USB (ناقل تسلسلي عالمي). الناقل التسلسلي العالمي ما هي مزايا ناقل USB
ناقل USB ( يوعالمي سإيريال بلنا - ناقل تسلسلي عالمي) ظهر بمعايير الكمبيوتر منذ وقت طويل جدًا - ظهرت نسخة من أول نسخة معتمدة من المعيار في 15 يناير 1996. بدأ تطوير المعيار من قبل الشركات ذات السمعة الطيبة - Intel و DEC و IBM و NEC و Northen Telecom و Compaq.
الهدف الرئيسي من المجموعة القياسية لمطوريها هو خلق فرصة حقيقية للمستخدمين للعمل في وضع التوصيل والتشغيل مع الأجهزة الطرفية. هذا يعني أنه يجب أن يكون هناك شرط لتوصيل الجهاز بجهاز كمبيوتر قيد التشغيل ، والتعرف عليه تلقائيًا فور الاتصال ثم تثبيت برامج التشغيل المناسبة. بالإضافة إلى ذلك ، من المستحسن توفير الطاقة للأجهزة منخفضة الطاقة من الناقل نفسه. يجب أن تكون سرعة الحافلة كافية للغالبية العظمى من الأجهزة الطرفية. على طول الطريق ، يتم حل المشكلة التاريخية المتمثلة في نقص الموارد على الحافلات الداخلية لجهاز كمبيوتر IBM الشخصي لجهاز كمبيوتر متوافق - تأخذ وحدة تحكم USB مقاطعة واحدة فقط ، بغض النظر عن عدد الأجهزة المتصلة بالناقل.
تم حل جميع المهام تقريبًا في معيار USB ، وفي ربيع عام 1997 بدأت تظهر أجهزة الكمبيوتر المجهزة بموصلات لتوصيل أجهزة USB (انظر الصورة على اليسار) ، لكن الأجهزة الطرفية التي تحتوي على اتصال USB لم تظهر عمليًا حتى منتصف عام 1998. ماذا جرى؟ لماذا فقط بحلول نهاية عام 1998 بدأ مصنعو المعدات في تقديم أجهزة USB في السوق بشكل أكثر نشاطًا؟ هناك عدة تفسيرات لهذا:
تخلص من الحاجة الماسة لمستخدمي سطح المكتب لأجهزة التوصيل والتشغيل بالكامل. تتصل الأجهزة الطرفية بجهاز كمبيوتر سطح المكتب ، كقاعدة عامة ، بجدية ولفترة طويلة ، والغالبية العظمى من المستخدمين ليس لديهم حاجة خاصة لاستبدال الأجهزة الطرفية بشكل متكرر.
تكلفة أجهزة USB أعلى مقارنة بالأجهزة المماثلة ذات الواجهات القياسية
عدم وجود دعم من الشركات المصنعة البرمجياتوخاصة Microsoft ، على الرغم من أنها كانت أحد مؤلفي المعيار. فقط في نظام التشغيل Windows 98 كان هناك ملف دعم USB، وفي Windows NT يجب أن يكون في عام 1999 فقط.
الآن أصبح USB يتم تنفيذه بنشاط من قبل الشركات المصنعة للأجهزة الطرفية للكمبيوتر. كان الإحساس هو وجود USB فقط كناقل خارجي في أجهزة كمبيوتر Apple iMAC.
تحديد
تتبع إمكانيات USB من مواصفاته الفنية:
سرعة عالية في التبادل (معدل بت الإشارة عالي السرعة) - 12 ميجابت / ثانية
أقصى طول للكابل للباود العالي - 5 أمتار
معدل بت الإشارة منخفض السرعة - 1.5 ميجا بايت / ثانية
الحد الأقصى لطول الكابل لمعدل البث بالباود المنخفض - 3 م
الحد الأقصى لعدد الأجهزة المتصلة (بما في ذلك المضاعفات) - 127
من الممكن توصيل الأجهزة بمعدلات باود مختلفة
لا حاجة لتثبيت عناصر إضافية من قبل المستخدم ، مثل terminators لـ SCSI
جهد الإمداد للأجهزة الطرفية - 5 فولت
الحد الأقصى للاستهلاك الحالي لكل جهاز هو 500 مللي أمبير (هذا لا يعني أنه يمكن تشغيل الأجهزة التي يبلغ إجمالي استهلاكها الحالي 127 × 500 مللي أمبير = 63.5 أمبير عبر USB)
لذلك ، يُنصح بتوصيل أي جهاز طرفي تقريبًا بـ USB ، باستثناء كاميرات الفيديو الرقمية ومحركات الأقراص الثابتة عالية السرعة. هذه الواجهة ملائمة بشكل خاص لتوصيل الأجهزة المتصلة / غير المتصلة بشكل متكرر مثل الكاميرات الرقمية. تم تصميم موصلات USB للتزاوج / الانقسام.
تحد القدرة على استخدام معدلين للباود فقط من استخدام الناقل ، ولكنها تقلل بشكل كبير من عدد خطوط الواجهة وتبسط تنفيذ الأجهزة.
لا يمكن تشغيله مباشرة من USB إلا للأجهزة منخفضة الطاقة مثل لوحات المفاتيح ، والفأرة ، وأذرع التحكم ، وما إلى ذلك.
طوبولوجيا
تم تعيين هذا الرمز رسميًا على أنه ناقل USB في نظام التشغيل Windows 98 وعلى الجدران الخلفية لأجهزة الكمبيوتر (للأسف ، ليس كلها) ، وكذلك على جميع موصلات USB. يمثل هذا الرمز في الواقع فكرة هيكل USB بشكل صحيح. يتطابق هيكل USB تقريبًا مع هيكل شبكة LAN التقليدية الملتوية ، والتي يشار إليها عادةً باسم "نجمة". حتى المصطلحات متشابهة - يُطلق على مربي الإطارات أيضًا اسم HUBs.
