گذرگاه USB چگونه كار مي‌كند؟

[Mahdi1944]

منبع : از مجله كامپيوتر جوان شماره 60


كنترل كننده‌ي USB كه شامل مجموعه‌اي از اتصالات و تراشه‌هاي اختصاصي است به عنوان رابط بين نرم‌افزار و سخت‌افزار عمل مي‌كند. برنامه‌هاي كاربردي , سيستم‌عامل و راه‌اندازهاي دستگاه ـ كه جزئيات مربوط به نحوه‌ي كار وسايل سخت‌افزاري بخصوص را فراهم مي‌كنند ـ دستورات و داده‌ها را به هاب ميزبان (Host Hub) گذرگاه USB مي‌فرستند. اين هاب بر روي كنترل كننده قرار دارد.
اتصال دهنده‌ها يا درگاه‌هاي ويژه‌ي USB از هاب ميزبان خارج مي‌شوند. در حقيقت Hub فيش كابل‌هاي چهار سيمه (كابل‌هايي كه درون آنها از چهار سيم استفاده شده است) را به درگاه‌هاي مناسب وصل مي‌كند.
يك كابل ممكن است به هاب ديگري وصل شود تنها به اين منظور كه درگاه‌هاي بيشتري را براي اتصال وسايل فراهم كند. به اين ترتيب نوعي از يك سيم توسعه دهنده ديجيتالي به وجود مي‌آيد.
يا اين كه ممكن است يك كابل ؛ مستقيما به يك وسيله‌ي USB مانند مانيتور وصل شود. گذرگاه USB تقريبا از اتصال به هرگونه وسيله‌ي جانبي مانند مانيتور , ‌صفحه كليد , ماوس,مودم , بلندگو , ميكروفن , تلفن , اسكنر وچاپگر پشتيباني مي‌كند. دو عدد از سيم‌هاي موجود در كابل USB براي تامين جريان الكتريسيته‌ي وسيله جانبي استفاده مي‌شوند. با وجود اين دو سيم ؛ ديگر به منبع تغذيه‌هايي كه فضاي زيادي را اشغال مي‌كنند نيازي نيست. دو سيم ديگر موجود در كابل چهار سيمه , D+ و D- نام دارند. از اين سيم‌ها براي ارسال داده‌ها و دستورات استفاده مي‌شود. وجود يك ولتاژ بالا بر روي سيم D+ و عدم وجود آن بر روي سيم D- به معناي يك بيت 1 مي‌باشد. وجود يك ولتاژ بالا بر روي سيم D- و عدم وجود آن بر روي سيم D+ به معناي يك بيت 0 مي‌باشد.
هر وسيله‌ي USB ممكن است داراي هابي باشد {كه از آن اتصال به وسايل ديگر استفاده شود}. براي مثال يك مانيتور درگاه‌هايي را فراهم مي‌كند كه بلندگوهاي چندرسانه‌اي , ميكروفن و صفحه كليد به آنها وصل مي‌شوند.
به همين ترتيب هر كدام از وسايلي كه به يك وسيله‌ي USB وصل مي‌شوند مي‌توانند براي وسايل سخت‌افزاري USB ديگر درگاه‌هاي بيشتري را فراهم كنند.
براي مثال مي‌توان ماوس و قلم ديجيتالي را به صفحه‌ كليدي وصل كرد كه خود به يك مانيتور متصل به هاب ميزبان وصل مي‌باشد. چنين سيستمي كه امكان انشعاب اتصالات را فراهم مي‌كند به گذرگاه USB اجازه مي‌دهد تا بيش از 127 وسيله را اداره نمايد.
