit 9 Stiften an einem Ende und 25 Stiften am anderen Ende. Hersteller von Geräten mit 8P8C-Steckern liefern in der Regel ein Kabel mit einem DB-25- oder DE-9-Stecker (oder manchmal mit austauschbaren Steckern, damit sie mit mehreren Geräten arbeiten können). Kabel von schlechter Qualität können durch Übersprechen zwischen Daten- und Steuerleitungen (z. B. Ring Indicator) falsche Signale verursachen. ⓘ
Wenn ein bestimmtes Kabel keine Datenverbindung zulässt, insbesondere wenn ein Geschlechtsumwandler verwendet wird, kann ein Nullmodemkabel erforderlich sein. Geschlechtsumwandler und Nullmodemkabel werden in der Norm nicht erwähnt, so dass es keine offiziell genehmigte Konstruktion für sie gibt. ⓘ
Daten und Steuersignale
In der folgenden Tabelle sind häufig verwendete RS-232-Signale (in den Spezifikationen als "Schaltkreise" bezeichnet) und ihre Pinbelegung an den empfohlenen DB-25-Steckern aufgeführt. (Siehe Pinbelegung der seriellen Schnittstelle für andere häufig verwendete Anschlüsse, die nicht in der Norm definiert sind). ⓘ
| Stromkreis | Richtung | DB-25-Stift ⓘ | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Name | Typischer Zweck | Abkürzung | DTE | DCE | |
| Datenterminal bereit | DTE ist bereit, einen Anruf zu empfangen, einzuleiten oder fortzusetzen. | DTR | aus | ein | 20 |
| Datenträgererkennung | Die DÜE empfängt einen Träger von einer entfernten DÜE. | DCD | ein | aus | 8 |
| Datensatz bereit | Die DÜE ist bereit, Daten zu empfangen und zu senden. | DSR | ein | aus | 6 |
| Ring-Indikator | DÜE hat ein eingehendes Rufsignal auf der Telefonleitung erkannt. | RI | ein | aus | 22 |
| Anforderung zum Senden | Die DEE fordert die DÜE auf, sich auf die Datenübertragung vorzubereiten. | RTS | aus | ein | 4 |
| Empfangsbereit | Die DEE ist bereit, Daten von der DÜE zu empfangen. Wenn verwendet, wird angenommen, dass RTS immer aktiviert ist. | RTR | aus | ein | 4 |
| Freigabe zum Senden | Die DÜE ist bereit, Daten von der DEE zu empfangen. | CTS | ein | aus | 5 |
| Übertragene Daten | Überträgt Daten von DEE zu DÜE. | TxD | aus | ein | 2 |
| Empfangene Daten | Überträgt Daten von der DÜE zur DEE. | RxD | ein | aus | 3 |
| Gemeinsame Masse | Nullspannungsreferenz für alle oben genannten Punkte. | GND | gemeinsam | 7 | |
| Schutzerde | Ist mit der Gehäusemasse verbunden. | PG | gemeinsam | 1 | |
Die Signale werden vom Standpunkt der DEE aus benannt. Der Massestift ist eine gemeinsame Rückleitung für die anderen Anschlüsse und stellt die "Null"-Spannung her, auf die sich die Spannungen an den anderen Stiften beziehen. Der DB-25-Stecker verfügt über eine zweite "Schutzerde" an Pin 1; diese ist intern mit der Masse des Geräterahmens verbunden und sollte nicht über das Kabel oder den Stecker mit der Signalmasse verbunden werden. ⓘ
Ring-Indikator
Ring Indicator (RI) ist ein Signal, das von der DÜE an das DEE-Gerät gesendet wird. Es zeigt dem Endgerät an, dass die Telefonleitung läutet. Bei vielen seriellen Computeranschlüssen wird ein Hardware-Interrupt erzeugt, wenn das RI-Signal seinen Zustand ändert. Die Unterstützung dieses Hardware-Interrupts bedeutet, dass ein Programm oder Betriebssystem über eine Zustandsänderung des RI-Pins informiert werden kann, ohne dass die Software den Zustand des Pins ständig "abfragen" muss. RI korrespondiert nicht mit einem anderen Signal, das ähnliche Informationen in umgekehrter Richtung überträgt. ⓘ
