Personal Computer in Labor, Versuchs- und Pr¼ffeld: Der PC als Hilfsmittel bei der Erfassung, Verarbeitung und Darstellung von Medaten
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Harald Schumny (HrsgJ
Personal computer in Labor, Versuchs- und Prüffeld Der pe als
Hilfsmittel bei der Erfassung, verarbeitung und Darstellung von
Meßdaten
zweite, neu bearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 171 Abbildungen
Dr.-lng. Harald Schumny Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Laboratorium 7.52 Bundesallee 100 3300 Braunschweig
Einbandgrafik aus dem Institut für elektrische Meßtechnik und
Grundlagen der Elektro· technik, Professor Varchmin
ISBN 978-3-540-52316-1
CIP·Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek personal·Computer in
Labor, Versuchs· und Prüffeld der PC als Hilfsmittel bei der
Erfassung, verarbeitung und Darstellung von Messdaten Harald
Schumny (HrsgJ 2., neubearb. u. erw. Auf!.-
ISBN 978-3-540-52316-1 ISBN 978-3-662-22282-9 (eBook) DOI
10.1007/978-3-662-22282-9
NE: Schumny, Harald IHrsg.l
Dieses Werk ist urheberrechtlieh geschützt. Die dadurch begründeten
Rechte, ins besondere die der übersetzung, des Nachdrucks, des
Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der
Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Verviel fältigung auf
anderen wegen und der speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch bei nur auszugsweiser verwertung, vorbehalten. Eine
Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist
auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen
des urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom
9.September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist
grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen
den Straf be stimmungen des urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988 and 1990 Ursprünglich
erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1990
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1990
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen
usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung
nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-
und MarkenschutZ-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und
daher von jedermann benutzt werden dürften.
Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze,
Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDEI Bezug genommen
oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der verlag keine Gewähr
für Richtigkeit, vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es
empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die
vollständigen Vorschriften oder Richt linien in der jeweils
gÜltigen Fassung hinzuzuziehen.
2068/3020-543210 - Gedruckt auf säurefreiem papier
Vorwort zur 2. Auflage
Dieses Buch spiegelt die Pe-Entwicklung zum leistungsfähigen
Ingenieurs- und Wissenschaftshilfsmittel wider, definiert und
erklärt die Standard-Hardware und Software, beschreibt eine Reihe
von Hardware- und Software-Hilfen und stellt Problemlösungen
vor.
Entstanden ist das Konzept dazu aus einer Seminarreihe des
VDI-Bildungswerks, die vom Herausgeber zusammen mit Herrn Dr.
Krech, Geschäftsführer des Bil dungswerks, 1984 entwickelt worden
ist und in den Folgejahren ständig aktualisiert wurde. Herrn Dr.
Riedesei vom Springer-Verlag ist für die Anregung zu danken, aus
dem Seminarmaterial ein "Springer-Buch" zu machen. Es erschien in
der ersten Auflage im Frühjahr 1988 und wurde so gut aufgenommen,
daß bereits Mitte 1989 die Bearbeitung für eine zweite, erweiterte
Auflage beginnen konnte. Die Fortent wicklung wird aus einem
Rückblick deutlich.
Ein Auszug aus der ersten Auflage vom Februar 1988:
Die technisch-wissenschaftlichen Einsatzfelder für pes reichen von
der einfachen Datenerfassung (Akquisition) über die Steuerung
kleinerer Prozesse bis zum "Ver rechnen" größerer Datenmengen in
der Wissenschaft (langlaufende Auswertepro gramme) und in
Ingenieursbereichen (z.B. Konstruktion, Simulation, Darstellung).
Wir beschränken uns hier auf die Verwendung von pes im Labor,
Versuchs- und Prüffeld. Dabei zeigt die Erfahrung, daß heute mit
folgenden Randbedingungen, Begrenzungen oder Schwierigkeiten zu
rechnen ist:
• pes bieten "von Haus aus" nur Schnittstellen zum Anschluß von
Standard Peripherie (Drucker, Plotter usw.).
• Verschiedenartige Prozeßanschlüsse können durch Einstecken
zugekaufter oder selbst gefertigter Schnittstellenkarten geschaffen
werden. In vielen Fällen ist durch Bereitstellen der Hardware aber
noch nicht die notwendige Schnittstellen-Treibersoftware
verfügbar.
• MS-DOS kann nur 640 Kbyte Arbeitsspeicher nutzbar machen. Dieses
Stan dard-Betriebssystem erlaubt auch kein Multitasking (nur ein
Programm ist zu einer Zeit lauffähig); die für technische
Anwendungen meist notwendigen Echtzeiteigenschaften fehlen.
• Seriöse Anwenderprogramme für technisch-wiSsenschaftliche
Problemstel lungen sind kaum verfügbar; lediglich Spiele und vor
allem Software für Bü roanwendungen sind einfach und kostengünstig
beschaffbar.
• Die Arbeitsgeschwindigkeit zumindest der ersten pes (Typ XT oder
auch AT) ist häufig zu gering.
VI
Aber gerade in jüngster Zeit sind Weiterentwicklungen zu
verzeichnen, die aus Standard-pes leistungsfähige Hilfsmittel für
die Erfassung, Verarbeitung und Dar stellung von Meßdaten im
Labor, Versuchs- und Prüffeld machen können.
Diese seit 1988 nun noch deutlicher gewordenen Fortschritte sind
verwendet worden zur
Aktualisierung und Ausweitung des Stoffs für die zweite Auflage wie
folgt:
• Behandlung der Grundlagen zur digitalen System- und Signalanalyse
und zur digitalen Filterung. Damit wird auf die hohe
Leistungsfähigkeit der 1990er PC Hardware gezielt, die mit
32-Bit-Prozessoren (80386 und 80486), mit EISA Systembus und
gesteigertem Systemtakt (über 20 MHz) Berechnungen sinnvoll machen,
die früher nur ''Workstations'' vorbehalten waren.
• Stärkere Berücksichtigung von Software-Aspekten. So wird in einem
neuen Bei trag wichtige Standard-Software für Meßdatenerfassung
und -auswertung vor gestellt. ASYST mit seinen "Ablegern" wird
ausführlich behandelt. Für eine universelle Prozeßperipherie wird
die Verbindung von Datenerfassung mit spe zieller Software und
Meßdatenauswertung mit Standard-Software demonstriert.
• Erweitert wurde auch der Themenbereich integrierter
Datenerfassung und -aus wertung für automatisierte
Meßtechnik.
Der Gesamtstoff besteht nun aus 16 Beiträgen und ist gegliedert
in
- Teil I - Teil II - Teil III - Teil IV
Grundlagen Signalerfassung, Verarbeitung und Darstellung Software
für Erfassung und Verarbeitung Hardware-Aspekte und
Anwendungen
Wir meinen nun erst recht, dieses Buch kann dazu beitragen, den
Einsatz von PCs in technischen Bereichen realistisch einzuschätzen,
Grenzen zu erkennen, aber auch Nutzungsmöglichkeiten ausfindig zu
machen.
Braunschweig, im Januar 1990 Harald Schumny
Autorenverzeichnis
Dipl.-Ing. Susanne Burger Siemens AG, Produktionsautomatisierung
und Automatisierungssysteme, München
Dr. Joachim Hilsmann Ziegler Instruments, Mönchengladbach
Dipl.-Math. Hendrik Immel Antriebe und Steuerungen GmbH, St.
Augustin 2
Dr.-Ing. Wilfried Melder GfS mbH, Aachen
Dipl.-Ing.Annin Preuss Siemens AG, Energie- und Automatisierungs
technik, Karlsruhe
Ing. Harry Reimer Datalog GmbH, Mönchengladbach 2
Dr.-lng. Harald Schumny Physikalisch-Technische Bundesanstalt,
Braunschweig
Dr.-Ing. Hans-Joachim Schuster Physikalisch-Technische
Bundesanstalt, Braunschweig
Karlheinz Stein Ziegler Instruments, Mönchengladbach
Prof. Dr.-Ing. J.-Uwe Varchmin Institut für elektrische Meßtechnik
und Grundlagen der Elektrotechnik, Technische Universität
Braunschweig
Prof. Dr. rer. nato Klaus Weise Physikalisch-Technische
Bundesanstalt, Braunschweig
Inhaltsverzeichnis
1 pe und Standardisierung (Harald Schumny) . . . . . . . . . . . .
. . . .. 3 1.1 Computerfamilien 3
1.1.1 Die Hardware 3 1.1.2 Die Software 5
1.2 Grundkonzepte für PCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .. 7 1.2.1 Allgemeines 7 1.2.2 Hardwareentwicklung 8 1.2.3
Softwareentwicklung 11 1.2.4 Benutzerschnittstellen 14 1.2.5
Graphik 16
1.3 PC für Messen, Steuern und Regeln (MSR) . . . . . . . . . . . .
.. 18 1.3.1 Wünsche an Arbeitsplatzcomputer für MSR 19 1.3.2
Verfügbare Software und Hardware 21 1.3.3 Personal Instrumentation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
2 Schnittstellen und Netze (Harald Schumny) . . . . . . . . . . . .
. . . .. 27 2.1 Datenerfassung und Übertragung 27
2.1.1 Ein-IAusgabeverfahren 28 2.1.2 Codierung und Datensicherung
29
2.2 Klassiftzierung von Schnittstellen und Bussen . . . . . . . . .
. . . . . 30 2.3 ISO-Referenzmodell zur Schnittstellenbeschreibung
34 2.4 Parallele Schnittstellen 36 2.5 Serielle Schnittstellen . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.6 Übersicht
41 2.7 Lokale Rechnernetze 43 2.8 Resümee . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
x 3 Betriebssysteme ffir Personalcomputer (Susanne Burger) . . . .
. . . . .. 47
3.1 Allgemeines zum Betriebssystem 47 3.1.1 Aufgaben des
Betriebssystems 47 3.1.2 Begriffe im Zusammenhang mit
Echtzeit-Betriebssystemen 48
3.2 Funktionsumfang von Echtzeit-Betriebssystemen . . . . . . . . .
. . . 49 3.2.1 Taskverwaltung 50 3.2.2 Tasksynchronisation und
-kommunikation 53 3.2.3 Betriebsmittelverwaltung . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .. 55 3.2.4 Ein-/Ausgabesystem 55 3.2.5
Kommandosystem 55
3.3 Einfach- bzw. Singletask-Systeme . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .. 56 3.4 Multitask- und Echtzeitsysteme 57
3.4.1 UNIX 57 3.4.2 Concurrent CP/M-86 (CCP/M-86) 57 3.4.3
Concurrent DOS 86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
3.4.4 Concurrent DOS XM 60 3.4.5 Concurrent DOS386 61 3.4.6 FlexOS
286 61
3.5 Einsatzbeispiele für Echtzeit-Betriebssysteme . . . . . . . . .
. . .. 63
4 Software ffir Datenerfassung und -auswertung (Harald Schumny) . .
. .. 65 4.1 Ergänzungen zu Betriebssystemen 65 4.2
Standard-Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .. 69 4.3 Software-Spektrum 70 4.4 Kurzbesprechung der Software
aus Tabelle 4.2 . . . . . . . . . . . . . 72
Teill! Signalerfassung, Verarbeitung und Darstellung 77
5 Meßdatenauswertung und Meßunsicherheit (Klaus Weise) . . . . . .
. .. 79 5.1 Einige Grundbegriffe des Messens 79 5.2 Ermittlung des
Meßergebnisses 80 5.3 Angabe der Meßunsicherheit . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .. 81 5.4 Programmbeispiel 82 5.5 Zweck eines
allgemeinen Auswertungsverfahrens 82 5.6 Begriffe . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83 5.7 Ansätze für
die Eingangsdaten 84 5.8 Fortpflanzung von Unsicherheiten 85 5.9
Programmbeispiel zum Gauß-Verfahren. . . . . . . . . . . . . . ..
