سلام دوست من وقت بخیر

USB چگونه کار می‌کند؟

USB چگونه کار می‌کند؟

>


بیش از 25 سال است که USB ها را می‌شناسیم و از آن برای اتصال بین دستگاه و شارژ کردن استفاده می‌کنیم. شاید بتوان گفت که راحت‌ترین استفاده را بین بقیه دستگاه‌ها از نوع اتصال را دارد. فقط کافی است که قطعه مورد نظر را داخل پورت آن کنید تا ارتباط به راحتی و سریع برقرار شود. با اینکه سوکت های یو اس بی در چند سال گذشته تغییرات زیادی داشته و خواهند هم داشت؛ اما اصل مسئله همان بوده و هیچ تغییری در آن‌ها وجود نداشته است. هرچند که تکنولوژی آن‌ها از جمله سرعت انتقال بسیار بهتر شده است.

اینکه پورت USB چیست، اصلاً نیازی به مقاله ندارد؛ اما همیشه یک سؤال در ذهن کاربران وجود دارد و اینکه چگونه کار می‌کند؟ چگونه دستگاه متوجه می‌شود که موس به آن وصل شده است و نه یک پرینتر؟ چه تفاوت دقیق بین انواع پورت USB وجود دارد؟

در ادامه قصد داریم تا پاسخ این سؤالات را برای شما بنویسیم.

 
چگونگی کار کردن USB
 

چگونگی کار کردن USB


برای شروع، یک فلش بک به دهه 1990، یعنی قبل از ظهور یو اس بی ها می‌زنیم. در حقیقت همان زمانی که کامپیوترهای پنتیوم حرف اول را می‌زدند و ویندوز 3.1 روبورس بود و کامپیوترهای شخصی خیلی گران و بزرگ‌تر از حالا بودند. در آن موقع هنوز ارتباطات بی‌سیم و سرویس ابری در دسترس نبودند؛ از این رو برای چاپ، کپی و انتقال هر نوع فایل باید از یک حافظه خارجی متصل شده به کامپیوتر استفاده می‌شد.

برخلاف کامپیوترهای شخصی امروزی، ماشین‌آلات سی سال گذشته دارای سوکت ها و سیستم‌های ارتباطی بسیار زیاد و متفاوتی بودند. در آن موقع به دلیل نبودن همخوانی بین دستگاه‌ها و کامپیوتر گاهی ارتباط شکل نمی‌گرفت و این باعث مشکلاتی برای کاربران می‌شد.

موس‌ها و صفحه کلیدها تقریباً همیشه از پورت سریال PS/2 استفاده می‌کردند که هر کدام از آن‌ها دارای یک سوکت 6 پینی اختصاصی بودند. پرینترها و اسکنرها به پورت‌های موازی 25 پینی وصل می‌شدند. پورت‌های قدیمی برای هر دستگاه متفاوت بودند. اگر شما موس را به سوکت صفحه کلید وصل می‌کردید، موس کار نمی‌کرد. در حقیقت دستگاه نمی‌توانست وجود دستگاه اشتباه را تشخیص دهد؛ به دلیلی ناهمخوان بودن رابط‌های درونی، این کار کردن اتفاق نمی‌افتاد. البته بعضی دستگاه‌ها مانند موس و صفحه کلید نیازی به درایو برای نصب نداشتند؛ اما پرینتر و غیره باید درایوشان نصب می‌شد. هرچند که امروزه برای بعضی دستگاه‌ها هم نیاز است؛ اما نه به سختی گذشته.
مسئله‌ای دیگر که در بین سوکت های قدیمی وجود داشت، این بود که اگر قصد جابه‌جایی یا نصب یک دستگاه سخت افزاری جدید را داشتید، باید سیستم را ری استارت یا راه‌اندازی مجدد می‌کردید؛ وگرنه دستگاه شما کار نمی‌کرد. شاید تصور این مسئله برای نسل جدید سخت باشد؛ اما باید گفت که این روش استفاده هم در زمان خودش بسیار سخت بود. برای همین مصرف‌کنندگان همیشه در آرزوی این بودند که روزی این مشکل حل شود.