Bei einem externen Modem ist der Status des Ring Indicator-Pins oft mit der AA-Leuchte (Auto Answer) gekoppelt, die blinkt, wenn das RI-Signal einen Ring erkannt hat. Das aktivierte RI-Signal folgt dem Klingelmuster genau, was es der Software ermöglichen kann, bestimmte Klingelmuster zu erkennen. ⓘ
Das Ring Indicator-Signal wird von einigen älteren unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs) verwendet, um dem Computer einen Stromausfall zu signalisieren. ⓘ
Bestimmte Personal Computer können so konfiguriert werden, dass sie beim Klingeln aufwachen, so dass ein angehaltener Computer einen Telefonanruf entgegennehmen kann. ⓘ
RTS, CTS und RTR
Die Signale Request to Send (RTS) und Clear to Send (CTS) wurden ursprünglich für die Verwendung mit Halbduplex-Modems (jeweils eine Richtung) wie dem Bell 202 definiert. Diese Modems schalten ihre Sender ab, wenn sie nicht benötigt werden, und müssen eine Synchronisationspräambel an den Empfänger senden, wenn sie wieder aktiviert werden. Die DEE signalisiert der DÜE mit RTS, dass sie senden möchte, und die DÜE antwortet mit CTS, sobald die Synchronisation mit der DÜE am anderen Ende erreicht ist. Solche Modems sind nicht mehr gebräuchlich. Es gibt kein entsprechendes Signal, mit dem die DEE eingehende Daten von der DÜE vorübergehend stoppen könnte. Daher ist die Verwendung der RTS- und CTS-Signale bei RS-232 in den älteren Versionen der Norm asymmetrisch. ⓘ
Dieses Schema wird auch in heutigen RS-232-zu-RS-485-Konvertern verwendet. RS-485 ist ein Bus mit Mehrfachzugriff, auf dem immer nur ein Gerät gleichzeitig senden kann, ein Konzept, das bei RS-232 nicht vorgesehen ist. Das RS-232-Gerät teilt dem Konverter mit RTS mit, dass er die Kontrolle über den RS-485-Bus übernehmen soll, damit der Konverter und damit das RS-232-Gerät Daten auf den Bus senden kann. ⓘ
Moderne Kommunikationsumgebungen verwenden Vollduplex-Modems (beide Richtungen gleichzeitig). In dieser Umgebung gibt es für DEEs keinen Grund, RTS zu deassertieren. Aufgrund möglicher Änderungen der Leitungsqualität, Verzögerungen bei der Verarbeitung von Daten usw. besteht jedoch Bedarf an einer symmetrischen, bidirektionalen Flusskontrolle. ⓘ
Eine symmetrische Alternative, die eine Flusskontrolle in beide Richtungen ermöglicht, wurde in den späten 1980er Jahren von verschiedenen Geräteherstellern entwickelt und vermarktet. Dabei wurde das RTS-Signal neu definiert und bedeutete, dass die DEE bereit ist, Daten von der DÜE zu empfangen. Dieses Schema wurde schließlich in der Version RS-232-E (damals noch TIA-232-E) kodifiziert, indem ein neues Signal, "RTR (Ready to Receive)", definiert wurde, das der CCITT V.24-Schaltung 133 entspricht. TIA-232-E und die entsprechenden internationalen Normen wurden aktualisiert, um zu zeigen, dass der Schaltkreis 133, wenn er implementiert ist, denselben Pin wie RTS (Request to Send) nutzt, und dass, wenn 133 verwendet wird, die DÜE davon ausgeht, dass RTS zu jeder Zeit aktiviert ist. ⓘ