86 5.10 Ausgleichsrechnung 87 5.11 Programmbeispiel zur
Ausgleichsrechnung 87 Anhang 5.1 Programm DIN1319T3 . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .. 89 Anhang 5.2 Programm DIN1319T4 89 Anhang
5.3 Programm AUS GLEICHUNG . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
XI
6 Grundlagen der Meßdatenerfassung und -auswertung (J.-Uwe
Varchmin) 93 6.1 Definition analoger und digitaler Signale 93
6.1.1 Wert- und zeitkontinuierliche Signale 93 6.1.2
Wertkontinuierliche und zeitdiskrete Signale 95 6.1.3 Wert- und
zeitdiskrete Signale 95
6.2 A/D-Umsetzer für die Meßdatenerfassung . . .. .......... %
6.2.1 A/D-Umsetzer nach dem Parallelverfahren 96 6.2.2 A/D-Umsetzer
nach dem Wägeverfahren 97 6.2.3 Integrierende Mehr-Rampen-Verfahren
98 (Beispiel Dual-Slope-ADU)
6.3 Fehler von A/D-Umsetzern ...................... . 6.3.1
Quantisierungs-Fehler 6.3.2 Offset-Fehler 6.3.3 Verstärkungs-Fehler
6.3.4 Linearitäts-Fehler
6.4 Wie schnell ist "schnell" - oder die Notwendigkeit von ........
. AbtastlHalte-Verstärkern (Sampie and Hold)
6.5 Mehrkanalige Meßdatenerfassung; . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . Meßdaten-Erfassungssystem (Data Acquisition System DAS)
6.6 Das Abtasttheorem - Die Notwendigkeit von Antialiasingfiltern
6.7 Digitale System- und Signalanalyse ............... .
6.7.1 Definition der Laplace-Transformation 6.7.2 Definition der
diskreten z-Transformation
6.8 Strukturen digitaler Filter . . . . . . . . . . . 6.8.1
Differenzengleichungen für Tiefpässe 6.8.2 Differenzengleichungen
für Hochpässe 6.8.3 Differenzengleichungen für Bandpässe 6.8.4
Differenzengleichungen für Bandsperrfilter .
100 100 100 101 102 103
105
7 Meßtechnische Instrumentierung von pes (J.-Uwe Varchmin) . . . .
.. 123 7.1 Möglichkeiten zur meßtechnischen Instrumentierung von
PCs 123 7.2 Personal Instrumentation mit Zusatzkarten im PC . . . .
. . 125
7.2.1 Vier-Kanal-Transientenrecorder 125 7.2.2 PC als digitales
Speicheroszilloskop: Computerscope 126 7.2.3 Digitale
Bildverarbeitung 127
7.3 Personal Instrumentation mit externen Zusatzgeräten (PIß) . . .
.. 127 7.3.1 Keithley DAS Serie 500 127 7.3.2 Hewlett-Packard
PC-Meßinstrumente 129 7.3.3 Logikanalysator . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .. 130
8 Meß- und Steuerungs systeme mit IEC-8us-Geräten und PC (J.-Uwe
Varchmin) 8.1 So arbeitet der IEC-Bus 135
8.1.1 IEC-Bus-Hardware 135 8.1.2 IEC-Bus-Software 139
8.2 Meß- und Steuerungssystem mit PC als IEC-Bus-Controller . 143
8.2.1 Vielstellen-Meßsysteme mit Scanner 143
XII
8.2.2 Hardware des USUS-Geräts 145 8.2.3 Software für ein
automatisches Meß- und Steuerungssystem 147
8.3 PC-Meßgeräte - die neue Perspektive in der Meßtechnik 152 8.4
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
154
Teil 111 Software für Erfassung und Verarbeitung 155
9 Konzept zur Software rür die rechnergestützte Meßwerterfassung
und . Auswertung mit PC (Wilfried Melder) 9.1 Einleitung 9.2
Anforderungen an Meßwerterfassung und Auswertung . . . . . . . .
9.3 Komponenten zur Lösung 9.4 Die "Benutzeroberfläche" der
Software 9.5 Ausgeführte Programmbeispiele ................. . 9.6
Einige Kriterien zur Bewertung und zu den Kosten von Software
zur Meßdatenverarbeitung 9.7 Zusammenfassung
......................... .
157
183
185
185 186 187 189 189 191 194 195 196 197 197 198 200 200
11 Anforderungen an PC-Meßplätze in der automatisierten Meßtechnik
. . . 209 (Annin Preuss)
11.1 Rückblick 209 11.2 Anforderungen an den PC (Hardware) 210 11.3
Anforderungen an das Softwaresystem . . . . . . . . . . . . . . . .
. 212 11.4 Anforderungen an das Gesamtsystem 212 11.5 Möglichkeiten
zur Programmerstellung 214 11.6 Programmgenerator . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 11.7 Ein Beispiel 217
11.8 Einbindung fremder Meßgeräte 11.9 Meßwertanalyse . . . . . . .
. .
XIII
12 Integrierte Meßdatenerfassung - Von der Datenaufnahme bis zur
.... 229 Versuchsdokumentation (Joachim Hilsmann und Karlheinz
Stein) 12.1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 229 12.2 Einordnung des Begriffs "Integrierte
Software" 229 12.3 Integrierte Software für die Meßtechnik 231 12.4
Die Konzeption des Softwarepakets signalys . . . . . . . . . . . .
. . 234 12.5 Unterstützende Funktionen 240 12.6 Zusammenfassung und
Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
TelllV Hardware-Aspekte und Anwendungen 243
13 Erfassung und Verarbeitung dynamischer Meßsignale mit dem pe .
245 (Hendrik Imme/) 13.1 Problemstellung 245 13.2 Meßwerterfassung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
13.2.1 On-line-/Off-line-Erfassungssysteme 246 13.2.2 Architektur
von Off-line-Meßwerterfassungssystemen 247 13.2.3 Triggerverfahren
zur Datenreduzierung 251 13.2.4 Kontinuierliche Meßwerterfassung .
. . . . . . . . . . 252 13.2.5 Der PC als Speicheroszillograph 256
13.2.6 Entscheidungshilfen für die Auswahl des geeigneten Systems
256
13.3 Meßwertverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 260 13.3.1 On-line-Verarbeitung von Ergebnissen 260
13.3.2 Off-line-Verarbeitung von Ergebnissen. . . . . . . . . . ..
261
14 PP2 - Eine typische Prozeßperipherie (Hans-Joachim Schuster) . .
. . .. 263 14.1 Einleitung 263 14.2 Allgemeiner Aufbau
........................... 264 14.3 Systembusanschaltung 265
14.3.1 Software 265 14.3.2 Hardware 266
14.4 IEC-Bus-Anschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .. 266 14.4.1 Software 268 14.4.2 Hardware 269
14.5 DMA-Anschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .. 271 14.5.1 Software 272 14.5.2 Hardware 274 14.5.3
Anwendungsbeispiele 275
14.6 Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .. 278 14.6.1 Digitale Ein-/Ausgabefunktionen 278
XIV
14.7.2 Softwaremodule 14.7.3 Anwenderprogramme .
15.1.1 Trend Off-line / On-line 287 15.2 Systemunterschiede . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
15.2.1 Unterschiede Laborbetrieb / Industriebetrieb 288 15.2.2
Multiplexer 288
15.3 Anforderungen an moderne Systeme . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 291 15.3.1 Befehlssyntax, Systemintelligenz 295 15.3.2
Anschluß an den Computer 296 15.3.3 Ausblicke 297
15.4 Auswahl des Computertyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 298 15.5 Standard-Programmiersprachen BASIC, Pascal
298
15.5.1 Maschinenprogrammierung 299 15.5.2 Software 302 15.5.3
Tendenzen 302
15.6 Erläuterungen anhand eines modernen Meßwerterfassungssystems .
303
16 Resümee, Vergleiche, Ausblicke (Harald Schumny) . . . . . . . .
. . . . . 307 16.1 Automatisierung von Meßprozessen 307 16.2
Normung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 313 16.3 Leistungsfähigkeit 315 16.4 Was ist zu erwarten? . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .. 319
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .. 323
4 Software ffir Datenerfassung und -auswertung .
........................ 65 von Harald Schumny
1 pe und Standardisierung
Über Normen und Vereinheitlichungen für Personal- bzw.
Arbeitsplatzcomputer wird auf verschiedenstem Niveau geschrieben.
In der Regel aber wird wirksame Standardisierung durch Marktführer
bestimmt. Wir wollen hier einen zusammen fassenden Überblick geben
und erkennbare Standardisierungen noch einmal herausstellen. Die
denkbare Frage nach dem Sinn von Normungen bzw. nach den durch zu
starke Festlegungen möglicherweise entstehenden Behinderungen wird
aus der Erfahrung wie folgt beantwortet:
Selbst Vereinheitlichungen auf niedrigem Niveau und etwas zurück
hinter dem Stand der Technik sind hilfreicher, als es eine
zufällige oder gewollte Vielfalt sein kann. Nicht in jedem Fall ist
die sofortige Einführung der "neuesten Generationen" sinnvoll;
Funktionierende Meß- und Kontrollsysteme sollten weiterarbeiten
dürfen, es sei denn, sie stören das Gesamtkonzept. Über die dann
aber notwendigen In vestitionen und Zeitaufwendungen wird in
diesem Buch noch gesprochen werden.
1.1 Computerfamilien
Repräsentative tabellarische Übersichten in 11.1/ und 11.2/ stellen
die für Mitteleu ropa in den Jahren 1985 und 1986 relevanten
Mikrocomputer vor. Enthalten sind bis über SOO Typen mit
verschiedenen Mikroprozessoren und unterschiedlicher Größe
(Handcomputer, Videocomputer, Personalcomputer). Die für 1987
ermit telte Tabelle in 11.31 enthält nur noch Computer vom Typ
"PC", wobei die über 350 PCs nur die dem Autor bekannten
sind.
Die in 11.1/ ebenfalls enthaltenen Mikroprozessortabellen umfassen
216 verschie dene 8-Bit-Prozessoren, 35 wichtige
16-Bit-Prozessoren und elf 32-Bit-Prozesso ren. Deutlich erkennbar
dominieren aber die PCs mit den in Tabelle 1.1 angegebe nen
Prozessorfamilien und Betriebssystemen. Es hat sich mithin so etwas
wie eine Standardisierung bei den Persona/computern ergeben.
1.1.1 Die Hardware
Bild 1.1 faßt alle wesentlichen Komponenten eines Personal- bzw.
Arbeitsplatz computers zusammen. Die Abhängigkeit zwischen
Mikroprozessor und Betriebs system wird in Abschn. 1.2
weiterverfolgt. Hier listen wir die hervorragenden
Hardware-Eigenschaften heutiger "Standard-PCs" auf, für die weithin
als Gattungsbeschreibung Pe-Kompatibilität herangezogen wird (Seite
5 oben).
4
Prozessor Wortbreite häufiges typische PCs (bit) Betriebs-
system
6502 8 Apple 11, Atari, Commodore
ZBO 8 CP/M Cromemco, Epson QX-I0, HP-125, ITT 3030, Kontron Psi 80,
Olympia Boss, Osborne, Philips P3500, Schneider, Sharp MZBOB TA
alphatronic, Tandy TRS-80, Xerox 820
8088 8/16 PC-DOS IBM 8086/186 16 MS-DOS und sehr viele andere 80286
80386 32
68000 16/32 UNIX Apple Lisa, HP-200, Kontron, Siemens, Sun, Tandy
und viele andere
Mikroprozessor \
'\ y
8088 MS-DOS 80 Zeic Steckplätze 68000 UNIX (Slots) \
I I ..-
.\ RAM : ~
128 Kbyte 11 I I I ... II I I I 1 Mbyte
r+ -;/ //" h'" /- '/" /ß t
- -. . . ... ~
irm: en je hen
Tastatur: ASCII , DIN oder "IBM"
Erweiterungs box
Bild 1.1 Personal- bzw. Arbeitsplatzcomputer in
Standardausführung
- Mikroprozessor 8088, 8086, 80286 oder 80386; - Koprozessoren
8087,8089 oder 80287 möglich; - Arbeitsspeicher mindestens 128
Kbyte, bis weit über 1 Mbyte ausbaubar; - Massenspeicher 5114"
Floppy Disk (133 mm Durchmesser) mit IBM-Aufzeich-
nungsformat (360 Kbyte oder 1,2 Mbyte); nun auch 3112" (89 mm); -
Festplatte (Winchester) mit mindestens 20 Mbyte Speicherkapazität;
- einheitliche Tastatur nach IBM-Muster; - Standardgraphik (auch
mehrfarbig) mit 320 * 200 bis ca. 800 * 600 Punkten; - Anschluß für
Drucker an Centronics- oder serieller Schnittstelle; - Anschluß für
eine Maus; - serieller Anschluß für Datenkommunikation; - freie
Steckplätze (Slots) für Leiterplatten im IBM-Format.
5
Bei Vorliegen dieser Merkmale spricht man von
Hardware-Kompatibilität. Es gibt weltweit hunderte von
PC-Herstellern und Zulieferern, die PC-verträgliche Steck karten
für nahezu alle nur denkbaren Aufgaben anbieten. Es gibt
verschiedene Graphikverbesserungen (s. 1.2.5) und spezielle
Ergänzungen, z.B. für Personal Instrnmentation (s. 1.3.3 und Kap.