وقتي يك وسيله‌ي USB به درگاهي وصل مي‌شود به طور خودكار باعث تغيير ولتاژ بر روي يكي از دو سيم داده‌اي موجود در كابل USB مي‌گردد. اگر ولتاژ از طريق سيم D+ ارسال شود در آن صورت به وسيله‌ي جانبي دريافت كننده‌ي آن ولتاژ يك وسيله‌ي سرعت بالا گفته مي‌شود. چنين وسيله‌اي قادر به ارسال 12مگابيت داده در ثانيه است. از اين سيم براي ارسال داده به مانيتورها , اسكنرها , چاپگرها و ساير وسايلي كه حجم بالايي از داده به آنها ارسال مي‌شود استفاده مي‌گردد. ارسال ولتاژ ازطريق سيم D- به اين معني است كه اين ولتاژ با سرعت انتقال پاييني معادل 5/1 مگابيت در ثانيه دريافت مي‌شود. از اين سيم براي انتقال داده به وسايلي چون صفحه كليد يا ماوس استفاده مي‌شود. ( يك درگاه سري معمولي در مقايسه با گذرگاه USB مي‌تواند 100 كيلوبيت داده در ثانيه و يك درگاه موازي حدود 5/2 مگابيت داده در ثانيه ارسال نمايد).
كنترل‌كننده ميزبان USB با استفاده از فن‌آوري اتصالات و اجرا (Plug and play) , كه پيكربندي اجزاي دروني كامپيوتر را به طور خودكار فراهم مي‌كند , يك وسيله‌ي جديد را قادر مي‌سازد تا خودش را شناسايي كرده و آن‌چه را كه براي ارسال و دريافت داده نياز دارد دريابد. علاوه بر اين ,‌كنترل‌كننده‌ي مذكور براي آن وسيله شماره‌شناسايي تعيين مينمايد. وقتي وسيله‌ي جديد رسما يكي از اعضاي گذرگاه مي‌شود. نقش كنترل‌كننده‌ي ميزبان را بازي مي‌كند. يعني به پرس‌وجو از وسايل ديگر مي‌پردازد تا اگر وسيله‌‌اي آماده‌ي ارسال يا دريافت داده است فرمان‌هاي لازم را توزيع كند و پهناي باند را بين وسايلي كه او نقش كنترل‌كننده براي آنها ايفا مي‌كند تقسيم نمايد. كنترل‌كننده در هر ثانيه حدود يك ميليون بار از وسايل جانبي موجود بر روي گذرگاه USB پرس‌وجو كرده يا به آنها دستور مي‌فرستد. هر يك از پيغام‌هايي كه از سوي كنترل‌كننده‌ي ميزبان ارسال مي‌شوند با يك علامت (Token) شروع مي‌گردد. اين علامت وسيله‌ي جانبي كه پيغام براي آن فرستاده شده است را شناسايي مي‌كند. پيغام به تمام وسايل موجود بر روي گذرگاه USB ارسال مي‌شود اما وسايلي كه پيغام به آنها مربوط نمي‌شود به سادگي آن را ناديده مي‌گيرند تنها وسايل مي‌توانند داده‌اي را به ميزبان بفرستند كه ميزبان به آنها اجازه اين كار را داده باشد.
درگاه USB با سه نوع از انتقال‌ها در ارتباط است و تخصيص پهناي باند را به ترتيب زير انجام ‌مي‌دهد:
اولويت اول : از اين اولويت در انتقال بلادرنگ كه وقفه‌اي در جريان داده‌اي پديد نمي‌آيد مانند داده‌هاي تصويري يا صوتي استفاده مي‌شود.
اولويت دوم : از اين اولويت در انتقال‌هاي منقطع استفاده مي‌شود. اين نوع انتقال وقتي روي مي‌دهد كه وسيله‌اي مانند صفحه‌كليد يا Joystick براي جلب توجه پرداشگر ؛ سيگنالي را توليد مي‌كند كه گاه و بي‌گاه قطع مي‌شود.
اولويتي كه فوريت زماني در آن وجود ندارد : اين نوع از انتقال شامل حجم زيادي از داده‌ها براي چاپگرها , اسكنرها و دوربين‌هاي ديجيتالي مي‌شود. در اين نوع انتقال حجم داده‌ها زياد است اما هيچ عجله‌اي در دريافت آنها وجود ندارد.