In diesem Schema, das gemeinhin als "RTS/CTS-Flußkontrolle" oder "RTS/CTS-Handshaking" bezeichnet wird (obwohl der technisch korrekte Name "RTR/CTS" wäre), bestätigt die DEE RTS, wenn sie bereit ist, Daten von der DÜE zu empfangen, und die DÜE bestätigt CTS, wenn sie bereit ist, Daten von der DEE zu empfangen. Anders als bei der ursprünglichen Verwendung von RTS und CTS bei Halbduplex-Modems arbeiten diese beiden Signale unabhängig voneinander. Dies ist ein Beispiel für die Hardware-Flusskontrolle. Allerdings bedeutet "Hardware-Flusskontrolle" in der Beschreibung der Optionen, die auf einem mit RS-232 ausgestatteten Gerät verfügbar sind, nicht immer RTS/CTS-Handshaking. ⓘ
Geräte, die dieses Protokoll verwenden, müssen darauf vorbereitet sein, einige zusätzliche Daten zu puffern, da das entfernte System mit der Übertragung begonnen haben kann, kurz bevor das lokale System das RTR-Signal zurücknimmt. ⓘ
3-Draht- und 5-Draht-RS-232
Eine minimale "3-Draht"-RS-232-Verbindung, die nur aus Sendedaten, Empfangsdaten und Masse besteht, wird üblicherweise verwendet, wenn nicht alle Möglichkeiten von RS-232 benötigt werden. Sogar eine Zweidrahtverbindung (Daten und Masse) kann verwendet werden, wenn der Datenfluss nur in eine Richtung geht (z. B. eine digitale Postwaage, die periodisch einen Gewichtswert sendet, oder ein GPS-Empfänger, der periodisch die Position sendet, wenn keine Konfiguration über RS-232 erforderlich ist). Wenn neben dem bidirektionalen Datenfluss nur eine Hardware-Flusskontrolle erforderlich ist, werden die RTS- und CTS-Leitungen in einer 5-Draht-Version hinzugefügt. ⓘ
Selten genutzte Funktionen
Die EIA-232-Norm spezifiziert Anschlüsse für mehrere Funktionen, die in den meisten Implementierungen nicht verwendet werden. Ihre Verwendung erfordert 25-polige Stecker und Kabel. ⓘ
Auswahl der Signalrate
Die DEE oder DÜE kann die Verwendung einer "hohen" oder "niedrigen" Signalisierungsrate festlegen. Die Raten sowie das Gerät, das die Rate auswählt, müssen sowohl in der DEE als auch in der DÜE konfiguriert werden. Das voreingestellte Gerät wählt die hohe Rate, indem es Pin 23 auf ON setzt. ⓘ
Loopback-Test
Viele DÜE-Geräte verfügen über eine Loopback-Funktion, die zum Testen verwendet wird. Wenn diese Funktion aktiviert ist, werden die Signale zum Sender zurückgesendet, anstatt sie an den Empfänger weiterzuleiten. Falls unterstützt, kann die DEE der lokalen DÜE (an die sie angeschlossen ist) signalisieren, in den Loopback-Modus zu wechseln, indem sie Pin 18 auf ON setzt, oder der entfernten DÜE (an die die lokale DÜE angeschlossen ist), in den Loopback-Modus zu wechseln, indem sie Pin 21 auf ON setzt. Letzteres testet die Kommunikationsverbindung sowie beide DÜEs. Wenn sich die DÜE im Testmodus befindet, signalisiert sie der DEE, indem sie Pin 25 auf EIN setzt. ⓘ
Eine häufig verwendete Version des Loopback-Tests erfordert keine besonderen Fähigkeiten auf beiden Seiten. Ein Hardware-Loopback ist einfach ein Draht, der komplementäre Pins im selben Stecker miteinander verbindet (siehe Loopback). ⓘ
Loopback-Tests werden häufig mit einem speziellen DTE-Gerät, einem Bitfehlerraten-Tester (oder BERT), durchgeführt. ⓘ
Timing-Signale
Einige synchrone Geräte liefern ein Taktsignal, um die Datenübertragung zu synchronisieren, insbesondere bei höheren Datenraten. Zwei Taktsignale werden von der DEE an den Stiften 15 und 17 bereitgestellt. Pin 15 ist der Sendertakt oder das Sendetiming (ST); die DEE legt das nächste Bit auf die Datenleitung (Pin 2), wenn dieser Takt von AUS auf EIN wechselt (damit er während des Übergangs von EIN auf AUS stabil ist, wenn die DÜE das Bit registriert). Pin 17 ist der Empfängertakt bzw. das Empfangstiming (RT); die DEE liest das nächste Bit von der Datenleitung (Pin 3), wenn dieser Takt von EIN auf AUS wechselt. ⓘ