7), für Entwicklung (CAE, Computer Aided Engineering), für
Konstruktion (CAD, Computer Aided Design), Qualitätskontrolle (CAQ,
Computer Aided Quality) usw.
Selbstverständlich existieren andere Computer mit abweichender
Hardware und teilweise besseren Eigenschaften (z.B. die mit
Prozessoren der 68000-Familie, s. Abschn. 1.2.2, Tabelle 1.2). Die
Hardware- und Software-Unterstützung ist jedoch für die
IBM-kompatiblen Geräte weitaus am größten.
1.1.2 Die Software
Wegen der oben erwähnten Bindung zwischen Mikroprozessor und
Betriebssystem spricht man auch von MS-DOS-Computern, wenn man die
Software-Kompatibili tät meint. Zwar werden auch noch PCs mit dem
Betriebssystem CP/M verwendet, und zunehmend setzt sich nun UNIX
durch. Für allgemeine Anwendungen und für den Einsatz in
technischen Bereichen ist aber MS-DOS dominierend.
Allgemein gilt: Jeder Computer ist so wertvoll wie die Qualität der
verfügbaren Software. Darum haben die Programmierung und die
Auswahl von Programmen einen hohen Stellenwert. Daraus läßt sich
folgern, daß Auswahl und Einsatz eines PC vor allem vom Komfort und
den Möglichkeiten bei der Programmierung und Bedienung abhängig
gemacht werden sollten. Das Betriebssystem und die Pro
grammiersprache (Bild 1.2) sind demzufolge wesentliche
Auswahlkriterien.
Betriebssysteme sind entweder an bestimmte Hersteller oder PC-Typen
gebunden (z.B. Apple, Digital Equipment, Hewlett-Packard), oder es
werden De-facto Standards verwendet, vor allem MS-DOS und UNIX.
Leider aber ist die Standar disierung im zweiten Fall nicht so
eindeutig, weil verschiedene Versionen und gar ein paar
grundsätzliche Abweichungen vorkommen.
6
Die am weitesten verbreitete Programmiersprache ist BASIC. Neben
der leichten Erlernbarkeit ist der Hauptgrund hierfür die
Möglichkeit des interaktiven Arbei tens am PC. Darunter versteht
man die Tatsache, daß das Interpretierer genannte Betriebsprogramm
die Umsetzungen zwischen den BASIC-Anweisungen und dem
Maschinencode jeweils unmittelbar ausführt. Compiler übersetzen
dagegen immer nur vollständige Programme; ein Dialog zwischen
Mensch und Maschine ist damit kaum möglich.
Mit BASIC sind aber auch Nachteile verbunden: - Die BASIC-Versionen
der verschiedenen PC unterscheiden sich oft; - die
"Standard"-Version BASICA oder GW-BASIC bieten keine
Sprachelemente
und Strukturen für Prozeß-Ein-/Ausgaben; - das Interpretieren von
BASIC-Anweisungen kostet Zeit, die Reaktionszeiten
beim Einsatz für Messen, Steuern und Regeln können zu lang werden.
Abhilfe bringt dann die Anwendung eines BASIC-Compilers, die Wahl
einer besser ge eigneten Programmiersprache, das Auslagern
zeitkritischer Teile inAssembler programme oder die Anschaffung
eines "schnelleren" PCs.
Zur Vertiefung des Themas Programmieren können die unter /1.4/ ..
./1.10/ ge nannten Bücher dienen. Erwähnt werden muß aber, daß
sog. Standard-Software das Programmieren häufig überflüssig macht,
weil diese Programmpakete Komplettlösungen für bestimmte
Anwendungen bieten. Allerdings sind diese Pakete in der Regel
teuer, manchmal nicht änderbar, teilweise schwer erlernbar. Wir
werden hierauf noch zurückkommen.
Programmiersprac hen
orientiert COBOL
-~~._.- PEARL EXAPT
null Mosch.- Code
Dialog - Lernen kommerziell Messen,Steuern technisch WISS. - -
Regeln I PDV I
Bild 1.2 Zuordnung wichtiger Programmiersprachen (Auswahl) zu
Anwendungsbereichen
7
Der Begriff Personalcomputer (PC) hat sich im deutschen
Sprachgebrauch weit gehend durchgesetzt für Geräte zum
"persönlichen" Gebrauch direkt am Arbeits platz. Zu den äußeren
Abmessungen, der grundsätzlichen Leistungsfähigkeit und den
Ausbaumöglichkeiten gibt die Bezeichnung PC zunächst jedoch keine
Aus kunft. Dazu kommen die zum Teil sehr verschiedenen
Verwendungen als beispiels weise Bürocomputer (Office automation)
oder Arbeitsplatzcomputer (APC; eng!. Workstation). Wir werden
nachfolgend die heute akzeptierten Anforderungen an PCs skizzieren
und übliche bzw. wünschenswerte Konzepte und Methoden bespre
chen.
1.2.1 Allgemeines
Programme.
Mit dem Betriebssystem MS-DOS sind nur 640 Kbyte Arbeitsspeicher
nutzbar. Jedoch können alle PCs heute entsprechend dem von den
Firmen Lotus, Intel, Microsoft (LIM) entwickelten Expanded Memory
Standard (EMS) bis auf 16 Mbyte adressieren, wodurch "1 Mbyte"
zumindest für Daten und spezielle Programme deutlich überschritten
ist. In die neuen MS-DOS-Versionen 4.x ist diese Möglich keit
integriert, so daß 16 Mbyte direkt nutzbar sind.
Die Rechenleistung 1 MIPS wird von PCs mit dem Prozessor 80286
überboten. Anders ist es bei den Bildschirm-Graphiken. Die neuen
"hochauflösenden" Standards bieten bei 640 * 480 Bildpunkten nur
ca. 307 000 Pixels. Nur mit teuren Graphikkarten und speziellen
Bildschirmen ist die "l-M-Auflösung" erreichbar.
Die Datenrate von 1 Mbit/s ist prinzipiell möglich, wenn der
Rechner mit einer Schnittstellenkarte gemäß V.ll oder RS-485 (s.
Kap. 2) ausgerüstet ist oder einen speziellen Anschluß für ein LAN
(Local Area Network) besitzt. Aber auch dann kann "zu langsame"
Software die Nutzung der hohen Übertragungsrate behindern.
Multitasking ist bislang mit MS-DOS-Computern nicht möglich; dieses
Betriebs system kann auch in der neuesten Version 4.x nur ein
Programm zu einer Zeit ab arbeiten. Windowing, also die
Darstellung verschiedener Ereignisse oder Ergeb nisse gleichzeitig
auf dem Bildschirm, ist mit MS-DOS demzufolge ebenfalls auf jeweils
ein Programm beschränkt. Auswege werden in Kapitel 3 aufgezeigt
(z.B. UNIX, OS/2).
8
Prozeßperipherie.
Vor allem das letzte Kriterium kann erfüllt werden, wenn der
verfügbare PC ein MS-DOS-Computer ist, der entsprechend 1.1.1 und
1.1.2 in Hardware und Soft ware verträglich mit dem durch die Fa.
IBM gesetzten Standard ist. Damit ist nämlich ein offenes System
eingeführt, das bei Verwendung von "Standard"-Hard ware und
-Software den modularen, flexiblen und kostengünstigen Aufbau von
Meß- und Kontrollsystemen gestattet. Dazu später mehr.
1.2.2 Hardwareentwicklung
Tabelle 1.2 benutzt Arbeitsplatzcomputer (APe) als "Oberbegriff'
und ordnet dar unter die wichtigsten Computerfamilien mit ihren
Hauptmerkmalen ein. Dazu ge hört heute die Macintosh-Familie von
Apple (kurz als "Mac" bezeichnet). Aber auch die MicroV AX der Fa.
Digital Equipment Corporation (DEe) sowie die Sun und
Hewlett-Packard-Computer (HP) zählen wir dazu. Als aktuelles
Beispiel für eine äußerst leistungsfähige Workstation (WS) ist der
neue Computer "Next" des Apple-Gründers Steven Jobs
aufgenommen.
Tabelle 1.2 APC-Familien mit ihren Hauptmerkmalen
APC- Prozessor Daten- System- Betriebs- Firmen Familie bits Bus
system
pe/AT 80286 16 ISA MS-DOS welt- 80386 32 weit
PS/2 80286 16 MCA MS-DOS, IBM 80386 32 OS/2
WS 68010 16 VME UNIX viele 68030 32
MacH 68010 16 Nu Apple, Apple 68030 32 UNIX,
MS-DOS
Sun 68xxx 32 UNIX Sun, HP/Apollo oderRISC HP
9
Einige der in Tabelle 1.2 verwendeten Abkürzungen sind bereits
erklärt, andere werden unten benannt. Der Rest bedeutet: - ISA:
Industry StandardArchitecture (gewöhnlich PC-Bus genannt) - MCA:
Microchannel Architecture (Mikrokanal) - VME: Versa Module Europe
(Normungsausschuß IEEE P1014) - MS-DOS: Microsoft Disk Operating
System (Plattenbetriebssystem) - OS/2: Operating System 2
Beim PC-Systembus ist sichergestellt, daß auf der Mutterplatine
(motherboard) der 16-Bit-PCs vom Typ AT sowohl 8-Bit- als auch
16-Bit-Platinen gesteckt werden können. Diese "kompatible"
Konstruktion wird ISA genannt. Das Prinzip wurde auch auf die
32-Bit-ATs übertragen, womit eine durchgängige Verträglichkeit der
Hardware (der Platinen) vom 8-Bit- bis zum 32-Bit-PC erreicht
ist.
Mit der Vorstellung der "Mikrokanal-Architektur" (MCA) hat die IBM
versucht, den mit dem offenen ISA-System verlorenen PC-Markt
zurückzuerobern. MCA ist völlig unverträglich mit ISA, d.h.
vorhandene Steckkarten können nicht mehr ver wendet werden. Und
alle Schutzrechte für MCA werden durch IBM rigoros in An spruch
genommen. Um diese Restriktionen zu bekämpfen, haben sich im
Septem ber 1988 führende PC-Hersteller zusammengeschlossen und die
Definition einer "Erweiterten Industrie-Standard-Architektur" EISA
beschlossen. Inzwischen sind Bus-Chips am Markt, 32-Bit-ATs werden
angeboten.
EISA ist für die 32-Bit-Prozessoren 80386 und 80486 spezifIZiert
und erhält dem zufolge einen 32-Bit-Datenbus und einen ebenso
breiten Adreßbus. Alle 8-Bit- und 16-Bit-Komponenten sind
lauffähig. Die wesentlichen Unterschiede zu MCA sind in Tabelle 1.3
zusammengefaßt.
Tabelle 1.3 EISA kontra MCA
EISA Microchannel (MCA)
Datenbus 32 bit 32 bit Busgeschwindigkeit 33 Mbyte/s 5 Mbyte/s
Adreßbus 32 bit (4 Gbyte) 24 bit (16 Mbyte) DMA 33 Mbyte/s 20
Mbyte/s mehrere Busmaster ja nein Interrupts programmierbar ja nem
Steckplätze 15 8 automatische Konfigurierung ja nein DIP-Schalter
nein ja
Wenn wir uns nun auf Rechner mit Intel-Prozessoren der
"80er"-Familic konzen trieren, kommen wir zur Darstellung Tabelle
1.4. Darin bedeuten
10
- Workstation: Arbeitsplatzcomputer, meist mit Motorola-Prozessoren
(68000- Familie) und UNIX
-RT: - RISC: -CGA: -EGA: -HGA: -PGA: -VGA:
RISC Teehnology (IBM) Redueed Instrnetion Set Computer Color
Graphies Adapter (320/640 '" 200 Bildpunkte ) Enhanced Graphics
Adapter (640 * 350) Bereules Graphies Adapter (720 * 348)
Professional Graphies Adapter (640 * 480) Video GraphieAnay (neuer
IBM-Standard)
In 1.2.5 werden weitere Graphik-Details gegeben. Hier runden wir
die Hardware entwicklung mit Bild 1.3 ab, wodurch eindrucksvoll
die Zunahme der Mikropro zessor-Rechenleistung deutlich wird. Nach
1985 sind neue VAX-Prozessoren und der Intel-Prozessor 80486 mit
weiter gesteigerter Rechenleistung auf den Markt gekommen.