[pejman]

کامپیوترهای جدید دارای یک و یا بیش از یک کانکتور Universal Serial Bus)USB) می باشند. کانکتورهای فوق امکان اتصال تجهیزات جانبی متفاوتی نظیر : چاپگر، اسکنر ، دوربین های وب و … را فراهم می نمایند. سیستم های عامل پورت های USB را حمایت کرده و بدین ترتیب نصب درایور مربوطه بسرعت و بسادگی انجام خواهد یافت .

USB چیست ؟
همواره اتصال یک دستگاه به کامپیوتر و پیکربندی مناسب آن برای استفاده ، یکی از چالش های اصلی در رابطه با بخدمت گرفتن تجهیزات جانبی در کامپیوتر بوده است :
- چاپگرها به پورت موازی متصل شده و اغلب کامپیوترها دارای یک پورت هستند . فرض نمائید که دارای یک Zip drive باشیم . درایوهای فوق نیازمند یک اتصال با سرعت بالا با کامپیوتر می باشند. در صورت استفاده از پورت موازی، از لحاظ سرعت خواسته یک Zip Drive تامین نخواهد گردید
- مودم ها از پورت های سریال استفاده می نمایند. اغلب کامپیوترها دارای دو پورت سریال بوده و در اکثر موارد سرعت مناسبی را دارا نمی باشند.
- دستگاههائی که به سرعت بالائی نیاز دارند بهمراه کارت های خود عرضه می گردند.این نوع کارت ها می بایست در یکی از اسلات های برد اصلی نصب گردند.متاسفانه تعداد اسلات های موجود محدود بوده و در برخی حالات نصب نرم افزار مربوط به کارت دردسرآفرین نیز است . هدف USB خاتمه بخشیدن به تمام موارد و مشکلات موجود در زمینه بخدمت گرفتن تجهیزات جانبی در کامپیوتر است .
USB یک روش آسان و استاندارد را برای اتصال ۱۲۷ دستگاه به کامپیوتر، فراهم می کند. هر دستگاه می تواند شش مگابیت در ثانیه پهنای باند داشته باشد. پهنای باند فوق برای اکثر دستگاههائی که می خواهیم به کامپیوتر متصل نمائیم ، مناسب خواهد بود. اکثر تجهیزات جانبی که جدیدا" تولید می گردند، دارای یک پورت USB می باشند.
چاپگر، اسکنر، موس، دوربین های دیجیتال، دوربین های وب ،مودم، بلندگو، تلفن، رسانه های ذخیره سازی، اتصالات شبکه و … نمونه هائی از این نوع دستگاهها می باشند. اتصال یک دستگاه USB به کامپیوتر ساده است . کانکنورهای USB را می توان در پشت سیستم مشاهده و در ادامه کانکنور USB را به آنها متصل کرد. . در صورتیکه دستگاهی برای اولین مرتبه ( بار اول ) نصب گردد، سیستم عامل مربوطه آن را تشخیص و با نصب درایور ، عملا" زمینه استفاده از دستگاه فراهم خواهد شد. دستگاههای USB را می توان بدفعات به سیستم متصل و یا آنها را از سیستم جدا کرد. اغلب دستگاههای USB بهمراه کابل اختصاصی خود ارائه می گردند . کابل های فوق دارای اتصالی از نوع A می باشند. در صورتیکه دستگاه USB دارای کانکتور A نباشد بهمراه آن سوکتی ارائه شده که می تواند یک کانکنور از نوع B را قبول نماید. از کانکتور نوع A برای اتصال به کامپیوتر و از کانکتور نوع B برای اتصال دستگاههای خاص استفاده می گردد. اغلب کامپیوترهای جدید بهمراه یک و یا بیش از یک سوکت USB ارائه می گردند. با توجه به وجود دستگاههای متعدد که دارای پورت USB می باشند، می توان بسادگی دستگاه مورد نظر را ازطریق پورت USB به یکی از سوکت های USB کامپیوتر متصل نمود.
مثلا" می توان به کامپیوتر یک چاپگر USB ، یک اسکنر USB ، یک دوربین وب USB و یک کارت شبکه USB را متصل نمود.
در صورتیکه کامپیونر دارای صرفا" یک کانکتور USB باشد و بخواهیم تجهیزات USB گفته شده را به آن متصل نمائیم چه کار باید کرد؟ برای حل مشکل فوق می بایست یک USB hub را تهیه کرد. USB استاندارد قادر به حمایت از ۱۲۷ دستگاه است . هاب USB بخشی از استاندارد فوق محسوب می گردد. یک هاب ممکن است چهار و یا بیش از چهار پورت داشته باشد. هاب به کامپیوتر متصل شده و هر یک از دستگاهها به یکی از پورت های هاب متصل خواهند شد. هاب ها می توانند با برق و یا بدون برق باشند. استاندارد USB این امکان را فراهم می سازد که دستگاهها برق مورد نیاز خود را از طریق اتصال USB مربوطه تامین نمایند. یک دستگاه با مصرف برق بالا نظیر اسکنر دارای منبع تغذیه اختصاصی خود است ولی دستگاههای با مصرف برق پایین نظیر موس و دوربین های دیجیتال ، برق مورد نیاز خود را می توانند از گذرگاه مربوطه تامین نمایند. در صورتیکه از دستگاههائی نظیر چاپگر و یا اسکنر استفاده می گردد که خود دارای منبع تغذیه اختصاصی می باشند، نیازی به هاب با برق نخواهد بود در صورتیکه از دستگاههای فاقد منبع تغذیه نظیر موس و دوربین استفاده می گردد ، به هاب برق دار نیاز خواهد بود. هاب دارای ترانسفورماتور اختصاصی خود بوده و برق مورد نیاز گذرگاه را تامین خواهد کرد.