لحظه‌ای نادر از وحدت و یکپارچگی

گاهی شرکت‌ها برای بهره‌مندی همه از امکانات و مزایا شروع به همکاری با همدیگر می‌کنند. در سال 1994، شرکت‌های بزرگ به این نتیجه رسیدند که زمان ایجاد یک سیستم اتصالی جدید رسیده است. سیستمی که نیازهای کاربران را در حوزه‌های جدید برطرف کند. اولین شرکتی که برای این تغییر پیش قدم شد، اینتل بود و توانست Universal Serial Bus جایگزین درگاه‌های سریال، موازی و PS/2 کند. این تکنولوژی نسبت به قبلی ساده بوده و عملکرد بسیار بالاتری داشت. البته سرعت استفاده از این سیستم به دلیل جدید بودن در اوایل بسیار کند بود؛ اما شروع تغییرات به استفاده از USB را مایکروسافت با پشتیبانی از USB 1.1 به ویندوز 95 آغاز کرد. هرچند تبلیغات گسترده مربوط به یو اس بی را اپل آغاز کرد. در حقیقت با توجه به تاریخچه می‌توان متوجه شد که همه شرکت‌ها به نوعی در معرفی و افزایش استفاده از این مدل اتصال نقش مهمی داشته‌اند.

 
چگونگی کار کردن USB
 

در سال 1998، کامپیوترهای iMac اولین دستگاهی بود که دیگر از پورت‌های قدیمی استفاده نمی‌کرد. همه قطعات سخت افزاری در آخرین نوع تکنولوژی آن زمان بود. این نوع کامپیوتر توانسته بود تا نقش USB را بیشتر از قبل نشان دهد. این برخلاف کامپیوترهای ویندوزی بود که از USB استفاده می‌کردند؛ اما مانند iMac نتوانسته بودند تا کاری از پیش ببرند. البته ناگفته هم نماند که از همان ابتدا تا الآن چندین بار مشخصات USB ها تغییر کرد و اصلاح شد. این اعدادی که گاهی شما در کنار مدل‌های یو اس بی مشاهده می‌کنید، همان نسخه‌های مختلف هستند که هرچند وقت یک بار به روز شده‌اند.

 
چگونگی کار کردن USB
 

حالا سؤال این است که USB چگونه کار می‌کند؟


فقط در ظاهر خارجی خود ساده است

در ابتدا با یک نگاه کلی به طرح USB و اتصالات آن به دستگاه شروع می‌کنیم. تصویر زیر چگونگی اتصال دستگاه‌های مختلف را در سیستم Intel X299 Skylate-X با یکدیگر نشان می‌دهد.

 
چگونگی کار کردن USB
 

شما می‌توانید سوکت های USB ها را در پایین سمت چپ شکل نگاه کنید که مستقیماً به بخشی در اینتل با نام PCH (Platform Controller Hub) وصل می‌شوند. در روزهای اولیه ظهور یو اس بی، این چیپ Southbridge نامیده می‌شد و جریان دستورالعمل‌ها و داده‌ها را به اجزایی مانند هارد درایو، آداپتورهای شبکه، چیپ صدا و غیره مدیریت می‌کرد.

PCH هنوز همان نقش را در حوزه خود ایفا می‌کند؛ اگرچه این روزها بیشتر باید به آن توجه کرد و مراقب بود. این روزها خود پردازنده‌های AMD رایزن، وظایف مربوط به PCH را به صورت مستقیم و بدون نیاز به آن انجام می‌دهند.

در داخل تراشه سیلیکونی چیپ X299 بخشی به نام USB host وجود دارد که شامل دو عنصر اساسی است: یک کنترل کننده یو اس بی و یک هاب روت (root). اولی پردازنده کوچکی است که وظیفه صادر کردن دستورالعمل‌ها، مدیریت هدایت برق و غیره را بر عهده دارد. این نوع مانند همه مدارهای یکپارچه و مجتمع شده، برای فعالیت خود نیاز به درایور دارد؛ اما باید گفت که تقریباً در هر سیستم‌عاملی از قبل قرار داده و نصب شده است.