بشكل تقليدي ، يمكن وصف الشجرة الخاصة بتوصيل أجهزة USB بجهاز كمبيوتر على النحو التالي (تشير الأرقام إلى الأجهزة الطرفية بواجهة USB):
يمكن أيضًا وضع HUB بدلاً من أي من الأجهزة. يتمثل الاختلاف الرئيسي عن هيكل الشبكة المحلية التقليدية في أنه لا يمكن أن يكون هناك سوى جهاز كمبيوتر واحد (أو جهاز مضيف). يمكن أن يكون HUB إما جهازًا قائمًا بذاته مزودًا بمصدر طاقة خاص به ، أو مدمجًا في جهاز طرفي. غالبًا ما يتم تضمين HUBs في الشاشات ولوحات المفاتيح
الصورة أعلاه تظهر مثالا الاتصال الصحيحالأجهزة الطرفية لشبكة USB تقليدية. نظرًا لأن تبادل البيانات عبر USB يحدث فقط بين جهاز كمبيوتر وجهاز طرفي (لا يوجد تبادل بين الأجهزة) ، يجب توصيل الأجهزة التي تحتوي على كميات كبيرة من استقبال و / أو نقل البيانات إما بالكمبيوتر نفسه أو بأقرب عقدة مجانية. في هذه الحالة ، تتمتع مكبرات الصوت بأعلى حركة مرور (~ 1.3 ميجا بايت / ثانية) ، متبوعة بمودم وماسح ضوئي متصل بـ HUB في الشاشة ولوحة المفاتيح وعصا التحكم والماوس ، التي تقترب حركة المرور الخاصة بها من الصفر ، تكمل الدائرة .
قد يطرح السؤال - لماذا الأعمدة لديها مثل هذه الحركة العالية؟ الحقيقة هي أن مكبرات الصوت ذات واجهة USB تختلف اختلافًا كبيرًا عن السماعات المعتادة. غير مطلوب لاستخدام مكبرات الصوت هذه كارت الصوت... يرسل برنامج تشغيل مكبر الصوت الصوت الرقمي مباشرة إلى السماعات ، حيث يتم تحويله إلى إشارة تمثيلية باستخدام ADC ويتم تغذيته بالسماعات.
الكابلات والموصلات
يتم إرسال إشارات USB عبر كابل من 4 أسلاك ، كما هو موضح بشكل تخطيطي في الشكل أدناه:
هنا GND هي دائرة "العلبة" لتشغيل الأجهزة الطرفية ، VBus - + 5V أيضًا لدوائر الطاقة. الحافلة D + لنقل البيانات على الحافلة ، والحافلة D- لنقل البيانات.
تم تصميم الكابل عالي السرعة كـ الزوج الملتوي، محمي ويمكن استخدامه أيضًا للتشغيل بسرعة منخفضة. يمكن أن يكون الكبل للتشغيل بالسرعة الدنيا فقط (على سبيل المثال ، لتوصيل الماوس) موجودًا وغير محمي.
الموصلات المستخدمة لتوصيل الأجهزة الطرفية موضحة في الشكل أدناه.
| موصلات السلسلة "أ" | موصلات السلسلة "B" |
||
| المقصود فقط أن تكون متصلاً بمصدر ، أي كمبيوتر أو HUB "في. | مصمم للاتصال بجهاز طرفي فقط |
||
|
| نوع قابس الكهرباء "أ". |
| نوع قابس الكهرباء "B". |
|
| نوع المقبس "A" |
| نوع المقبس "B" |
كما ترى من الشكل ، من المستحيل توصيل الجهاز بشكل غير صحيح ، حيث لا يمكن توصيل موصل السلسلة "A" إلا بجهاز نشط على USB-HUB أو كمبيوتر ، والسلسلة "B" فقط إلى الجهاز المحيطي الفعلي.
تحتوي موصلات USB على رقم التعريف الشخصي التالي:
| رقم الاتصال | ميعاد | لون السلك |
دبوس موصل USB
|
|
في عام 1999 ، بدأ نفس اتحاد شركات الكمبيوتر ، الذي بدأ في تطوير الإصدار الأول من معيار ناقل USB ، في تطوير الإصدار 2.0 من USB بنشاط ، والذي يختلف في أن عرض النطاق الترددي للحافلة يتم زيادة 20 (!) مرة ، حتى 250 ميجابت / ثانية ، مما يجعل من الممكن نقل بيانات الفيديو عبر USB ويجعلها منافسًا مباشرًا لـ IEEE-1394 (FireWire). |
تطوير USB USB (ناقل تسلسلي عالمي) هو امتداد قياسي في الصناعة لهندسة الكمبيوتر الشخصي يركز على التكامل مع أجهزة الاتصالات الهاتفية والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.
مزايا الحافلة:
- يمكن توصيل جهاز USB بالكمبيوتر في أي وقت ، حتى عند تشغيله ؛
- عندما يكتشف الكمبيوتر جهاز USB متصل ، فإنه يقوم تلقائيًا باستقصائه لمعرفة إمكانياته ومتطلباته ؛
- تحميل برنامج التشغيل ، وعندما يتم فصل الجهاز ، يتم تفريغ برنامج التشغيل تلقائيًا ؛
- لا يستخدم جهاز USB وصلات العبور ، ومفاتيح DIP ، ولا يتسبب أبدًا في حدوث تعارضات في المقاطعات ، و DMA ، والذاكرة ؛
- يسمح توسيع محاور USB بتوصيل عدد كبير من الأجهزة (حتى 127 جهازًا) بحافلة واحدة ؛
- تكلفة منخفضة لأجهزة USB.
جعل ظهور USB من الممكن إنشاء ملفات فلاش USBمحرك (تخزين USB).
تاريخ إنشاء وتطوير واجهة USB
ظهر الإصدار الأول لواجهة كمبيوتر USB في 15 يناير 1996. كان Alliance 7 هو البادئ في المشروع. الشركات الكبيرةالشركات المصنعة Intel و DEC و IBM و Northen Telecom و Compaq.