Tabelle 1.4 PC-Klassen und Entwicklungsstufen
PC/XT PC/AT PS/2 PS/2 PS/2 Work- RT Mod30 Mod60 Mod80 station
Mikroprozessor 8088/ 8086
Adreßraum (byte) 640 K Ausbau bis 1 M nachEMS 8M
Diskettengröße Kapazität (byte)
Festplatte(byte) ... bis ca.
3.3 OS/2
3.3 OS/2
640K 640K 1M 2M xM xM 1M 15M 16M 16M
51/4" 1,2M
20M
3 1/2" 3 1/2" 3 1/2" 720 K 1,44 M 1,44 M
20M 44,7M 115M
div.
1,5 2,5 x 2 x 3,5 x 5-15 PC/XT PC/AT PC/AT
div.
2
100000
80386* ~ 10000 VAX8600 Cl> VAX n 17B5 c: .e 80286* '" r:- ..:::
VAX[1750 E 1000 ~ c: co E BOBS* .g
100 Cl> C>-
Bild 1.3 Leistungsfähigkeit von Intel-Mikroprozessoren im Vergleich
zu V AX Rechnern.
11
Die Rechenleistung wird sehr unterschiedlich beurteilt. Es gibt
nicht nur ver schiedene Kriterien oder "Maßzahlen" wie z.B. die
dhrystones/second in Bild 1.3 oder MIPS oder FLOPS (Floating-point
Operations Per Second), sondern auch die selbe Angabe in z.B. MIPS
meint oft Verschiedenes. Um einigermaßen vergleich bare Werte zu
bekommen, wird darum häufig als "Standard" die Recheoleistung der D
EC-Rechner VAX lln80 herangezogen und als 1 VAX MIPS zugrundege
legt.
Auf dieser Basis werden die PC-Leistungen 1987/88 mit 1-4 MIPS
angegeben. Die aufzuwendenden Kosten dafür (in US $) werden
beziffert zu - 1987 $ 5.000/MIPS - Ende 1988 $ 3.000/MIPS - 1990 $
l.000/MIPS
Schwierigkeiten gibt es noch bei der Beurteilung von RISC-Maschinen
(RISC MIPS ?). Beispielsweise wird der ffiM RT PC mit 2 MIPS
angegeben. Real kön nen aber nur 0,8 PC/AT MIPS gemessen
werden.
Generell werden von den PC-Herstellern zwei "Philosophien"
verfolgt: 1. Gruppe - PCs schneller machen, von ca. 1 MIPS
(1986/87) auf 10 MIPS (z.B.
die neuen PC/AT486,Apollo, HP, Sun für etwa $ 20.000) und weiter
auf 100 MIPS;
2. Gruppe - PCs müssen nicht immer 10 MIPS und mehr bieten,
vielmehr sollten weniger leistungsfähige, kostengünstige PCs
miteinander vernetzt werden (shared resources by networking, z.B.
DEC).
1.2.3 Softwareentwicklung
12
- Erfüllen die lauffähigen Programmiersprachen alle Anforderungen
an Datenraten und Verarbeitungsgeschwindigkeit oder muß auf
Assembler Programmierung ausgewichen werden?
- Werden ausreichende Möglichkeiten zur Meßdatenauswertung
(Statistik) und zur graphischen Darstellung geboten?
- Sind Softwaremittel zur Verbindung mit anderen Rechnern
verfügbar?
Diese Fragen sind teilweise miteinander gekoppelt, bei
differenzierter Betrach tungsweise müssen sie vielleicht auch
anders gestellt werden. Die wesentlichen Aspekte sind jedoch
berücksichtigt.
Die Software-Situation kann, was die Programmiersprachen angeht,
als einiger maßen stabil angesehen werden. Verfügbar sind die in
Bild 1.2 genannten Spra chen, dazu kommen vor allem noch C, ELAN
und Modula. Nach wie vor führt bei Selbstprogrammierern BASIC
gefolgt von Pascal und verstärkt C. Natürlich wird auch oft im
Assembler programmiert.
Die von Microsoft für PCs als "Standard-Programmiersprache"
entwickelten BASIC-Versionen heißen BASICA oder GW-BASIC. Die mit
solchen interpretie renden Sprachen verbundene Möglichkeit der
interaktiven Nutzung, also des di rekten Dialogs mit der Maschine,
ist der Hauptgrund für die starke Verbreitung.
Von den bekannten Nachteilen des "Interpreter-BASIC" ist eigentlich
nur einer verblieben, nämlich der große Zeitbedarf für das
Interpretieren. Als Abhilfe gilt hier: alle nicht für den
interaktiven Einsatz vorgesehenen Programmteile nach der
Fertigstellung mit einem passenden BASIC-Compiler in Maschinencode
über setzen, also direkt lauffähige COM- oder EXE-Files
erzeugen.
Wichtige BASIC-Compiler sind: Quick-BASIC von Microsoft und
Turbo-BASIC von der Fa. Bor/and, von der auch Turbo-Pascal stammt.
Wir haben Quick-BASIC aus zwei Gründen als "Standard" eingeführt:
Dieser Compiler erzeugt schnell ab laufende Programme, und er
bietet Software-Schnittstellen zu den anderen "Micro
soft-Sprachen" wie C, Pascal, FORTRAN. Weitere Merkmale: - moderne,
menügeführte Benutzeroberfläche, - integrierter Editor, mit W
ordstar verträglich, - komfortable Fehlerbehandlung, - arbeitet mit
Objekt-Modulen, - unterstützt den Arithmetikprozessor 8087 oder
80287, - keine Begrenzung auf 64 Kbyte Programm- bzw.
Datenftlelänge.
Somit empfiehlt sich aus unserer Erfahrung die folgende
Software-Hierarchie: - Assemblerroutinen als z.B.
Schnittstellentreiber und bei hohen Echtzeitanforde
rungen;
13
- Quick-BASIC für Komplettprogramme mit Schnittstellen zu z.B.
Pascal oder FORTRAN;
- Pascal oder FORTRAN für technisch-wissenschaftliche Berechnungen;
- Standard-Software (s. Kapitel 4) wie Crosstalk, DADiSP, DIA-PC,
MS-WORD,
dBASE usw. für diverse Aufgaben.
Eine Zusammenfassung wichtiger Programmiersprachen ist mit Bild 1.4
versucht. Bild 1.5 verdeutlicht ein wenig die
Sprachen-Historie.
Zunehmend wird versucht, Probleme mit sog. Standard-Software zu
lösen. Dabei handelt es sich um spezialisierte oder allgemeine
Programmpakete, die in der Regel per Bildschirmmenü nutzbar sind
(s. hierzu 1.2.4). Ein Aspekt bei der Auswahl ist natürlich das
zugrunde liegende Betriebssystem: die meiste Standard Software
gibt es für MS-DOS.
maschinen- orientierte Sprachen
problem- orientierte Sprachen
benutzer orientierte Sprachen
SQL (~GLl
APL COBOL 60
1960 ALGOL 60
für die verbesserten Typen PC/XT
für die leistungsfähigen Typen PC/ AT für das neue System
PS/2
mit integriertem UM -EMS-Treiber
Bild 1.6 Entwicklungsstufen des PC-Betriebssystems MS-DOS
Die Entwicklung des von der Fa. Microsoft vorgestellten Disk
Operating Systems ist mit Bild 1.6 angegeben. Daraus wird deutlich,
daß in der Version 5, die mit OS/2 bzw. BS/2 übereinstimmt, ein
einzelner Benutzer (single user) Multitasking und 16 Mbyte
Arbeitsspeicher nutzen kann. Außerdem ist die Emulation von MS-DOS
3.3 im sog. Real Mode der Prozessoren 80286 und 80386 möglich,
allerding mit erheb lich eingeschränkter Leistungsfähigkeit
(langsamer als auf PC/AT).
In technisch-wissenschaftlichen Anwendungen ist seit längerer Zeit
UNIX der Favorit, weil Multiusing und Multitasking
selbstverständlich sind. Workstations der höheren Leistungsklasse
arbeiten unter UNIX. Aber auch Standard-PCs sind in der Lage,
dieses Betriebssystem zu "fahren". In Abschn. 1.3 und Kapitel 4
wird die "Betriebssystem-Szene" in Hinblick auf technische
Anwendungen weiter verfolgt.
1.2.4 Benutzerschnittstellen
Wir verstehen darunter die Hardware- und Software-Einrichtungen
eines Com puters, mit deren Hilfe ein Benutzer am System arbeitet.
Es gibt ein paar ver schiedene Konzepte, die zumindest teilweise
auch die technologische Leistungs fähigkeit des jeweiligen
Herstellers dokumentieren. Nachfolgend werden die der zeit
relevanten Benutzerschnittstellen vorgestellt. Gemeinsam ist allen
der Bild schirm (bzw. die Flüssigkristall- oder Plasmaanzeige )
für Meldungen, Hinweise, Aufforderungen, Wahlmöglichkeiten,
numerische und graphische Ausgaben usw. Bild 1.7 zeigt ein paar
wichtige Komponenten einer modernen Benutzer-Ober fläche:
Tastatur, Bildschirm, Maus, Graphiktablett. Ausführung, Benutzung
und Programmierung der Bedienungskomponenten sind bei PCs
weitgehend verein heitlicht.
Verschieden ist vor allem die Art der Kommandoeingabe. Dabei werden
drei Grundtypen unterschieden:
Monitor
- Kommandogetührte Nutzung (command driven) mit Tastatureingabe von
z.B. dir Enter für das Floppy-Disk-Inhaltsverzeichnis (directory)
Ctrl p für Umschaltung auf Drucken (print) Ctrl i für Darstellung
in Kursivschrift (italics)
- Menügetührte Nutzung (menu driven), wobei alle Funktionen aus
Listen oder gekennzeichneten Feldern am Bildschirm abrufbar
sind
15
Eingaben über die alphanumerische Tastatur ist die am meisten
verwendete Methode. Es wird dabei jede Anweisung an das
Betriebssystem oder innerhalb ei nes laufenden Programms in
vorgeschriebener mnemonischer Schreibweise ein getastet (s.
oben).
Funktionstasten werden gerne benutzt, um zwischen
Auswahlmöglichkeiten (Menü) bequem entscheiden zu können.
Komfortable Systeme blenden die Funk tionstasten mit der
augenblicklichen Bedeutung beschriftet auf dem Bildschirm ein (Soft
keys).
Mit einer Maus können Menüfelder oder Ikonen auf dem Bildschirm
"angesteuert" und aktiviert werden. Diese bequeme Methode hat sich
weitgehend durchgesetzt. Eingaben über die Tastatur sind bei
mancher Software weitgehend überflüssig.
Berührungsempfindlicher Bildschirm (Touch screen) ist für
Prozeßleitstände eine bewährte Methode zur · direkten Anwahl von
Aktionen. In einer Version bilden vor dem Bildschirm angeordnete
Infrarotstrahlen matrixförmige Kreuzungspunkte, die
16
L (
Tastatur
Original
1814 1828 1844 1858
y 2256 2261 2268 2274 2283 2296
2071 2082 2994 2103
mit dem Finger oder einem Bleistift unterbrochen werden können,
wodurch zuge ordnete Programmteile starten.
Handschriftliche Direkteingabe ist eine interessante Methode, bei
der z.B. direkt per Hand auf ein Graphiktablett geschrieben wird.
Bild 1.8 erklärt, wie Schriftzüge digitalisiert und durch Vergleich
mit den Koordinaten abgespeicherter Muster er kannt werden.
Spracheingabe ist sicher eine hoch ausgebildete Form der
Kommunikation mit ei nem Computer. Versionen mit festem
Sprachumfang, aber auch lernende Systeme sind am Markt.
1.2.5 Graphik
Die PC-Graphik war im Anfang unterentwickelt. Während manche
Vorläufer des IBM-PC bereits Z.B. 800 * 640 Punkte
Bildschirmauflösung boten, kam der Ur-PC mit 320 * 200 Punkten bei
vier Farben und 640 * 200 bei monochromer Darstellung auf den
Markt. Diese mit CGA bezeichnete Graphik-Anschaltung wurde dann
aber ergänzt um die zunächst monochrome sog. Bereu/es-Auflösung
(HGA in Tabelle 1.5), später auch farbig verfügbar. Heute dominiert
EGA.