 
چگونگی کار کردن USB

هاب روت مرحله اولیه برای اتصال دستگاه‌های USB به کامپیوتر است؛ اما همه سیستم‌ها از این روش پشتیبانی نمی‌کنند یا راه‌اندازی نمی‌شوند. گاهی دستگاه‌ها به دیگر هاب ها وصل می‌شوند که با زنجیره‌ای به هاب USB متصل خواهند بود. یک نکته را باید در نظر داشته باشید که یک کنترلر یو اس بی تک می‌تواند تا 127 دستگاه را تحت پشتیبانی خود قرار دهد. USB 3.0 فقط یک کنترلر اضافه دارد.

هاب ها و دستگاه‌ها از طریق تعدادی لوله‌های لاجیک (منطقی) با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند و در هر قسمت جانبی وصل شده، حداکثر 32 کانال ارتباطی وجود دارد. البته این کانال‌ها بیشتر در مواقع لزوم فعال شده و استفاده می‌شوند.

لوله‌ها بر اساس کاری که انجام می‌دهند، به گروه‌هایی تقسیم‌بندی می‌شوند: ارسال یا دریافت دستورالعمل‌ها و انتقال داده‌ها. در مورد دوم، سیستم لاجیک استفاده شده فقط در یک جهت ارسال داده می‌کند؛ در حالی که دستورالعمل‌ها در دو جهت ارسال می‌شود؛ برای مثال، یک اسکنر یو اس بی فقط داده‌ها را به هاب ارسال می‌کند، در حالی که پرینتر فقط آن را دریافت می‌کند. هارد درایوها، لپ‌تاپ‌ها و دیگر ابزارهای مولتی به صورت رفت‌وبرگشت هستند و لوله‌های بیشتری را برای کار فعال می‌کنند.

حالا چگونه این اطلاعات منتقل می‌شود؟

در مورد USB 1.0 تا 2.0، این کار فقط با استفاده از دو سیم انجام می‌شود. اتصالات این مشخصات شامل 4 پین است: یکی برای ولتاژ 5 ولت، دو تا برای داده و یکی برای زمین. پین 5 ولت، همه جریان‌های مورد نیاز را برای اجرای عملیات الکترونیکی رابط و خود دستگاه فعال می‌کند. این فعال کردن به صورت زیر است:

USB2: 2.5 وات
USB 3.0/3.1: 4.5 وات
USB3/2.4: 7.5 وات

البته این مقدار خود یک محدودیت است که می‌توان با شارژ باتری یا حالت ارسال برق برطرف کرد. وقتی به این صورت استفاده می‌شوند، هیچ داده‌ای منتقل نخواهد شد؛ اما به طور قابل توجهی برق و انرژی بیشتری تأمین می‌شود. مسئله‌ای که در پورت‌های قدیمی وجود نداشت.

خطوط داده به صورت جفت دیفرانسیلی عمل می‌کنند؛ مدل ولتاژهای گذردهی شده در آن‌ها، کنترل هاست را با جریانی از بیت‌ها ایجاد خواهد کرد. هنگامی که ابزار به سوکت USB وصل می‌شود، کنترلر تغییر ولتاژی در یکی از پین‌های داده به وجود می‌آورد و این شروع فرآیند شماره گذاری دستگاه است. این با تنظیم مجدد قطعات جانبی آغاز می‌شود تا مانع از قرار گرفتن آن در حالت نادرست شود. سپس کنترلر همه اطلاعات مرتبط را خواهد خواند.

دستگاه‌های USB در یکی از دسته‌ها قرار می‌گیرند و هرکدام یک کد مشخصی دارد؛ برای مثال، آداپتورهای بلوتوث در گروه آداپتورهای بی‌سیم قرار می‌گیرد. یکی از گروه‌های خیلی مهم، Mass Storge است. این گروه در ابتدا برای هارددیسک‌های اکسترنال و رایترهای سی دی فعال بود؛ اما در ادامه دستگاه‌های گسترده‌تری از جمله فلش مموری، دوربین دیجیتالی و تلفن‌های هوشمند را شامل شد. مواردی که توانستند شاهد افزایش ظرفیت حافظه ذخیره‌سازی باشند. یک نکته خیلی مهم اینکه همزمان می‌توان یک دستگاه را مدیریت کرد؛ اما کنترلرها خیلی سریع می‌توانند بین دستگاه جابه‌جا شوند، از این رو چنین تصوری به وجود می‌آید که آن‌ها با هم کار می‌کنند. با اینکه این نوع گذرگاه‌های USB به ساتا وصل نیست؛ اما می‌توان حتی از آن برای بوت سیستم کامپیوتر نیز استفاده کرد.