كان سبب ظهور معيار جديد لنقل المعلومات هو الرغبة في تبسيط اتصال أجهزة الكمبيوتر بالأجهزة الطرفية. كان الهدف الرئيسي للمعيار هو خلق فرصة للمستخدمين لاستخدام مثل هذه الواجهة التي من شأنها أن تتمتع بأقصى قدر من البساطة والتنوع ، وتستخدم مبدأ التوصيل والتشغيل أو التوصيل السريع.
هذا من شأنه أن يجعل من الممكن توصيل العديد من أجهزة الإدخال والإخراج بجهاز الكمبيوتر أثناء التشغيل ، بشرط التعرف التلقائي الفوري على نوع وطراز الجهاز المتصل. أيضًا ، تم تحديد الهدف - للتخلص من مشكلة نقص الموارد الداخلية للمقاطعات في ناقل النظام.
تم حل كل هذه المهام بنجاح بحلول نهاية عام 1996 ، وبحلول ربيع عام 1997 ، بدأت أولى أجهزة الكمبيوتر المجهزة بموصلات USB في الظهور. تم تنفيذ الدعم الكامل لأجهزة USB فقط بحلول نهاية عام 1998 ، في نظام التشغيل Windows98 ، وفقط من هذه المرحلة ، بدأ تطوير وإصدار سريع بشكل خاص للمعدات الطرفية المجهزة بهذه الواجهة.
بدأ الاعتماد الشامل الحقيقي لـ USB مع التبني الواسع النطاق لحالات ATX واللوحات الأم حول 1997-1998. لم تفوت Apple فرصة الاستفادة من التقدم المحرز ، وكشفت النقاب عن أول iMac ، المزود أيضًا بدعم USB ، في 6 مايو 1998.
وُلد هذا المعيار في وقت كانت فيه بالفعل واجهة بيانات تسلسلية مماثلة طورتها شركة Apple Computer وكانت تسمى FireWare أو IEE1394. تم إنشاء واجهة USB كبديل لـ IEE1394 ، ولم يكن القصد منها استبدالها ، ولكن لتتواجد بالتوازي مع نوع الاتصال الموجود بالفعل.
واجه الإصدار الأول من USB بعض مشكلات التوافق والعديد من أخطاء التنفيذ. نتيجة لذلك ، في نوفمبر 1998 ظهرت مواصفات USB 1.1.
تم تقديم مواصفات USB 2.0 في أبريل 2000. لكن مر أكثر من عام قبل اعتماده كمعيار. بعد ذلك ، بدأ التقديم الهائل للإصدار الثاني من الناقل التسلسلي العالمي. كانت ميزته الرئيسية هي زيادة معدل نقل البيانات بمقدار 40 ضعفًا. ولكن إلى جانب ذلك كانت هناك ابتكارات أخرى. هكذا ظهرت أنواع جديدة من موصلات Mini-B و Micro-USB ، تمت إضافة دعم تقنية USB On-The-Go (تسمح لأجهزة USB بتبادل البيانات مع بعضها البعض دون مشاركة مضيف USB) ، أصبح من الممكن استخدم الجهد المزود عبر USB لشحن الأجهزة المتصلة.
كيف يعمل ناقل USB
يسمح USB بتبادل البيانات بين كمبيوتر مضيف ومجموعة متنوعة من الأجهزة الطرفية (CP). وفقًا لمواصفات USB ، يمكن أن تكون الأجهزة (الأجهزة) محاور أو وظائف أو مزيج من الاثنين معًا. يوفر المحور نقاطًا إضافية فقط لتوصيل الأجهزة بالحافلة. يزود الجهاز المزود بوظيفة USB النظام بميزات إضافية وظائفعلى سبيل المثال ، اتصال ISDN ، وعصا التحكم الرقمية ، ومكبرات الصوت ذات الواجهة الرقمية ، وما إلى ذلك ، يظهر الجهاز المركب الذي ينفذ وظائف متعددة كمحور مع أجهزة متعددة متصلة به.
يتم التحكم في نظام USB بالكامل بواسطة جهاز التحكم المضيف ، وهو النظام الفرعي للأجهزة والبرامج للكمبيوتر. يتيح لك الناقل توصيل الأجهزة وتكوينها واستخدامها وفصلها أثناء تشغيل المضيف والأجهزة نفسها.
يتمحور ناقل USB حول المضيف: فالحاسب الرئيسي الوحيد الذي يتحكم في التبادل هو الكمبيوتر المضيف ، وجميع الأجهزة الطرفية المتصلة به هي عبيد حصريًا. الهيكل المادي لناقل USB هو نجم متعدد المستويات. في الجزء العلوي ، توجد وحدة تحكم المضيف جنبًا إلى جنب مع محور الجذر. المحور هو جهاز تقسيم ؛ علاوة على ذلك ، يمكن أن يكون مصدر طاقة للأجهزة المتصلة به. يمكن توصيل كل منفذ محور مباشرة بجهاز طرفي أو محور وسيط ؛ يسمح الناقل بما يصل إلى 5 مستويات من تتابع المحور (بدون حساب الجذر). يحتوي كل محور وسيط على العديد من منافذ المصب لتوصيل الأجهزة الطرفية (أو المحاور النهائية) ومنفذ واحد للتيار الرئيسي للاتصال بمحور الجذر أو منفذ المصب لمحور المنبع.
تتقارب البيانات من الأجهزة المتصلة مع مضيف USB وتوفر أيضًا التفاعل مع الكمبيوتر. جميع الأجهزة متصلة بطوبولوجيا نجمية. يمكنك استخدام لوحات وصل USB لزيادة عدد منافذ USB النشطة. وبالتالي ، تحصل على نظير للبنية المنطقية "الشجرة". يمكن أن تحتوي هذه الشجرة على ما يصل إلى 127 فرعًا لكل وحدة تحكم مضيفة ، ويجب ألا يتجاوز مستوى تداخل لوحات وصل USB خمسة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يحتوي مضيف USB واحد على عدة وحدات تحكم مضيفة ، مما يزيد بشكل متناسب من الحد الأقصى لعدد الأجهزة المتصلة.