17
Tabelle 1.5 besteht zum größeren Teil aus IBM-Entwicklungen. Jede
aufeinander folgende Version hat eine höhere Auflösung und mehr
Farben gebracht, aber auch dem PC mehr Leistungsfähigkeit
(performance) abgefordert. Nach VGA mit 640 * 480 Pixels ist
bereits die "Display Adapter Card' 8514/A defIniert, die 1024 * 768
Bildpunkte ansteuert und dem PC-Zentralprozessor (CPU) viel
"Graphikarbeit" abnimmt. Darüberhinaus ist durch die IBM ein noch
leistungsfähigerer 32-Bit "Graphics System Proeessof' (GSP)
angekündigt.
Tabelle 1.5 Die wichtigen PC-Graphikauflösungen
Punkte Farben Zeilenfrequenz
CGA 320*200 4 15,75kHz Color Graphics 640*200 2 Adapter
HGA 750*348 monochrom 18,432kHz Hereules später auch Graphics
Adapter farbig
EGA 640*350 16 aus 64 21,85 kHz Enhaneed Graphies Adapter
HGC 720*348 4 High-resolution 752*410 Graphies Card
VGA 640*480 16 aus 64 30,6 kHz Video Graphie 800*600 AITay
PGC 640*480 16 aus 64 30,48kHz Professional 1024*768 256 aus 4096
Graphics 1280*960 6O,2kHz Controller
2048*1024 64,0 kHz
Zwei Entwicklungen gestatten nun die bequeme Nutzung der doch recht
verschie denen Graphik-Standards aus Tabelle 1.5: Die meisten
Graphik-Karten sind flexible Adapter für mehrere der bekannten
Standardauflösungen; einige Farb graphik-Bildschirme sind in der
Lage, sich auf die unterschiedlichen Zeilenfre quenzen
einzustellen (Multisync).
18
Damit ist die Benutzung der zahlreichen kommerziellen
Softwarepakete unproble matisch. Die Selbstprogrammierung
graphischer Ausgaben wird aber extrem da durch behindert, daß
manche Sprachen gar keine Graphikunterstützung bieten und da, wo
Graphikanweisungen verfügbar sind, diese von den Möglichkeiten, der
Syntax und dem Prinzip her voneinander abweichen. Zur Bereinigung
dieser miß lichen Situationen wurden die in Tabelle 1.6
aufgeführten Graphik-Standards ge schaffen, die sich zum Teil
ergänzen, teilweise aber konkurrieren (vor allem PHIGS und GKS).
Weitgehend durchgesetzt hat sich aber GKS /1.11/, die deutsche
Entwicklung Graphisches Kern-System.
Tabelle 1.6 Internationale Graphik-Standards für PCs
Core PHIGS
Graphical Kernel System, 2-0-Version mit 200 Funktionen,
3-0-Version mit weiteren 110 Funktionen Programmer's Minimal
Interface to Graphics (minimal möglicher Subset von GKS) Virtual
Device Interface (z.B. als Bindeglied zwischen PC Hardware und GKS
bzw. PHIGS)
Virtual Device Metafile (dient der Abspeicherung auf Massenspeicher
) NOTth American Presentation Layer Protocol Syntax Initial
Graphics Exchange Specijication (Schnittstelle zwischen
Graphik-Datenbank und Anwenderprogramm)
Graphics Environment Manager (Benutzerschnittstelle für MS DOS;
ähnlich wie beim Macintosh)
1.3 pe für Messen, Steuern und Regeln (MSR)
Dem Vorteil der beschriebenen PC-Standardisierung steht entgegen,
daß die PC Hardware und -Software für den Einsatz in der
Büroautomatisierung entwickelt wurden. In den Grundausführungen
fehlen deshalb für technische Anwendungen (für MSR) in der Tat
geeignete Hardwareschnittstellen und Softwareelemente, sowohl vom
Betriebssystem her, als auch bei den verfügbaren Programmier
sprachen.
19
1.3.1 Wünsche an Arbeitsplatzcomputer für MSR
Soll ein PC nicht nur für Berechnungen, Synthese, Analyse usw.
verwendet werden, müssen neben der Standardperipherie (z.B.
Bildschirm, Drucker) weitere System teile verfügbar sein, die
zusammengefaßt als Prozeßperipherie bezeichnet werden (Bild 1.9).
Darunter verstehen wir vor allem Meßgeräte, Sensoren und Stellein
heiten, aber auch Wandler (ADC/DAC) und Multiplexer (MUX) bzw.
Meßstel lenumschalter gehören dazu. Die für all diese Zwecke
verwendbaren Schnittstellen werden in Kapitel 2 besprochen.
Ein weiterer Aspekt ist die mögliche Verbindung eines PC mit
anderen Computern, um z.B. eine Aufgabenteilung zu realisieren oder
die Leistungsfähig keit eines Rechenzentrums in Anspruch nehmen zu
können. Dafür ist in Bild 1.9 eine spezielle Verbindung
eingezeichnet. Das bedeutet aber, der PC muß für diese Zwecke
geeignete Schnittstellen haben, und es müssen zugehörige
Sprachenele mente oder Treiberprogramme im PC verfügbar
sein.
Wie bereits erwähnt, ist die Softwarediskussion zu trennen in
Bereiche der kommerziellen Standardprogramme und die Probleme der
Selbstprogrammierer. Im letzteren Fall ist nach wie vor BASIC ZU
berücksichtigen. Jedoch kann für MSR die PC-Standardsprache
GW-BASIC nicht befriedigen, weil keinerlei Prozeßele mente
verfügbar sind. Es gibt aber BASIC-Versionen (z.B. HP-BASIC,
TBASIC), die spezielle Unterstützungen bieten. Nötig sind vor allem
Erweiterungen wie
Prozessor (CPU)
20
- CALL "Subroutine" (Aufruf mit symbolischem Namen) - GOTO "Label"
(Zielname und nicht absolute Adresse) - lokale Variablen (nicht nur
global defInierte Variablen) - SchniUstellenunterstützung.
Sind solche Möglichkeiten nicht verfügbar, wird das Programmieren
zumindest erschwert, Programmierung in Maschinensprache (Assembler)
ist dann oft unver meidlich. Ganz allgemein gilt: Die Software
unterstützung ist dann besonders gut, wenn der PC stark verbreitet
ist (wie vor allem der IBM PC und alle verträglichen - auch:
kompatiblen), oder wenn ein geeignetes Betriebssystem verwendet
wird. In diesem Sinne ist MS-DOS nicht geeignet.
Tabelle 1.7 Echtzeit-Betriebssysteme (RT-OS) für PCs
(Auswahl)
IBM und Microsoft
Andyne DSI Forth Hunter & Ready IGC Industr.Progr. Kontron
Real-TIme Comp.sc. Repas SESA Siemens Software Link THEOS
Software
OS/2
UNIX
PEARL in der Version PC-PEARL
CCP/M (Concu"ent CPIM) CDOS 186/286/386 entsprechen FlexOS
186/286/386 CD OS XM / 4.11 / Plus
iRMX (Multiuser 1 Multitasking) PC-MEDOS (MS-DOS plus iRMX)
PCMASCOT ChronOS polyFORTH VRTX VM/386 (kompatibel mit DOS 3.x und
DOS 4.x) MTOS RT/iX (C-Programme laufen unter MS-DOS 3.x) PC/RTX,
AT/RTX QNX SRE/86-PC RMOS286 PC-MOS/386 (Multiuser 1 Multitasking)
THEOS386
21
1.3.2 Verfügbare Software und Hardware
Spezielle Betriebssysteme für MSR, sog. Echtzeit-Betriebssysteme
(auch RT-OS, Real-Time Operating Systems), waren in der
Vergangenheit nur für spezielle (sprich: teure) Prozeßrechner
verfügbar. Nun gibt es eine Reihe von RT-OS für PCs, die einerseits
von bekannten Minicomputer-Systemen abgeleitet sind (z.B. iRMX),
teilweise speziell für PCs entwickelt wurden (wie FlexOS). Tabelle
1.7 gibt eine geringe Auswahl von in Deutschland angebotenen RT-OS
für MS-DOS-PCs an (s. hierzu auch Kap. 3).
Zwei etwas negative Aspekte dieser Systeme dürfen nicht unerwähnt
bleiben: (1) die Preise dafür sind zum Teil recht hoch; (2) um die
Echtzeiteigenschaften nutzen zu können, müssen Programme in
irgendeiner Sprache selbst erstellt werden (z.B. in C). Die in
großer Anzahl verfügbare MS-DOS-Software ist "unter" solchen RT OS
entweder nicht lauffähig, oder es muß in den MS-DOS-Modus
umgeschaltet werden, wodurch dann die Echtzeiteigenschaften wie
z.B. Multitasking verloren gehen.
Für Aufgaben der Meßdatenerfassung und -auswertung werden vielfach
andere Wege beschritten. Bild 1.10 zeigt beispielhaft drei
Grundverfahren der Integration von Hardware und Software.
PC-Beispiele Hardware Software
Spez.
IBM PC/AT o/~1 . I f speuel
Bild 1.10 Drei Grundverfahren zur Verkopplung von Hardware und
Software für technische Anwendungen
22
Im Fall a) ist der PC so ausgelegt, daß für MSR-Aufgaben die
Schnittstellen Hardware und die zugehörige Software integriert
sind. Das bedeutet konkret, es sind z.B.in die Sprache BASIC
Elemente und Strukturen eingebunden, die die Intenupt-Behandlung
und Schnittstellenbedienung extrem vereinfachen. Verwen det werden
Standard-Schnittstellen wie beispielsweise RS-232-C oder IEC 625
(vgl. hierzu Kap. 2). In einer Variante wird von HP ein
Schnittstellenprozessor angeboten, der aus einem PC einen
integrierten Schnittstellen-Controller macht mit gleichem
Sprachumfang wie beim HP-200.
Im Fall b) sind Hardware und Software ebenfalls integriert,
Systemklammer ist aber ein spezieller Bus (z.B. der PCIB von HP),
für den Meßinstrumente nur von diesem einen Hersteller bezogen
werden können.
Im Fall c) wird der IBM PC weiter als offenes System verwendet, in
den z.B. eine IEC-Bus-Schnittstellenkarte eingesteckt ist. Die
Eignung für MSR wird erzielt durch den Einsatz von sog.
Standard-Software-Paketen, die teilweise enorm leistungsfähig, aber
schwer zu handhaben sind, zum anderen Teil durch bequeme
Benutzerführung direkt genutzt werden können. Eine Auswahl ist in
Tabelle 1.8 zusammengestellt. In Kapitel 4 wird hierzu noch
detailliert berichtet.
1.3.3 Personal Instrumentation
Dieses wichtige Verfahren zur Instrumentierung von PCs (PI) wird
ausführlich in Kap. 7 behandelt. Hier sollen nur Grundideen und
Abgrenzungen aufgezeigt wer den, wozu wir Bild 1.11 heranziehen
und zeigen, wie aufgrund dieser Idee alle re dundanten,
preistreibenden Teile komplexer Meß- und Steuerungssysteme elimi
niert werden. Auch lassen sich Schnittstellen- und Softwareprobleme
minimieren und einheitliche Bedieneroberflächen realisieren.
Meßgerät 1 Meßgerät 2
Tabelle 1.8 Software für Datenerfassung und -verarbeitung mit
Grobpreisen inklusive Mehrwertsteuer (Stand: Ende 1987)
Meßdaten-Vertrieb Bezeichnung Erfassung Verarbeitung
Kommentar
Datalog MESSANAL YST-2 ab 1300, SOFf GRAPH
GfS DIA-PC
Keithley ASYST
leistungsfähig
einfache, sehr übersichtliche Bedienung; sehr leistungsfähig;
arbeitet wie Spreadsheet
Software und Hardware für Erfassung und Verarbeitung
In Kap. 7 werden auch die Vor- und Nachteile der beiden
Hauptverfahren für PI diskutiert:
(1) Der PC als Meßinstrument durch Einstecken von speziellen
Funktionskarten auf den PC-internen Systembus vom Typ ISA, EISA,
MCA, VMEbus, VXIbus, Nubus usw. (vgl. Kap. 2).
24
(2) Bereitstellen der Meß- und Steuerungsfunktionen durch
Anschalten einer ex ternen Box (Personal Instrumentation Box, PIß)
an den PC mit Hilfe von Stan dard-Schnittstellen oder einer
speziellen Buskarte.
In beiden Fällen werden Meßfunktionen mit Einsteckkarten
bereitgestellt und mit Hilfe von PC-Software verfügbar gemacht. In
der Fachliteratur ist dafür nun die Bezeichnung "Instrnment on a
card" geprägt.
Als Grundkonzepte für PI können zusammenfassend die folgenden
genannt wer den:
- Komponenten mit direktem Zugriff auf den PC-Systembus; manchmal
sind Module auswechselbar oder aufeinander zu stecken.