حالا به بررسی سرعت می‌پردازیم.

هرچه پیشرفته‌تر، گیج‌کننده‌تر

در طرح اولیه مشخصات USB 1.0، خطوط داده فقط در رابطی است که برای انجام عملیات در سرعت 5 مگاهرتز طراحی شده‌اند. از آنجا که این خطوط به صورت جفت کار می‌کنند، عرض باس به صورت 1 بیت و با حداکثر پهنای باند 5 مگابیت در ثانیه است. این مقدار شاید در پورت‌های سریالی خیلی عدد بالایی بود؛ اما در پورت‌های موازی شاهد ترکیب حالت ECP با سرعت 20 مگاپیکسل در ثانیه بوده‌ایم. البته باید گفت که این سرعت برای دستگاه‌های ابتدایی بود. بعد از ظهور USB 2.0 در سال 2001، سرعت بسیار بیشتر شد؛ به مقدار 480 مگابیت در ثانیه در پهنای باند رسید. مسلماً این مقدار برای نوع USB 3.0 خیلی بیشتر بود.

در نوع USB 3.0 دو خط لوله انتقال داده ظرفیت بسیار بیشتری پیدا کردند. البته علاوه بر ظرفیت پهنای باند تعداد پین‌ها بیشتر و هم شکل ساده‌تری به خود گرفت. همین پین‌ها باعث شد تا حداکثر سرعت پهنای باند 5 گیگابایت در ثانیه را شامل باشیم. در سال 2013 نسخه 3.1 با سرعت 10 گیگابایت در ثانیه عرضه شد؛ اما بنا به دلایلی این مورد نسخه 3.1 نسل 2 نامیده شد. از آن طرف نسخه 3.0 به 3.1 نسل 1 تغییر نام پیدا کرد. بعد از اینکه نسخه 3.2 پنج سال بعد عرضه شد، باز شرکت اصلی تغییر نام هایی به وجود آورد:

USB 3.1 نسل 1 به USB نسل 3.2 1×1
USB 3.1 نسل دو به USB نسل 3.2 1×2

حالا سیستم جدید دارای دو نسخه روی همه این‌ها است: نسل 3.2 2×1 و 2×2 که دو مجموعه از خطوط داده‌ها به صورت موازی استفاده می‌شوند. با بسیاری از ویژگی‌های متفاوت و سرعت‌های موجود، شاید فکر کنید که این حالت استاندارد برای تشخیص اسلاتها وجود دارد؛ اما باید گفت که این تصور اشتباه است. نگاهی به مادربرد گیگابیت در تصویر زیر بیندازید:

 
چگونگی کار کردن USB

در کل 10 پورت یو اس بی‌وجود دارد که شامل دو نسخه متفاوت از مشخصات 3.2 و دو نوع کانکتور است. متأسفانه هیچ اطلاعاتی در خصوص این نوع پورت‌ها وجود ندارد؛ اما چرا رنگ‌های آن‌ها متفاوت است؟ البته با اینکه استانداردهایی برای این مسئله تدوین شد؛ اما متأسفانه شرکت‌ها این مسئله را رعایت نکردند. مسئله ‌اینجاست که به جای بهتر شدن، باز شاهد تغییر نام بوده‌ایم. با معرفی USB4 این امید می‌رفت که حداقل این مسئله کمی بهینه شده و سامان پیدا کند؛ اما چنین اتفاقی نیفتاد. هرچند هنوز تا پایان نیمه اول 99 یعنی زمان نگارش این مقاله، این نوع پورت عرضه نشده است.

در آخر سعی شده تا حدی در خصوص انواع پورت‌ها توضیحاتی داده شود؛ اما مهم چگونگی کار کردن آن‌ها بود که همگی آن‌ها با استفاده از کانال‌های مربوطه انجام می‌شوند. هرچند که USB ها از ابتدا تا الآن تغییرات زیادی را شاهد بوده است.

مطالب مرتبط:

6 مورد ساده و اولیه در هنگام خرید کامپیوتر PC
USB Type C چیست؟
HDMI یا Display Port: کدام یک را استفاده کنیم؟

پیام ها و نظرات