المحاور من نوعين. يقوم بعضها ببساطة بزيادة عدد منافذ USB في كمبيوتر واحد ، بينما يسمح لك البعض الآخر بتوصيل أجهزة كمبيوتر متعددة. الخيار الثاني يسمح لأنظمة متعددة باستخدام نفس الأجهزة. اعتمادًا على المحور ، يمكن إجراء التبديل يدويًا أو تلقائيًا.
يمكن تقسيم جهاز مادي واحد متصل عبر USB منطقيًا إلى "أجهزة فرعية" تؤدي وظائف محددة معينة. على سبيل المثال ، قد تحتوي كاميرا الويب على ميكروفون مدمج - اتضح أن بها جهازين فرعيين: لنقل الصوت والفيديو.
يحدث نقل البيانات من خلال قنوات منطقية خاصة. يمكن تخصيص ما يصل إلى 32 قناة لكل جهاز USB (16 قناة للاستقبال و 16 للإرسال). تتصل كل قناة بنقطة تسمى تقليديًا "نقطة نهاية". يمكن لنقطة النهاية إما استقبال البيانات أو إرسالها ، لكنها لا تستطيع القيام بذلك في نفس الوقت. تسمى مجموعة نقاط النهاية المطلوبة لوظيفة ما بالواجهة. الاستثناء هو نقطة النهاية "الفارغة" ، وهي مخصصة لتكوين الجهاز.
عند توصيل جهاز جديد بمضيف USB ، تبدأ عملية تعيين معرف له. أولاً ، يتم إرسال إشارة إعادة تعيين إلى الجهاز. في الوقت نفسه ، يتم أيضًا تحديد السرعة التي يمكن بها تحديد تبادل البيانات. بعد ذلك ، تتم قراءة معلومات التكوين من الجهاز ، ويتم تعيين عنوان فريد من سبعة بتات له. إذا كان الجهاز مدعومًا من قبل المضيف ، فسيتم تحميل جميع برامج التشغيل اللازمة للعمل معه ، وبعد ذلك تكتمل العملية. ستؤدي إعادة تشغيل مضيف USB دائمًا إلى إعادة تعيين المعرفات والعناوين لجميع الأجهزة المتصلة.
على عكس حافلات التوسع (ISA / EISA ، PCI ، بطاقة الكمبيوتر الشخصي) ، حيث يتفاعل البرنامج مع الأجهزة عن طريق الوصول إلى العناوين المادية لخلايا الذاكرة ومنافذ الإدخال / الإخراج والمقاطعات وقنوات DMA ، تتفاعل التطبيقات مع أجهزة USB فقط من خلال واجهة البرنامج. يتم توفير هذه الواجهة المستقلة عن الجهاز بواسطة برنامج نظام تحكم USB.
لتوصيل الأجهزة الطرفية بحافلة USB ، يتم استخدام كبل بأربعة أسلاك ، بينما يتم استخدام سلكين (زوج مجدول) في اتصال تفاضلي لتلقي البيانات وإرسالها ، وسلكان لتشغيل الجهاز المحيطي. بفضل خطوط الطاقة المدمجة ، يسمح لك ناقل USB بتوصيل الأجهزة الطرفية بدون مصدر الطاقة الخاص به (يجب ألا يتجاوز الحد الأقصى الحالي الذي يستهلكه الجهاز عبر خطوط طاقة ناقل USB 500 مللي أمبير).
ترميز البيانات
يستخدم الناقل طريقة تفاضلية لإرسال إشارات D + و D- عبر سلكين. يتم ترميز جميع البيانات باستخدام طريقة تسمى NRZI مع حشو البتات (NRZI - Non Return to Zero Invert).
بدلاً من ترميز المستويات المنطقية كمستويات جهد ، يعرّف USB المنطق 0 على أنه تغيير في الجهد والمنطق 1 كجهد ثابت. هذه الطريقة عبارة عن تعديل لطريقة تشفير NRZ المحتملة التقليدية (بدون الرجوع إلى الصفر) ، حيث تُستخدم إمكانات مستويين لتمثيل 1 و 0 ، ولكن في طريقة NRZI ، تعتمد الإمكانية المستخدمة لتشفير البتة الحالية على الإمكانات التي تم استخدامه لتشفير البت السابق. إذا كانت البتة الحالية تساوي 0 ، فإن الإمكانات الحالية هي عكس إمكانات البتة السابقة ، بغض النظر عن قيمتها. إذا كانت قيمة البتة الحالية 1 ، فإن الإمكانات الحالية تكرر البتة السابقة. من الواضح أنه إذا كانت البيانات تحتوي على أصفار ، فمن السهل جدًا على جهاز الاستقبال وجهاز الإرسال الحفاظ على التزامن - سيتغير مستوى الإشارة باستمرار. ولكن إذا كانت البيانات تحتوي على تسلسل طويل من تلك ، فسيتغير مستوى الإشارة ، ويكون إلغاء التزامن ممكنًا. لذلك ، من أجل نقل البيانات بشكل موثوق ، من الضروري استبعاد التسلسلات الطويلة جدًا من الرموز من الرموز. يسمى هذا الإجراء حشو البتات: بعد كل ست وحدات ، تتم إضافة 0 تلقائيًا.
لا يوجد سوى ثلاثة بايتات ممكنة مع ستة وحدات بايت متتالية: 00111111 ، 01111110 ، 111111100.
يمكن أن يؤدي الحشو إلى زيادة عدد البتات المرسلة بنسبة تصل إلى 17٪ ، ولكن في الممارسة العملية تكون هذه القيمة أقل بكثير. بالنسبة للأجهزة المتصلة بحافلة USB ، يكون التشفير شفافًا: تقوم وحدات تحكم USB بإجراء التشفير وفك التشفير تلقائيًا.
أوضاع الحافلات
- سرعة منخفضة مدعومة بمعايير 1.1 و 2.0. معدل نقل البيانات الذروة - 1.5 ميجابت / ثانية (187.5 كيلوبايت / ثانية). غالبًا ما تستخدم لأجهزة HID (لوحات المفاتيح ، والفئران ، وأذرع التحكم).