- Platinen zum Einstecken in den PC-Bus; davon gibt es eine enorme
Auswahl von vielen Anbietern, oft zusammen mit der in Bild 1.10
genannten Software nutzbar.
- Buserweiternng in der Form, daß eine externe Box an den PC über
einen Bus Steckplatz oder Standard-Schnittstellen angeschlossen
ist. Dadurch bleiben PC Steckplätze frei.
- lEe-Bus (auch IEEE-488-Bus) zur Zusammenschaltung von 15 Geräten
bei einer Gesamtlänge von ca. 20 m.
- Serielle Verbindung für größere Entfernungen, z.B. zur
Automatisierung einer Fabrikhalle.
- Front-end als "intelligentes" Subsystem zur Entwicklung
flexibler, leistungsfähiger MSR-Systeme.
Tabelle 1.9 Einige Vor- und Nachteile verschiedener
PI-Methoden
Schnittstellen- Vorteile typ
IEC-Bus (IEEE-488)
parallele Anordnung, viele Geräte verfügbar, nur ein Steckplatz für
15 Geräte
Nachteile
langsamer als Plug-ins, nur 8 bit breit, komplexe Protokolle und
Gerätenachrichten
RS-232-C (V.24)
LANs
25
Einige Vor- und Nachteile sind in Tabelle 1.9 zusammengestellt.
Eine wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang der IEC-Bus, der
darum später noch aus führlicher erläutert wird. Wir werden aber
auch auf die technischen Weiterent wicklungen und
Zukunftsaussichten eingehen und z.B. neue Entwicklungen wie VXIbus
und serielle Schnittstellen wie RS-485 besprechen (Kap. 2).
Zunehmende Bedeutung wird die Zusammenschaltung oder gar Vernetzung
von PCs untereinander oder mit einem übergeordneten Computer
erlangen. Grundla gen und Normungen dazu werden in Kap. 2
(Schnittstellen und Netze) behandelt.
2 Schnittstellen und Netze
Arbeitsplatzcomputer sind heute sehr leistungsfähig und
kostengünstig. Einige Hersteller rüsten ihre Geräte in Hardware und
Software speziell aus, z.B. für Text verarbeitung,
Datenbankverwaltung, Graphische Datenverarbeitung, Maßdatener
fassung, Steuerung. Auf der anderen Seite stehen die
"Standard-PCs", wie sie in Kap. 1 beschrieben wurden.
Dem eminent wichtigen Vorteil der damit verbundenen
Vereinheitlichungen steht ein Hauptnachteil entgegen: diese PCs
sind in Hardware und Software als Büro computer konzipiert. Das
drückt sich vor allem darin aus, daß das Standard Betriebssystem
MS-DOS keine Echtzeiteigenschaften aufweist und Schnittstellen
unterstützung nur für die sog. Standardperipherie vefügbar
ist.
Von einem universellen, offenen Schema für Messen, Steuern und
Regeln (MSR) entsprechend Bild 1.9 in Kap. 1 ist der nicht
"aufgerüstete" PC somit weit entfernt. Mit Hardware- und
Software-Ergänzungen kann aber aus einem Büro-PC ein Prozeßrechner
werden. Eine wesentliche Rolle spielen dabei die verschiedenen
digitalen Schnittstellen und Busanschlüsse, die wir nachfolgend
besprechen.
2.1 Datenerfassung und Übertragung
Analoge oder digitale Meßwerte können nur in geeigneter Form in
einen Rechner übertragen werden. Dafür sind Signalwandler und
-former nötig, außerdem muß bei vielen Meßstellen zwischen diesen
umgeschaltet werden können (Multiplexer).
Am Meßort werden mit Sensoren oder Meßgeräten Zustände oder Werte
von Meßgrößen ermittelt. Über serielle oder parallele Verbindungen
gelangen diese Informationen zum Computer (vgl. Bild 1.9 in Kap.
1). Zwei Informationsformen müssen unterschieden werden:
- Binärlnformation; hierbei stellen einzelne Bits z.B.
SchaltersteIlungen oder Grenzwerte dar.
- Wortinformation; hierbei werden z.B. Meßwerte oder andere Werte
mit Hilfe von Datenwandlern als Binärworle dargestellt. Die
Worllänge beträgt häufig 8, 12 oder 16 bit.
Datenwandler gehören nur bei "echten" Prozeßrechnern zur
Normalausstattung. PCs müssen geeignet nachgerüstet werden. Das
Angebot dafür ist beträchtlich.
28
Das hat nicht nur Vorteile, weil die Unterschiede nicht immer klar
sind und die Softwareunterstützung manchmal fehlt. Für die weitere
Diskussion sollen nun einige Begriffe, Definitionen und Grundlagen
geklärt werden. Als Ergänzung kann das Buch "Einsatz von
Arbeitsplatzcomputern in der Technik" mit dem Beitrag /2.1/
dienen.
2.1.1 Eln-/Ausgabeverfahren
Zwei wichtige Verfahren für Ein- und Ausgaben (E/A bzw. 1/0 von
Input/Output) sind:
- Speicherorientierte E/A (Memory-mapped 1/0). Dabei werden die
Anschlußstel len (liD-Ports bzw. TTL-Schnittstelle) durch den
Computer wie Speicherstellen behandelt. Es können einzelne Bits,
aber auch ganze Worte gleichzeitig ein- und ausgegeben
werden.
- Standard-E/A (Unmapped 110). Dabei verfügt das System über
separate Ein-/ Ausgabeeinrichtungen, die mit speziellen
Programmbefehlen bedient werden. Beispiel: IEC-Bus.
Für die Abwicklung der Ein- und Ausgaben werden einzelne
Speicherzellen oder -blöcke zum temporären Zwischenspeichern
benötigt. Solche Puffer (buffers) sind entweder einzeln zugewiesen,
oder sie stehen dynamisch der gesamten Peripherie zur Verfügung.
Beispiel an Schnittstelle 701 (HP-BASIC):
10 DIM B$[ ... ] 20 IOBUFFER B$ 30 TRANSFER 701 Ta B$ INTR
Puffergröße festlegen Variable B$ wird Pufferspeicher Bei einem
Interrupt werden Daten von der Schnittstelle in den Puffer
gespeichert
liD-Ports sind Puffer für ein Wort (Byte oder ASCII-Zeichen). Die
Puffer für Einbitsignale (Alarme, Meldungen) werden Latch
(Halteglied) genannt.
Neben den Schnittstellen und der Grundsoftware werden für geordnete
Nachrich tenübertragung noch Möglichkeiten zur Übertragung von
Steuerinformationen (z.B. Anmeldung, Rückmeldung, Fehlermeldung)
benötigt. Dabei sind zwei Ver fahren zu unterscheiden:
- Installierung von speziellen Schnittstellen-Meldeleitungen
(ältere Methode, z.B. IEC-Bus und RS-232-C);
- keine zusätzlichen Meldeleitungen, sondern Übermittlung von
Steuerzeichen auf der einen Datenleitung (Software-Steuerung,
Übermittlungsprotokoll, z.B. DIN 66 258 und Ethernet).
Die zweite, modeme Methode kann bei hohen Echtzeitanforderungen zu
langsam sein. Dann müssen auch dabei zumindest
Interrupt-Meldeleitungen vorgesehen werden. Bei der
Datenübertragung selbst gibt es zwei Möglichkeiten des
Anstoßes:
- Zentrale Initiative; hierbei fordert der Prozessor eine periphere
Einheit auf, Daten zu übernehmen oder zu senden.
29
- Periphere Initiative; hier meldet umgekehrt die periphere
Einheit, daß sie Daten übernehmen oder zur Verfügung stellen
möchte.
Zyklische Abfrage (Polling) ist die übliche Methode, viele an einen
Computer an geschlossene "Teilnehmer" auf ihren Zustand hin
abzufragen. Bei umfangreichen Systemen kann die Zykluszeit bei
Analogeingängen Sekunden betragen, bei Binär eingängen einige
Millisekunden, weil Polling in der Regel durch Software realisiert
wird. Eine viel schnellere Methode ist der "in Hardware"
realisierte direkte Spei cherzugritT (DMA, Direct Memory Access).
Auf Anforderung (periphere Initiative) werden dabei Daten direkt,
d.h. ohne den Zentralprozessor zu benutzen, und mit höchster
Geschwindigkeit (bis zu mehreren Millionen byte/s) in den Arbeits
speicher geladen oder daraus entnommen.
Alarmverarbeitung (Interrupt handling) sollte immer möglich sein,
um auf spontan auftretende Ereignisse sofort reagieren zu können
(Realzeitverarbeitung). Die dafür nötige Unterbrechungssteuerung
muß den Zentralprozessor veranlassen, nach einer eingehenden
peripher initiierten Meldung (SRQ, Service Request) die gerade
laufenden Aktionen definiert zu unterbrechen, den "Melder" zu
bedienen (Interrupt Service) und danach exakt in das unterbrochene
Programm zurückzukehren.
2.1.2 Codierung und Datensicherung
Ein Problem bei der Datenerfassung ist die oft verschiedene Form
der Meßdaten darstellung und die unterschiedliche Codierung. Mit
folgenden Codes ist zu rechnen:
- Binärcodierung. ZahlendarsteIlung im Zweiersystem, aber jedes
Codewort hat die gleiche Länge b; dann lassen sich N = 2b
verschiedene Meßwerte codieren. Beispiel:
Analog-Digital-Wandler.
- BCD-Code (Binary CodedDecimals). Darstellung jeder Dezimalziffer
binär als Vierbitwort. Beispiel: Digitalvoltmeter, Zähler.
- ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange ).
Dies ist der für PCS wichtigste Code, weil Informationen
rechnerintern und auf Massenspei chern entsprechend dieser
7-Bit-Codierung (DIN 66(03) verschlüsselt werden. Auch
Datenübertragungen zwischen Geräten und über Fernleitungen werden
üb licherweise "ASCII-codiert".
Der 7-Bit-Code läßt je Byte ein Bit fre~ das für die
Paritätsprü/ung benutzt werden kann (Hamming-Distanz HO = 2). Dazu
wird im Sender für jedes Codezeichen (ASCII character) die binäre
Quersumme gebildet und mit Hilfe des achten Bits eine vorher
vereinbarte Parität erzeugt (gerade oder ungerade). Die Empfänger
station kann nach Erkennen der falschen Parität den Fehler anzeigen
oder z.B. eine Wiederholung der Übertragung veranlassen.
Zweibitfehler sind durch Kombi nation von Quer- und Längsparität
erfaßbar (sog. Blockprüfung mit HO = 4).
30
t~ STX
E I
~ ,.-
r"-r--. 1 o 0 0 -t '1 o 0 1~ o 0 1 1 o 0 01)1:' o 0
'\ -1 o 0 o 'I 00 o 0 o 0
o 0 o 0
o 0 1 0
o -1 o -1
[;K o 0 1
o D '1 1
l3t;:o o 0 o -1 o 1 1 "I 'I 0 o 0 1 1
'" -1 1 '"
If~
Bild 2.1 Verfahren der Quer- und Längsparitätsprüfung mit
Entstehung eines Rechteckfehlers
Auch bei Anwendung der Blockprüfung (Block Check) können sich
Fehlerkonstel lationen ergeben, die mit HD = 4 nicht erkennbar
sind. Ein charakteristisches Beispiel ist der sog. Rechteck/eh/er
(Bild 2.1), wenn sich nämlich gleichzeitig vier im Rechteck
angeordnete Bits ändern.
Solche Fehler können mit zyklischer Redundanzprürung (Cyc/ic
Redundancy Check, CRC) erkannt werden (HD > 4).
Der spezielle Anwendungsfall muß entscheiden, welche
Absicherungsmaßnahme zu wählen ist. Bestimmte
Obertragungsprotoko//e (s. 2.3) gewährleisten definierte
Hamming-Distanzen.
2.2 KlaSSifizierung von Schnittstellen und Bussen
Für die weiteren Ausführungen kann eine KlassifIzierung
entsprechend Bild 2.2 nutzen. Ebene 0 defIniert die Leiterbahnen
und Anschlüsse auf den Platinen (boards), also die "Schnittstellen"
zwischen den Komponenten (chips). Diese Ebene wird uns nicht weiter
interessieren. Zu den Ebenen 1 und 2 gehören die Karten- bzw.
Systembusse (backplanes, motherboards). Die Anschlußstellen und
Steuerfunktionen dieser Ebenen sind in der Regel integrierter
Bestandteil des PC, sie sind für den Benutzer meist
"unsichtbar".