Alternativ kann die DEE ein Taktsignal, das so genannte Transmitter Timing (TT), an Pin 24 für übertragene Daten bereitstellen. Die Daten werden geändert, wenn der Takt von AUS auf EIN übergeht, und während des Übergangs von EIN auf AUS gelesen. TT kann verwendet werden, um das Problem zu lösen, dass ST ein Kabel mit unbekannter Länge und Verzögerung durchqueren muss, ein Bit nach einer weiteren unbekannten Verzögerung aus der DEE taktet und es über dieselbe unbekannte Kabelverzögerung an die DÜE zurücksendet. Da die Beziehung zwischen dem übertragenen Bit und dem TT im DEE-Entwurf festgelegt werden kann und beide Signale die gleiche Kabellänge durchlaufen, wird das Problem durch die Verwendung von TT beseitigt. TT kann durch Zurückschleifen von ST mit einer geeigneten Phasenänderung erzeugt werden, um es mit den übertragenen Daten abzugleichen. Durch die Rückschleifung von ST auf TT kann die DEE die DÜE als Frequenzreferenz verwenden und das Timing von Takt und Daten korrigieren. ⓘ
Synchrone Taktung ist für Protokolle wie SDLC, HDLC und X.25 erforderlich. ⓘ
Sekundärkanal
Ein sekundärer Datenkanal, der mit dem primären Kanal identisch ist, kann optional von den DEE- und DÜE-Geräten implementiert werden. Die Pinbelegung ist wie folgt:
| Signal | Pin ⓘ |
|---|---|
| Gemeinsame Masse | 7 (wie primär) |
| Sekundäre gesendete Daten (STD) | 14 |
| Sekundär empfangene Daten (SRD) | 16 |
| Sekundäre Sendeanforderung (SRTS) | 19 |
| Sekundäre Sendefreigabe (SCTS) | 13 |
| Sekundäre Trägererkennung (SDCD) | 12 |
Verwandte Standards
Andere serielle Signalisierungsstandards sind möglicherweise nicht mit standardkonformen RS-232-Anschlüssen kompatibel. Die Verwendung von TTL-Pegeln nahe +5 und 0 V führt beispielsweise dazu, dass der Markenpegel in den undefinierten Bereich der Norm fällt. Solche Pegel werden manchmal mit NMEA 0183-kompatiblen GPS-Empfängern und Echolotgeräten verwendet. ⓘ
Eine 20-mA-Stromschleife verwendet die Abwesenheit von 20-mA-Strom für "high" und das Vorhandensein von Strom in der Schleife für "low"; diese Signalisierungsmethode wird häufig für Langstrecken und optisch isolierte Verbindungen verwendet. Der Anschluss eines Stromschleifengeräts an einen konformen RS-232-Anschluss erfordert einen Pegelumsetzer. Stromschleifengeräte können Spannungen liefern, die über die Spannungsgrenzen eines konformen Geräts hinausgehen. Die ursprüngliche serielle IBM-PC-Portkarte verfügte über eine 20-mA-Stromschleifenschnittstelle, die von anderen Anbietern steckerkompatibler Geräte nie emuliert wurde. ⓘ
Andere serielle Schnittstellen, die mit RS-232 vergleichbar sind:
- RS-422 - ein Hochgeschwindigkeitssystem ähnlich wie RS-232, jedoch mit Differenzialsignalisierung
- RS-423 - ein Hochgeschwindigkeitssystem ähnlich wie RS-422, aber mit unsymmetrischer Signalisierung
- RS-449 - eine funktionelle und mechanische Schnittstelle, die RS-422- und RS-423-Signale nutzte; setzte sich nicht wie RS-232 durch und wurde von der EIA zurückgezogen
- RS-485 - ein Abkömmling von RS-422, der als Bus in Multidrop-Konfigurationen verwendet werden kann