- السرعة الكاملة مدعومة بمعايير 1.1 و 2.0. معدل نقل البيانات الذروة - 12 ميجابت في الثانية (1.5 ميجابت في الثانية). قبل الإصدار ، كان USB 2.0 هو أسرع وضع تشغيل.
- مرحبا السرعة مدعومًا بمعيار 2.0 و 3.0. معدل نقل البيانات الذروة - 480 ميجابت في الثانية (60 ميجابت في الثانية).
- السرعة الفائقة مدعومًا بمعيار 3.0. معدل نقل البيانات الذروة - 4.8 جيجابت / ثانية (600 ميجابايت / ثانية).
نقل البيانات
آلية نقل البيانات غير متزامنة وقائمة على الكتلة. تسمى كتلة البيانات المرسلة بإطار USB أو إطار USB ويتم إرسالها في فترة زمنية محددة. يتم تنفيذ تشغيل الأوامر وكتل البيانات باستخدام تجريد منطقي يسمى القناة. ينقسم الجهاز الخارجي أيضًا إلى تجريدات منطقية تسمى نقاط النهاية. وبالتالي ، فإن القناة هي رابط منطقي بين وحدة تحكم المضيف ونقطة نهاية الجهاز الخارجي. يمكن مقارنة القناة بملف مفتوح.
تُستخدم القناة الافتراضية لإرسال الأوامر (والبيانات المضمنة في الأوامر) ، ويتم فتح قنوات البث أو قنوات الرسائل لنقل البيانات.
يتم إرسال المعلومات على القناة في شكل حزم (Packet). تبدأ كل حزمة بحقل SYNC (SYNChronization) متبوعًا بـ PID (Packet IDentifier).
يجب تقسيم نظام USB إلى ثلاثة مستويات منطقية مع قواعد محددة للتفاعل. يحتوي جهاز USB على واجهة وأجزاء منطقية ووظيفية. ينقسم المضيف أيضًا إلى ثلاثة أجزاء - الواجهة والنظام والبرامج. كل جزء مسؤول فقط عن مجموعة معينة من المهام.
تتم عملية تبادل البيانات بين برنامج التطبيق وناقل USB عن طريق نقل مخازن الذاكرة من خلال المستويات التالية: مستوى برنامج العميل في المضيف:
- يتم تمثيله عادةً بواسطة برنامج تشغيل جهاز USB ؛
- يضمن تفاعل المستخدم مع نظام التشغيلمن ناحية وسائق النظام من ناحية أخرى.
مستوى نظام USB المضيف (USBD ، برنامج تشغيل الناقل التسلسلي العالمي):
- يتحكم في ترقيم الأجهزة على الحافلة ؛
- يتحكم في توزيع النطاق الترددي للحافلة وإمدادات الطاقة ؛
- يعالج طلبات السائق المخصصة.
وحدة تحكم مضيف واجهة ناقل USB(HCD ، برنامج تشغيل جهاز التحكم المضيف):
- يحول طلبات الإدخال / الإخراج إلى هياكل بيانات تقوم عليها وحدة التحكم المضيفة بتنفيذ المعاملات المادية ؛
- يعمل مع سجلات تحكم المضيف.
تحدد طبقة برنامج العميل نوع نقل البيانات المطلوب لأداء العملية التي يطلبها التطبيق. بعد تحديد نوع نقل البيانات ، تنقل هذه الطبقة ما يلي إلى طبقة النظام:
- مخزن مؤقت للذاكرة يسمى مخزن مؤقت للعميل ؛
- حزمة طلب الإدخال / الإخراج (IRP) تشير إلى نوع العملية المطلوبة.
- يحتوي IRP فقط على معلومات حول الطلب (عنوان وطول المخزن المؤقت في ذاكرة الوصول العشوائي). يقوم برنامج تشغيل نظام USB بمعالجة الطلب مباشرة.
مستوى سائق النظاممطلوب USB لإدارة موارد USB. هو مسؤول عن القيام بما يلي:
- تخصيص عرض النطاق الترددي لناقل USB ؛
- تعيين عناوين الأجهزة المنطقية لكل جهاز USB فعلي ؛
- جدولة المعاملات.
منطقيا ، يتم نقل البيانات بين نقطة النهاية والبرنامج عن طريق تخصيص قناة وتبادل البيانات عبر تلك القناة.يرسل برنامج العميل طلبات IPR إلى طبقة USBD. يقوم برنامج تشغيل USBD بتقسيم الطلبات إلى معاملات وفقًا للقواعد التالية:
- يعتبر تنفيذ الطلب مكتملاً عندما يتم إكمال جميع المعاملات المكونة له بنجاح ؛
- لا يتم إبلاغ برنامج العميل بجميع تفاصيل معالجة المعاملات (مثل انتظار الاستعداد ، وإعادة تشغيل المعاملة في حالة حدوث خطأ ، وعدم توفر جهاز الاستقبال ، وما إلى ذلك) ؛
- يمكن للبرنامج بدء طلب فقط والانتظار إما حتى يكتمل الطلب أو تنتهي مهلته ؛
- يمكن أن يشير الجهاز إلى أخطاء جسيمة ، مما يؤدي إلى إنهاء غير طبيعي للطلب ، والذي يتم إخطاره لمنشئ الطلب.
يأخذ برنامج تشغيل جهاز التحكم المضيف قائمة بالمعاملات من برنامج تشغيل نظام الناقل ويقوم بما يلي:
- جدولة تنفيذ المعاملات المستلمة عن طريق إضافتها إلى قائمة المعاملات ؛
- يسترجع المعاملة التالية من القائمة وينقلها إلى طبقة تحكم المضيف لواجهة ناقل USB ؛
- يتتبع حالة كل معاملة حتى تكتمل.
تعرض وحدة تحكم مضيف واجهة ناقل USB الإطارات. تُرسل الإطارات عن طريق نقل بتات تسلسلي باستخدام طريقة NRZI.