Display 2
Display 1
Es gibt allenfalls "Kontakte" damit, wenn Ergänzungsplatinen in den
Computer eingesteckt werden oder mit einer Busverlängerung eine
Extension Box, Ein-/Aus gabesteuerung ect. angeschlossen wird. Im
Falle des IBM-PC hat sich hierbei ein De-facto-Standard
herausgebildet. Andere Computer und vor allem industrielle
Steuerungen sind mit anderen Systembussen ausgerüstet. Eine Auswahl
wichtiger Versionen ist in Tabelle 2.1 zusammengestellt.
Die Verbindungen zur "Außenwelt" werden über Anschlüsse der Ebenen
3 (paral le~ Abschn. 2.4) und 4 (seriell, Abschn. 2.5)
hergestellt. Es soll an dieser Stelle noch einmal betont werden,
daß Schnittstellen nicht allein durch ihre mechani schen und
elektrischen Eigenschaften charakterisiert sind. Zu einer
vollständigen Definition gehören ebenfalls Verabredungen über
zugehörige Software (geeignete Sprachelemente,
Schnittstellentreiber , Steuerungsverfahren, Protokolle).
Bei den Schnittstellen zwischen PC und Außenwelt, den
Peripherieschnittstellen, wird noch danach unterschieden, in
welcher physikalischen oder logischen Anord nung die einzelnen
Komponenten zueinander stehen. Die Art der Verbindung (Topologie)
kann recht verschieden sein. Grundformen sind:
32
Bus Quelle, Benutzer (Normung) Prozessor Datenbits
ECB Kontron und andere ZSO 8 STD Prolog, Mostek (IEEE P961)
unabhängig 8 STE (IEEE P1000) unabhängig 8 G-64 Gespac
(Einfach-Europakarten) unabhängig 8/16
ZBI Zilog ZSO/ZSOOO 8/16 Q DEC und andere LSI-ll 16 E-/T- Texas
Instruments und andere 9900 16
S-100 viele (IEEE P696) unabhängig 8/16 Euro Ferranti (ISO 6951;
BSI; ESONE) unabhängig 18
ISA IBM und andere 8088/8086 ... 8/16 MCA IBM 8086/286/386 8/16/32
EISA viele 80386/486 32
Multi Intel, Siemens und andere (IEEE P796) 80er Familie 8/16/32
AMS-M Siemens (IEEE und lEe) 80er Familie 8/16/32
Versa Motorola (IEEE P970) 6800 8/16 VME Motorola, Mostek, Philips,
Valvo/Signetics, 68000 8/16/32
Thomson-CSF und andere (IEEE P1014)
FAST NBS unabhängig 32 Future (IEEEP896) unabhängig 16/32
Nu Texas Instruments, Apple unabhängig 16/32
STD32 viele unabhängig 32
- Punkt-zu-Punkt-Verbindung, d.h. es gibt nur einen Sender und
einen Empfänger, die entweder in nur einer Richtung (simplex),
wechselweise in beiden Richtungen (halbduplex) oder gleichzeitig in
beiden Richtungen (duplex) arbeiten können;
- Mehrpunkverbindung, d.h. es können mehrere Geräte (z.B. 15 beim
IEC-Bus) zusammengeschaltet sein und Meldungen oder Daten
austauschen. Die wichtigen Topologien Bus und Ring sind in Bild 2.3
dargestellt.
Eine Reihe wichtiger Unterscheidungsmerkmale ist mit Bild 2.4
zusammengefaßt.
a
C
J, ..... J. • Ge rä t Ge rä t Ge rä t
N A B
Bild 2.3 Grundtopologien. a) Punkt-zu-Punkt-Verbindung; b)
Sternförmige Struktur; c) Bus; d) Ring
D: :D pp
Bild 2.4 Verschiedene Einteilungskriterien für Verbindungen zur
Außenwelt eines Computers. PP: Punkt-zu-Punkt; MP: Mehrpunkt; LAN:
Local Area Network; MAN: Metropolitan Area Network; W AN: Wide Area
Network
33
34
Ältere Schnittstellenfestlegungen galten häufig einem bestimmten
Verwendungs zweck, waren manchmal an spezielle Gerätegruppen
gebunden, die Ausführung war oft unstrukturiert oder gar
willkürlich. Aus diesen Gründen entstand das Referenzmode/l für die
Kommunikation Offener Systeme (Open Systems Inter connection,
OSI). Es liegt als internationale Norm ISO 7498 vor und wird
deshalb auch ISO-OSI-Referenzmodell genannt. In der entsprechenden
Version DIN ISO 7498 wird als Einführung genannt:
"Das Referenzmodell hat die Aufgabe, die für die Kommunikation
Offener Systeme nötigen Funktionen zu identifizieren und zueinander
in Beziehung zu setzen. Es soll helfen, existierende Normen
einzuordnen, evtl. notwendige Ver besserungen an ihnen zu
erkennen, zusätzlich notwendige Normen möglichst unab hängig
voneinander, aber wohlkoordiniert zu entwickeln und das so
entstehende Normenwerk konsistent zu halten.
/ /
Endsystem
35
"Kommunikation Offener Systeme beinhaltet nicht nur die Übertragung
von Daten zwischen Systemen, sondern auch die Zusammenarbeit von
Systemen mit dem Ziel, eine gemeinsame Aufgabe zu bewältigen, wozu
jedes System Daten in einer für diese Aufgabe spezifIschen Weise zu
verarbeiten hat. Diese Zusammenarbeit erfordert die Einhaltung von
Regeln, die in einem Satz von Normen festgelegt werden."
Das Rejerenzmodell unterscheidet die drei m Bild 2.5 dargestellten
Grund elemente:
- Verarbeitungsinstanzen als die logischen Einheiten, zwischen
denen Kommuni kation letztlich stattfmdet;
- Systeme, die entweder als Endsysteme Verarbeitungsinstanzen
enthalten oder als Transitsysteme die Verbindung zwischen
Endsystemen herstellen, falls diese nicht direkt miteinander
verbunden sind;
- Obertragungsstrecken zur Verbindung von Systemen.
Ein Grundgedanke des Referenzmodells ist die Schichtung in sieben
Funktionsbe reiche, die von der physikalischen Bitübertragung
(Schicht oder Layer 1) bis zur Anwendung bzw. Verarbeitung selbst
reichen (Schicht 7, application, s. Bild 2.6).
Den Schichten sind Protokolle oder Kommunikationsdienste
zugeordnet. Das sind Software-Programme, die die jeweils darunter
liegenden Dienste (Funktionen) mitbenutzen. Andersherum: Das
Protokoll auf einer Ebene unterstützt das jeweils darüberliegende.
Ergänzende Literatur hierzu ist /2.2/ (Datenfernübertragung,
Referenzmodell), /2.3/ (Datenkommunikation mit dem PC) und /2.4/
(Signalüber tragung, Grundlagen) sowie /1.3/.
In praktischen Ausführungen werden nicht immer alle sieben
Funktionsschichten zu berücksichtigen sein. Ist z.B. nur die
ungesicherte Übertragung einzelner ASCII Zeichen zwischen einer
Tastatur und einem Bildschirm gefordert (Terminalbe trieb),
genügen Festlegungen innerhalb der Schicht 1:
- Physikalische Eigenschaften des Anschlusses (Steckverbinder,
Anschlußstifte); - elektrische Eigenschaften der
Sender-/Empfängerbausteine und DefInitionen der binären
Zustände;
- Leitungseigenschaften; - Bitübertragungsprotokoll, also
Verabredungen darüber, in welcher Form und Reihenfolge die den
einzelnen Bits entsprechenden Impulse zu übertragen sind.
Reicht aber die ungesicherte Übertragung nicht aus, muß die nächst
höhere Schicht berücksichtigt werden, wodurch die ungesicherte zur
gesicherten System verbindung verbessert wird. In beiden Fällen
sind unter Umständen Absprachen über die obersten Schichten
notwendig, wenn es z.B. darum geht, die Darstellung festzulegen
(Schicht 6) oder bestimmte Reaktionen einzuleiten (Schicht 7). Die
"mittleren" Schichten (3 bis 5) haben ihre Bedeutung in
Netzen.
36
0 r-L-
V I - Verarbeitungsinstanz I - Instanz
1
6
5
4
Endsystem
VI
I
I
I
Bild 2.6 Schichten und Protokolle des OSI-Referenzmodells (DIN ISO
7498)
2.4 Parallele Schnittstellen
TIL-Ports sind bitparallele Schnittstellen der Breite 8, 16 oder 32
bit. Manchmal sind zusätzlich Intenupt- und Handshake-Ansch/üsse
vorhanden. Wesentliche Merkmale sind:
37
- Elektrische Eigenschaften entsprechend TTL-Industriestandard; -
einzelne Bits beliebig per Software selektierbar; - einzelne Bits
oder ganze Ports per Software als Ein- oder Ausgang
schaltbar.
Die auch User Port oder GPIO (General Purpose Input/Output)
genannten Schnitt stellen sind dem Programmierer auf drei
verschiedene Arten zugänglich:
(1) Ein Peripherer Interface-Adapter (PIA) muß in Assembler
programmiert werden (s. hierzu /2.5/, /1.4/ und /1.51).
(2) In das Betriebssystem integrierte Parallelschnittstellen (vgl.
hierzu Bild 1.10 in Kap. 1) können z.B. in BASIC programmiert
werden. Diese Lösung ist komfor tabel, unter Umständen aber zu
langsam (z.B. 18 kbyte/s beim HP-85, beim HP-9816 115
kWorte/s).
(3) Manche Standard-Software (vgl. Tab. 1.8 in Kap. 1) ermöglicht
die Nutzung der Schnittstellen mit Hilfe der aus einem Menü
abrufbaren Funktionen.
BCD-Schnittstelle ist in der Meßtechnik weit verbreitet, weil z.B.
Multimeter und Zähler ziffernweise mit 4 bit binär codieren. An der
Schnittstelle sind entweder nur vier Datenleitungen vorhanden; die
Dezimalstellen (4-Bit -Gruppen) werden dann nacheinander (seriell)
gesendet. Oder die Schnittstelle hat n x 4 Leitungen für n
Dezimalstellen. Für n = 7 oder 8 ist mit DIN 66349 eine
BCD-Schnittstelle mit einem 50poligen Stecker festgelegt. Die
freien Leitungen werden für Vorzei chen, Exponent, Geräteadressen
und Steuerinformationen verwendet.
PCs können per Steckkarten mit parallelen Schnittstellen
ausgerüstet werden. Die Nutzungsmöglichkeiten sind oben erwähnt.
Ist keine spezielle BCD-Version ver fügbar, muß diese z.B. über
TTL-Ports simuliert werden. Das bedeutet vor allem
Assembler-Programmierung, evtl. auch Hardware-Anpassung.
Centronics-Schnittstelle hat eine nur spezielle Bedeutung: sie ist
die am weitesten verbreitete Druckerschnittstelle. Die
Originalversion des Herstellers Centronics ist an einem 36poligen
Rechteckstecker zu erkennen. In der mM-PC-Version wird ein
25poliger Trapezstecker verwendet, der mit dem für serielle
Schnittstellen definierten verwechselbar ist.
In einer interessanten Anwendung wurde die an sich unidirektionale
Drucker schnittstelle so erweitert, daß schneller Datenverkehr in
beiden Richtungen (bidi rektional) möglich ist. Damit konnte durch
geringe Modifikation der PC-Standard Schnittstelle ein für manche
Bereiche der Meßtechnik unentbehrlicher Vielkanal analysator
kostengünstig realisiert werden. Der PC dient zur Steuerung des
Meß systems, erfaßt die Daten und stellt sie graphisch dar.
IEC-Bus ist der Name für die wichtigste Schnittstelle zum Anschluß
von Meßge räten an einen Arbeitsplatzcomputer. Die in DIN IEC 625
definierten Spezifika tionen unterscheiden sich vom häufig
zitierten Standard IEEE-488 nur im Steck verbinder . Einzelheiten
hierzu sind in Kap. 8 zu fmden. Hier sei nur erwähnt, daß pcs per
Steckkarte zu IEC-Bus-Controllem aufrüstbar sind. Geschieht dies
sozu-
38
sagen "isoliert", ist die Bus-Benutzung nur durch Aufruf von
Unterprogrammen möglich (z.B. CALLs in BASIC), die die benötigte
Bus-Funktion zur Verfügung stellen.