ویژگی های USB دارای ویژگی های زیر است :
- حداکثر ۱۲۷ دستگاه را می توان متصل نمود. ( مستقیما" و یا توسط هاب های USB)
- کابل های USBبتنهائی قادر به حمایت از طول ۵ متر می باشند. در صورت استفاده از هاب حداکثر طول ۳۰ متر خواهد بود.
- نرخ انتقال اطلاعات گذرگاه دوازده مگابیت در ثانیه است .
- هر دستگاه قادر به درخواست شش مگابیت در ثانیه است . عملا" بیش از یک دستگاه در هر لحظه نمی تواند درخواست شش مگابیت در ثانیه را داشته باشد چراکه از پهنای باند گذرگاه تجاوز خواهد کرد.
- یک کابل USB دارای دو سیم برای برق ( ۵+ ولت و Ground) و یک سیم بهم تابیده برای حمل داده است .
- بر روی سیم برق، کامپیوتر قادر به تامین برق با حداکثر پانصد میلی آمپر و پنج ولت است .
- دستگاههای با مصرف برق پایین نظیر موس می توانند برق مورد نیاز خود را مستقیما" از طریق گذرگاه تامین نمایند.
- دستگاههای USB را می توان هر زمان متصل و مجددا" از سیستم جدا کرد.
- اکثر دستگاههای USB می توانند توسط کامپیوتر و در زمان حالت Power-saving ، به خواب ( غیره استفاده گردند) روند. دستگاههائی که به پورت USB متصل می گردند از یک کابل USB که حامل برق و داده است استفاده می نمایند. دو سیم حامل برق ( قرمز - پنج ولت و قهوه ای ( زمین ) یک زوج کابل بهم تابیده برای حمل داده ( زرد و آبی ) زمانیکه کامپیوتر روشن می گردد ، عملیات پرس و جو در رابطه با دستگاههای متصل به گذرگاه انجام شده و به هر یک از آنها یک آدرس خاص ، نسبت خواهد شد . فرآیند فوق "سرشماری" نامیده می شود. دستگاهها نیز زمانیکه به گذرگاه متصل می گردند شمارش می گردند.

کامپیوتر از نحوه انتقال اطلاعات توسط دستگاهها با استناد بر یکی از روشهای زیر ، آگاهی می یابد.
- وقفه : دستگاهی نظیر موس یا صفحه کلید که داده های کمی را ارسال می دارند از روش " وقفه " استفاده می نمایند.
- Bulk ( توده ای ) . یک دستگاه نظیر چاپگر که حجم بالائی از اطلاعات را در یک بسته دریافت می دارد، از روش فوق استفاده می نماید. یک بلاک از داده ها برای چاپگر ارسال و صحت آنها نیز بررسی می گردد.
- Isochronous ( همزمان ) . دستگاههای نظیر بلندگو از روش فوق استفاده می نمایند. جریان پیوسته ای از داده ها بین دستگاه و کامپیوتر برقرار می گردد. USB پهنای باند موجود را به مجموعه ای از فریم ها تقسیم و کامپیوتر فریم ها را کنترل خواهد کرد. فریم ها شامل ۱۵۰۰ بایت بوده و هر میلی ثانیه یک فریم جدید، بوجود می آید اخیرا" استاندارد USB نسخه دو، مطرح شده است . بر اساس استاندارد فوق ، سرعت ده تا بیست برابر افزایش خواهد یافت . با رسیدن به سرعت های فوق می توان تقریبا" هر نوع دستگاهی را از طریق USB به کامپیوتر متصل کرد. هارد دیسک های خارجی و دوربین های فیلم برداری نمونه هائی در این زمینه می باشند.
[External Link Removed for Guests]