هكذا:
- يتكون كل إطار من الرسائل ذات الأولوية القصوى ، والتي يتم تكوين تكوينها بواسطة برنامج التشغيل المضيف ؛
- يتكون كل تحويل من معاملة واحدة أو أكثر ؛
- تتكون كل معاملة من دفعات ؛
- تتكون كل حزمة من معرف حزمة وبيانات (إن وجدت) ومجموع اختباري.
أنواع نقل البيانات
تحدد مواصفات الناقل أربعة أنواع مختلفة من النقل لنقاط النهاية.
تحويلات التحكم- يستخدمها المضيف لتكوين الجهاز أثناء الاتصال ، للتحكم في الجهاز والحصول على معلومات الحالة أثناء التشغيل. يضمن البروتوكول تسليم مضمون لهذه الحزم. لا يمكن أن يتجاوز طول حقل بيانات رسالة التحكم 64 بايت بأقصى سرعة و 8 بايت بسرعة منخفضة. لمثل هذه الحزم ، يضمن المضيف تخصيص 10٪ من عرض النطاق الترددي.
عمليات نقل البيانات المجمعة- تُستخدم عندما يكون ذلك ضروريًا لضمان التسليم المضمون للبيانات من مضيف إلى آخر أو من وظيفة إلى مضيف ، ولكن وقت التسليم غير محدود. يستهلك هذا الإرسال كامل عرض النطاق الترددي المتاح للحافلة. تحتوي الحزم على حقل بيانات يبلغ 8 أو 16 أو 32 أو 64 بايت. هذه الإرسالات لها الأولوية الدنيا ، ويمكن تعليقها عند تحميل الحافلة بكثافة. مسموح فقط بمعدل الباود الكامل. يتم استخدام هذه الحزم ، على سبيل المثال ، بواسطة الطابعات أو الماسحات الضوئية.
تحويلات المقاطعة- تُستخدم عندما يكون مطلوبًا لإرسال حزم بيانات صغيرة واحدة. يجب إرسال كل حزمة في وقت محدود. عمليات النقل تلقائية ويجب ألا تتم صيانتها بشكل أبطأ مما يتطلبه الجهاز. يمكن أن يصل حجم حقل البيانات إلى 64 بايت بأقصى سرعة وما يصل إلى 8 بايت بسرعة منخفضة. يتم تعيين حد وقت الخدمة في نطاق 1-255 مللي ثانية للسرعة الكاملة و10-255 مللي ثانية للسرعة المنخفضة. يتم استخدام عمليات النقل هذه في أجهزة الإدخال مثل الماوس ولوحة المفاتيح.
عمليات النقل غير المتزامن- تُستخدم لتبادل البيانات في "الوقت الفعلي" ، عندما يلزم إرسال كمية محددة بدقة من البيانات في كل فترة زمنية ، ولكن تسليم المعلومات غير مضمون (يتم نقل البيانات دون تكرار في حالة الفشل ، وفقدان الحزمة مسموح). تأخذ عمليات النقل هذه جزءًا تم التفاوض عليه مسبقًا من عرض النطاق الترددي للحافلة ولها تأخير تسليم محدد مسبقًا. تُستخدم الإرسالات المتزامنة بشكل شائع في أجهزة الوسائط المتعددة لنقل بيانات الصوت والفيديو ، مثل نقل الصوت الرقمي. يتم فصل عمليات النقل غير المتزامن بالطريقة التي تتم بها مزامنة نقاط النهاية - مصادر البيانات أو متلقيها - مع النظام. يميز بين فئات الأجهزة غير المتزامنة والمتزامنة والتكيفية ، كل منها يتوافق مع نوع قناة USB الخاص به.
يتم بدء جميع عمليات نقل البيانات من قبل المضيف فقط ، بغض النظر عما إذا كان يتلقى البيانات أو يرسلها إلى جهاز طرفي. يتم تخزين جميع المعاملات المعلقة في أربع قوائم حسب نوع التحويل. يتم تحديث القوائم باستمرار مع الطلبات الجديدة. يتم تنفيذ جدولة عمليات نقل المعلومات وفقًا للطلبات المطلوبة في شكل قوائم من قبل المضيف على فاصل زمني من إطار واحد. يتم تنفيذ طلبات التقديم وفقًا للقواعد التالية:
- عمليات النقل غير المتزامن لها الأولوية القصوى ؛
- بعد معالجة جميع عمليات الإرسال المتزامنة ، يواصل النظام خدمة إرسالات المقاطعة ؛
- في النهاية ، تتم تلبية طلبات نقل صفائف البيانات ؛
- بعد انقضاء 90٪ من الفاصل الزمني المحدد ، يتحول المضيف تلقائيًا إلى طلبات الخدمة لنقل أوامر التحكم ، بغض النظر عما إذا كان قد تمكن من خدمة القوائم الثلاث الأخرى بشكل كامل أم لا.
يضمن اتباع هذه القواعد تخصيص 10٪ على الأقل من عرض النطاق الترددي لناقل USB دائمًا للتحكم في عمليات النقل. إذا اكتمل إرسال جميع حزم التحكم قبل انتهاء صلاحية الجزء المخصص لها من فترة الجدولة ، فسيستخدم الوقت المتبقي من قبل المضيف لإرسال البيانات.
إصدارات المواصفات
يتم تطوير مواصفات ناقل USB في إطار المنظمة الدولية غير الربحية USB Implementers Forum (USB-IF) ، والتي توحد مطوري ومصنعي المعدات مع ناقل USB.
منذ منتصف عام 1996 ، تم إنتاج أجهزة الكمبيوتر باستخدام وحدة تحكم USB مدمجة يتم تنفيذها بواسطة مجموعة شرائح اللوحة الأم.
الإصدار الأول من مواصفات USB 1.0 يدعم وضعين لمعدل الباود بين الجهاز والكمبيوتر:
- سرعة منخفضة (1.5 ميجابت / ثانية) ، للأجهزة مثل الماوس ولوحات المفاتيح وأذرع التحكم ؛
- السرعة الكاملة (12 ميجابت / ثانية) لأجهزة المودم والماسحات الضوئية.