Komfortablere Nutzung ist durch folgende zwei Methoden geboten: (1)
Manche PC- und Meßgerätehersteller liefern "integrierte" Systeme,
bei denen
die Bus-Benutzung und/oder -Programmierung in eine spezielle
Sprache oder ein Echtzeit-Betriebssystem (vgl. Tab. 1.7 in Kap. 1)
eingebunden ist.
(2) Bei Verwendung von Standard-Software kann oft der Bus von Menüs
oder Ikonen (vgl. 1.2.4) bedient werden (z.B. mit ASYST).
Die IEC-Bus-SpezifIkation ist etwa 25 Jahre alt. Deshalb ist der
Bus auch bitparal lel definiert und mit acht Steuerleitungen
ausgerüstet. Moderne Systeme sind bitseriell und ohne
Steuerleitungen ausgeführt und arbeiten mit Software-Steue rung.
Trotzdem sind in den letzten Jahren verstärkt Arbeiten zur
Verbesserung dieses Busses durchgeführt worden. Daraus kann man
schließen, daß der IEC-Bus noch viele Jahre im Bereich der
Laborautomatisierung existieren wird.
Die Verbesserungen sind in den Standards IEEE-488.1 und 488.2
festgelegt; sie betreffen Kommunikations- und Systemfunktionen. Es
ist damit ein wesentlicher Schritt zur vollständigen Beschreibung
des Peripherie-Bussystems gemacht wor den. Zusätzlich wird betont,
daß 488.1 und 488.2 als allgemeine Grundlage für die Entwicklung
moderner Nachfolger des parallelen Bussystems dienen soll.
Hinweise auf Neuentwicklungen sollen diesen Abschnitt beschließen:
Vom IEC Bus-Entwickler Hewlett-Packard wird ein PCIB (PC
Instrumentation Bus oder PC Interface Bus) angeboten, der dem
IEC-Bus sehr ähnlich ist, aber nur fünf Steuer leitung benötigt
und neben der parallelen auch serielle Datenübertragung ermög
licht. Eine weitere Neuerung wird in Abschn. 2.6 angesprochen: der
VXIbus.
2.5 Serielle Schnittstellen
Die Normung der digitalen Schnittstellen hat sich in der
Vergangenheit oft auf Entwicklungen der Postverwaltungen gestützt
(CCITT: Comite Consultatif Inter national Tetegraphique et
Tetephonique, vor allem V.- und X.-Serien), aber auch Entwicklungen
der Computerindustrie haben sich durchgesetzt und sind als Normen
verabschiedet von z.B. EIA (Electronic Industries Association,
RS-Serie), IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers), IEC (International Electrotechnical Commission) , ISO
(International Organization for Standard ization), DIN (Deutsches
Institut für Nonnung).
Für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind drei Standards relevant:
2O-mA-Strom schleife, RS-232-Spannungsschnittstelle und
V.ll-Doppelstromschnittstelle. Für Mehrpunktverbindungen (Bus)
gelten vor allem DIN 66259 Teil 4 und RS-485. In Tabelle 2.2 sind
die wichtigen seriellen Standards zusammengestellt. Eine Er
weiterung dieser Auflistung ist in Kap. 16 mit Tabelle 16.2
gegeben.
39
Tabelle 2.2 Serielle Schnittstellen. PP: Punkt-zu-Punkt; MP:
Mehrpunkt; Bd: Baud (bit/s)
Üblicher Normen Typische Typische Name Leitungslänge
Übertragungs-
geschwindigkeiten
20mA DIN 66 258/1 300m 110 oder 300 Bd pp 66348/1
V.24 DIN 66 020/1 20m 19,2kBd pp 66259/1
RS-232-C
66 259/3 RS-422 1km 100 kBd
Seri- DIN 66 258/3 bis 1 km bis 1 MBd MP eller 66259/4 Bus 66
348/2
RS-485
20-mA-Stromschleife (Cumnt Loop oder TTY Interface) ist bei
geringen Anforde rungen häufig anzutreffen. Die
Schnittstellen-Hardware ist einfach und störsicher, galvanische
Trennung mit Optokopplern ist leicht möglich (Bild 2.7). In DIN
66348 Teil 1 sind alle notwendigen Festlegungen zu finden.
RS-232-Schnittstelle (V.24N.28 und DIN 66020 Teil 1) ist die am
meisten verwen dete serielle Schnittstelle bei Leitungslängen bis
etwa 20 m und 19,2 kbit/s Über-
8bit porrallel seriell
Bild 2.7 Prinzip der 20-mA-Stromschleife
40
tragungsgeschwindigkeit. Die elektrischen Eigenschaften sind in
CCnT V.28 bzw. DIN 66259 Teil 1 festgelegt, Signale in V.24. Die
EIA-Norm RS-232-C vereinigt eine V.24-Auswahl mit elektrischen
Eigenschaften und Steckerbestimmung, ist also eine "richtige"
Schnittstellen-Norm. Nachteile dieses Standards:
- Die "Postliste" V.24 enthält über 50 Signalnamen, nur zwei davon
sind Datenwege (Stifte 2 und 3 in vielen Modem-Standards und in
RS-232), zwei sind Erdungen (Stifte 1 und 7). Hersteller wählen oft
verschiedene Untermengen aus, so daß dann "V.24-Schnittstellen"
nicht zusammenarbeiten können. Dazu kommt, daß ohne Modem
(Nullmodemschaltung) die "Datenpins" gekreuzt werden müssen.
- Es wird erdsymmetrisch (unbalanced) mit einseitig geerdetem
Rückleiter (single ended) gearbeitet (Bild 2.8), was hohe
Störanfälligkeit bedeutet. Galvanische Trennung ist wegen der
Erdsymmetrie wirkungslos. Die geforderte Versorgung mit + /- 15 V
verhindert TTL-Kompatibilität.
Eine erhebliche Verbesserung ergibt sich durch symmetrische
Ankopplung (balanced) mit Differentialempfänger (differential; Bild
2.9), wie sie bei folgender Schnittstellenfestlegung verwendet
wird:
Bild 2.8 Prinzip der V.24N.28-Übertragung (single-ended bzw.
erdsymmetrisch). USART: Universal Synchronous/Asynchronous
Receiver/Transmitter, S: Sender; E: Empfänger
+0.3 v=- -0.3V~
41
- Versorgungsspannung nur 5 Volt; - preiswerte verdrillte Leitungen
(twisted pairs) bis etwa 1 km verwendbar; -
Übertragungsgeschwindigkeit bis etwa 10 Mbit/s möglich.
Serieller Bus (RS-485, DIN 66259 Teil 4 und DIN 66348 Teil 2). Mit
dieser Ent wicklung ist der Trend zu lokalen Rechnernetzen (Local
Area Networks, LANs) berücksichtigt. Für PCs gibt es Steckkarten
mit RS-422- und RS-485-Schnittstellen. Letztere sind heute
Voraussetzung für die PC-Vernetzung.
Für alle eben besprochenen Schnittstellenversionen werden zwei
Betriebsarten wie folgt unterschieden:
- Asynchrone Übertragung. Dabei können die einzelnen Codezeichen zu
beliebi gen Zeitpunkten und unabhängig von anderen Zeichen
gesendet werden. Dies ist das zwischen PCs und der Peripherie
übliche Verfahren.
- Synchrone Übertragung. Hierbei gibt es keine Start- und Stopbits
für die einzel nen Zeichen; alle Informationen werden nahtlos
aufeinander folgend gesendet. Dieses Verfahren ist bei
Großcomputern und der Datenfernübertragung üblich (z.B.
Paketvermittlung mit HDLC, High-level Data Link Control).
Der in Bild 2.8 angedeutete Baustein USART erlaubt beide
Betriebsarten. Für PCs gibt es z.B. Anschaltungen mit der
Intel-Bitbus-Schnittstelle, die HDLC verwenden und als sog.
Feldbus- oder Sensorous-Interface dienen. Dies ist eine
hochaktuelle Entwicklung für die Fertigungsautomatisierung, die vom
Meßfühler (Sensor) bis zur Vernetzung der Gesamtfabrik alle Ebenen
abdecken soll. Der wichtige Feldbus mit asynchroner Übertragung
liegt als Vornorm DIN 19245 Teil 1 vor und heißt PROFIBUS (Process
Field Bus).
2.6 Übersicht
Die Übersicht Tabelle 2.3 sortiert relevante Systembusse und
Peripherieschnitt - stellen. Nachfolgend ein paar Erklärungen dazu
und mögliche Erkenntnisse.
(1) Systembusse sind immer parallel ausgeführt. Die Bedeutung der
aufgenomme nen Busse ist mehrfach angesprochen. Hier soll noch
einmal betont werden, daß als "Systemrückgrat" für PCs derzeit ISA
(Industry Standard Architecture) domi niert, gefolgt vom VMEbus.
Zunehmend werden auch Komponenten für MCA
(MicrochanneIArchitecture) und Nubus angeboten.
(2) Bei den Peripherieanschlüssen ist als Sonderfall CCNIM
aufgeführt. Diese spe zielle Version für die nukleare Meßtechnik
zeichnet sich dadurch aus, daß die ein-
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Tabelle 2.3 Auswahl wichtiger Systembusse und
Peripherieschnittstellen
WAN (CCITT, ISO, ... ) LAN (IEEE-802.n) 10 Mbit/s 500m CAMAC
(IEEE-595) 5 Mbit/s 70-200m SCI-Bus (IEEEP15%) Manchester (MIL STD
1553) 1 Mbit/s 1km Proway (IEC) PDV-Bus (DKE) 1 Mbit/s 3km PROFIBUS
(DIN 19245) O,SMbit/s 200m Feldbus (DIN 66348) 19,2kbit/s
500m
Peripherie- CCNIM (Computer-Controlled NIM *) anschluß
parallel: IEC-Bus VXIbus CAMAC FASTBUS
(IEEE-488) (IEEE Pl155) (IEEE-583) (IEEE-960)
8 bit 1 Mbyte/s 20m zusammen mit MXIbus 24 bit 15-50m 32 bit 40
Mbyte/s crate
Systembus, parallel: Unibus, Q-Bus, VAXBI (DEC) PDPll,
MicroVAX
VMEbus (IEEE-1014) Unix-WS 68xxx Nubus (IEEE-1l96) TI, Apple 68xxx
Multibus I (IEEE-796) Industrie 8086 Multibus 11 (IEEE-1296)
Industrie 80286 PC-Bus (IEEE-996, ISA) PC 80286 MCA, EISA PC
80386
*) NIM: Nuclear Instrument Module
zeinen Einsteckmodule per RS-232- oder IEC-Bus-Anschluß in
PC-gesteuerte Automatisierungssysteme einbezogen werden
können.
(3) Peripherieanschlüsse sind parallel oder seriell ausgeführt. Der
IEC-Bus ist in der Laborautomatisierung weltweit etabliert. In der
nuklearen Meßtechnik ist CAMAC stark verbreitet, wovon es auch
einen Serial Hipjlway gibt (s. Tabelle 2.3). FASTBUS ist eine sehr
spezielle und teure Weiterentwicklung für die Kerntechnik und ist
nicht ganz eindeutig als Peripheriesystem zu identifizieren.
(4) Alle neuen Entwicklungen vom "Low-cost"-Feldbus bis zum
Weitverkehrsnetz (W AN) sind bitseriell ausgeführt. Besondere
Bedeutung für die Meßtechnik könn ten die folgenden Schnittstellen
erreichen:
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- "Low-cost"-Feldbus nach DIN 66348 Teil 2; Produkte sind am Markt.
- Feldbus für höhere Ansprüche nach DIN 19245; Produkte in
Vorbereitung.
(5) Die Zukunft in der automatisierten Meßtechnik könnte vor allem
durch die fol genden Systeme bestimmt werden: - VXIbus als
Abkömmling des sehr gut eingeführten VMEbus; Produkte sind
zu
nehmend am Markt. Dieser Definition wird gute Chancen eingeräumt,
den par allelen IEC-Bus abzulösen. Mit der Ergänzung MXIbus können
mehrere VXI bus-Rahmen zusammengeschaltet und an einen PC
angeschlossen werden.
- SCI-Bus (Scalable Coherent Interface). Diese Neuentwicklung soll
äußerst leistungsfähig sein und wird intensiv im IEEE-Ausschuß
P1596 bearbeitet. Die Weiterentwicklung muß abgewartet
werden.
Anfang 1990 ist noch nicht erkennbar, auf welche Weise der IEC-Bus
abgelöst werden könnte und welcher der diversen Feldbusse sich für
die Automatisierung in Labor, Versuchs- und Prüffeld durchset