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
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© 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
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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.
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- 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).
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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:
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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
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"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.
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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:
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- 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-
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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.
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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
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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~
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- 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