في خريف عام 1998 ، تم إطلاق الإصدار 1.1 - حيث تم حل المشكلات المكتشفة في الإصدار الأول.
الخصائص التقنية الرئيسية لـ USB 1.1:
- سعر صرف مرتفع بدرجة كافية - حتى 12 ميجابت / ثانية.
- يبلغ الحد الأقصى لطول الكابل لارتفاع معدل البث بالباود 4.5 مترًا.
- يصل الحد الأقصى لعدد الأجهزة المتصلة (بما في ذلك المضاعفات) إلى 127.
- من الممكن توصيل الأجهزة بمعدلات باود مختلفة.
- استخدام أجهزة إضافية وإنهاء غير مطلوب.
- جهد الإمداد للأجهزة الطرفية هو 5 فولت.
- الحد الأقصى للاستهلاك الحالي لكل جهاز هو 500 مللي أمبير.
في ربيع عام 2000 ، تم نشر مواصفات USB 2.0 ، والتي توفر زيادة 40 ضعفًا في عرض النطاق الترددي للحافلة (حتى 480 ميجابت في الثانية في الوضع عالي السرعة). ومع ذلك ، دخلت أجهزة USB 2.0 السوق السائدة في عام 2002 عندما واجهة جديدةتمكنت أخيرًا من إثبات نفسها.
يتيح لك الإصدار الثاني من مواصفات USB 2.0 استخدام وضع عالي السرعة آخر (480 ميجابت / ثانية) لأجهزة مثل محركات الأقراص الصلبة، قرص مدمج ، كاميرات رقمية. عرض النطاق الترددي 480 ميجابت في الثانية كافٍ لمحركات الأقراص الخارجية ومشغلات MP3 والهواتف الذكية و الكاميرات الرقميةالتي كانت بحاجة إلى نقل كمية كبيرة من البيانات. كما أن مواصفات USB 2.0 تدعم بشكل كامل الأجهزة المطورة للإصدار الأول. تكتشف وحدات التحكم والمحاور تلقائيًا إصدار المواصفات الذي يدعمه الجهاز. يسمح الناقل بتوصيل ما يصل إلى 127 جهازًا بعيدًا عن الكمبيوتر على مسافة تصل إلى 25 مترًا (باستخدام محاور وسيطة).
منذ اعتماده على نطاق واسع ، نجح USB 2.0 في استبدال الواجهات التسلسلية والمتوازية تمامًا.
حاليًا ، يتم استخدام الأجهزة المصنوعة وفقًا لمواصفات USB 2.0 على نطاق واسع.
USB 3.0
يدعم USB 3.0 السرعة القصوىانتقال 5 جيجابت في الثانية.
موصل USB 3.0 من النوع A.
الغرض الرئيسي من واجهة USB 3.0 هو زيادة عرض النطاق الترددي المتاح معيار جديديحسن بشكل فعال من استهلاك الطاقة. يحتوي USB 3.0 على أربع حالات اتصال تسمى U0-U3. تتوافق حالة الاتصال U0 مع نقل البيانات النشط ، ويضع U3 الجهاز في وضع "السكون". إذا كان الاتصال خاملاً ، فسيتم تعطيل استقبال البيانات ونقلها في حالة U1. تذهب حالة U2 خطوة إلى الأمام من خلال تعطيل الساعة الداخلية.
موصل USB 3.0 من النوع B.
وبالتالي ، يمكن للأجهزة المتصلة الانتقال إلى حالة U1 فور اكتمال نقل البيانات ، والتي من المتوقع أن توفر فوائد ملموسة في استهلاك الطاقة عند مقارنتها بـ USB 2.0.
إلا دول مختلفةيختلف معيار استهلاك الطاقة USB 3.0 عن USB 2.0 والتيار المدعوم الأعلى. إذا قدم إصدار USB 2.0 عتبة حالية تبلغ 500 مللي أمبير ، ففي حالة المعيار الجديد ، تم تحويل القيد إلى شريط 900 مللي أمبير. تم زيادة تيار بدء الاتصال من 100 مللي أمبير لـ USB 2.0 إلى 150 مللي أمبير لـ USB 3.0. كلا المعلمتين مهمتان جدًا لمحركات الأقراص الثابتة المحمولة ، والتي تتطلب عادةً تيارات أعلى قليلاً. في السابق ، تم حل المشكلة باستخدام مقبس USB إضافي ، والحصول على الطاقة من منفذين ، ولكن باستخدام واحد فقط لنقل البيانات.
كبلات وموصلات USB
على عكس حلقات ناقل ATA الضخمة والمكلفة وخاصة ناقل SCSI مع مجموعة متنوعة من الموصلات وقواعد الاتصال المعقدة والكابلات USB بسيطورشيق.
موجود خمسة أنواع من موصلات USB:
من اليسار إلى اليمين: micro USB ، USB صغير ، نوع B ، موصل من النوع A ، موصل من النوع A.
- USB مصغر- تستخدم في أصغر الأجهزة مثل المشغلات والهواتف المحمولة ؛
- USB صغير- غالبًا ما توجد أيضًا في المشغلات والهواتف المحمولة وفي نفس الوقت على الكاميرات الرقمية وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي والأجهزة المماثلة ؛
- نوع ب- موصل بالحجم الكامل ، مثبت في الطابعات والماسحات الضوئية والأجهزة الأخرى ، حيث الحجم ليس مهمًا جدًا ؛
- نوع A (مستقبل)- موصل مثبت في أجهزة الكمبيوتر (أو على موسعات USB) ، حيث يتم توصيل موصل من النوع A ؛
- نوع A (قابس)- موصل يتصل مباشرة بالكمبيوتر في الموصل المناسب.