- MIL-STD-188 - ein System wie RS-232, jedoch mit besserer Impedanz- und Anstiegszeitsteuerung
- EIA-530 - ein Hochgeschwindigkeitssystem, das die elektrischen Eigenschaften von RS-422 oder RS-423 in einer EIA-232-Pinout-Konfiguration verwendet und somit das Beste von beiden kombiniert; ersetzt RS-449
- EIA/TIA-561 - definiert RS-232-Pinouts für modulare Steckverbinder mit acht Positionen und acht Kontakten (8P8C) (die fälschlicherweise als RJ45-Steckverbinder bezeichnet werden können)
- EIA/TIA-562 - Niederspannungsversion von EIA/TIA-232
- TIA-574 - standardisiert die Pinbelegung des 9-poligen D-Subminiatur-Steckverbinders zur Verwendung mit der elektrischen Signalisierung EIA-232, wie sie auf dem IBM PC/AT entwickelt wurde
- EIA/TIA-694 - ähnlich wie TIA/EIA-232-F, aber mit Unterstützung für höhere Datenraten bis zu 512 kbit/s ⓘ
Entwicklungstools
Bei der Entwicklung oder Fehlersuche in Systemen, die RS-232 verwenden, kann eine genaue Untersuchung der Hardwaresignale wichtig sein, um Probleme zu finden. Dazu können einfache Geräte mit LEDs verwendet werden, die die Logikpegel von Daten- und Steuersignalen anzeigen. "Y"-Kabel können verwendet werden, um eine weitere serielle Schnittstelle zur Überwachung des gesamten Datenverkehrs in einer Richtung zu nutzen. Ein serieller Leitungsanalysator ist ein Gerät, das einem Logikanalysator ähnelt, aber auf die Spannungspegel, Anschlüsse und gegebenenfalls Taktsignale von RS-232 spezialisiert ist; er sammelt, speichert und zeigt die Daten- und Steuersignale an, so dass Entwickler sie im Detail betrachten können. Einige zeigen die Signale einfach als Wellenformen an; aufwändigere Versionen bieten die Möglichkeit, Zeichen in ASCII oder anderen gängigen Codes zu dekodieren und gängige Protokolle zu interpretieren, die über RS-232 verwendet werden, wie SDLC, HDLC, DDCMP und X.25. Serielle Leitungsanalysatoren sind als eigenständige Geräte, als Software und Schnittstellenkabel für allgemeine Logikanalysatoren und Oszilloskope sowie als Programme erhältlich, die auf gängigen Personalcomputern und Geräten laufen. ⓘ
Anwendung
Mainframes und Text-Terminals wurden bis in die frühen 1990er-Jahre unter Zuhilfenahme von Modems durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über die Telefonleitung zusammengeschlossen. Die Übertragung der Daten bei beiden Systemen erfolgte sequenziell. Durch den ursprünglichen Verwendungszweck bedingt, weist die Schnittstelle einige Asymmetrien bei der Definition der Steuerleitungen auf, die bei den später üblich gewordenen Anwendungen in völlig anderen Bereichen zu Verschaltungsproblemen führen können. ⓘ
Leitungslänge und Übertragungsrate
| Datenrate (kBd) |
Länge (m) ⓘ |
|---|---|
| 2,4 | 900 |
| 4,8 | 300 |
| 9,6 | 152 |
| 19,2 | 15 |
| 57,6 | 5 |
| 115,2 | < 2 |
Da die Signalqualität mit zunehmender Leitungslänge abnimmt, ist die Leitungslänge begrenzt. ⓘ
Ein begrenzender Faktor ist die Laufzeit des Signals. Da eine RS-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 Auswirkungen 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. ⓘ
Weitere Standards
- V.24: Der ITU-Standard (1964) definiert über 50 Schnittstellenleitungen. Die RS-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 durch das Deutsche-Institut-für-Normung weitgehend übernommene V.24.
- ISO 2110: Definition der Mechanik eines Steckverbinders. ⓘ