لا يسمح لك نظام الكابلات وموصلات USB بارتكاب الأخطاء عند توصيل الأجهزة. مقابس من النوع "A" مناسبة فقط لمنافذ الموزع في اتجاه التيار ، والمقابس من النوع "A" على أسلاك المحور الطرفية أو المنبع. تستخدم المقابس والمقابس من النوع B فقط للأسلاك التي يتم فصلها عن الأجهزة الطرفية والمنافذ الأولية للمحاور (من الأجهزة "الصغيرة" - الفئران ولوحات المفاتيح وما إلى ذلك ، والكابلات ، كقاعدة عامة ، لا تنفصل). توفر المحاور والأجهزة إمكانات توصيل وفصل ساخنة.
يمكن أن يكون الحد الأقصى لطول كابل USB 5 أمتار. تم تقديم هذا القيد لتقليل وقت استجابة الجهاز. تنتظر وحدة تحكم المضيف وصول البيانات لفترة محدودة ، وفي حالة تأخرها ، فقد يتم فقد الاتصال.
الكبل الذي يدعم ناقل السرعة الكامل هو زوج مجدول ومحمي ويمكن استخدامه أيضًا للتشغيل بسرعة منخفضة. يمكن أن يكون الكبل للتشغيل بالسرعة الدنيا فقط (على سبيل المثال ، لتوصيل الماوس) موجودًا وغير محمي.
المؤلفات
- أ. Kostsov ، V. Kostsov ، PC Iron. كتيب المستخدم. - م: مارتن ، 2006 - 480 ص.
تم تصميم ناقل USB لربط جهاز الكمبيوتر به أجهزة مختلفةنوع الهاتف والفاكس والمودم والماسح الضوئي وجهاز الرد على المكالمات ولوحة المفاتيح والماوس وما إلى ذلك. إن ناقل سطح المكتب للتوصيل والتشغيل هذا عبارة عن ناقل متوسط السرعة وثنائي الاتجاه ومنخفض التكلفة يعزز اتصال الكمبيوتر الشخصي ويوسع بنية الكمبيوتر.
الخصائص الرئيسية لناقل USB:
القدرة على توصيل ما يصل إلى 127 جهازًا ماديًا ؛
التعرف التلقائي على الأجهزة الطرفية ؛
تشكيل تكوينات مختلفة.
تنفيذ كل من أنواع الإرسال المتزامن والمتزامن مع نطاق واسع من السرعات ؛
وجود آلية لمعالجة الأخطاء ؛
إدارة الطاقة ، إلخ.
تظهر تقنية ناقل USB في الشكل 7.1 ولها بنية نجمية متعددة المستويات (تكوين شجرة).
الشكل 7.1. طوبولوجيا ناقل USB
يتكون كل نجم من محور (نقطة اتصال) ، والذي يوفر اتصالاً بواحد أو أكثر من الموظفين (func) ، والأجهزة الطرفية. يحتوي ناقل USB على مضيف واحد (وحدة تحكم) ، والذي يشكل مستوى الجذر ويتحكم في عمل الموظفين. يعد المحور عنصرًا أساسيًا في بنية USB ، حيث يدعم اتصال لوحات وصل متعددة. يشتمل المحور على منفذ تدفق مدرج علوي واحد ، مطلوب لتوصيل المحور بالذيل ، والعديد من منافذ التدفق السفلية (NPP) ، وتوصيله بمحاور و / أو موظفين آخرين (الشكل 7.2).
الشكل 7.2. منظر عام للمحور
يؤدي المحور الوظائف التالية: اكتشاف اتصال (فصل) محور أو موظف آخر ؛ إدارة الطاقة وتكوين الأجهزة المتصلة بـ NPP المقابل. يحتوي المحور على وحدة تحكم ومكرر (مفتاح منفذ يتحكم فيه البروتوكول بين VFP و NPP1-NPP7). تستخدم وحدة التحكم سجلات الواجهة للتواصل مع المضيف ، والذي يستخدم أوامر التحكم لتكوين المحور ومراقبة شركائه. يوضح الشكل 7.3 نظام سطح مكتب يحتوي على لوحات وصل وموظفين.
الوظيفة عبارة عن جهاز USB منفصل متصل بكابل بأي منفذ في الموزع. يعمل المحور / الوظيفة كجهاز يحتوي على محور مضمن. يجب أن يتم تكوين كل وظيفة من قبل المضيف قبل استخدامه ، بما في ذلك تخصيص نطاق التردد واختيار خيارات محددة للتكوين.
الشكل 7.3. نظام سطح المكتب يحتوي على محاور وموظفين
يصل مضيف USB (الكمبيوتر المركزي) إلى أجهزة USB باستخدام وحدة تحكم المضيف ، والتي تقوم بما يلي:
تنسيق التحكم وتدفق البيانات بين المضيف والأجهزة ؛
الكشف عن الأجهزة المتصلة (غير المتصلة) ؛
جمع المعلومات حول حالة النظام ؛
إدارة الطاقة.
يتم تنفيذ بروتوكول الناقل على النحو التالي. يرسل المضيف حزمة ترحيل عبر ناقل USB ، مما يشير إلى نوع الحزمة واتجاه المعاملة (الإجراء على الناقل) وعنوان الجهاز ورقم نقطة النهاية. نقطة النهاية هي جزء يمكن التعرف عليه بشكل فريد من جهاز USB يحتوي على العديد من هذه النقاط (نقاط نهاية الاتصال). يتيح لك الجمع بين عنوان الجهاز ورقم نقطة النهاية في هذا الجهاز تحديد كل نقطة على حدة. يجب تكوين أي نقطة نهاية قبل الاستخدام وتتميز بالتردد وزمن انتقال الحافلة وعرض النطاق الترددي وحجم الحزمة الأقصى ونوع واتجاه الإرسال. تحتوي الأجهزة منخفضة السرعة على ما يصل إلى نقطتي نهاية ، وتحتوي الأجهزة عالية السرعة على ما يصل إلى 16 نقطة إخراج.
بعد اكتمال نقل البيانات ، يستجيب جهاز USB (جهاز الاستقبال) بحزمة إقرار تشير إلى نجاح النقل.
يتم إرسال إشارات البيانات D + و D- والطاقة (V و G - أرضي) في ناقل USB من نقطة إلى أخرى على طول أربعة أسلاك من كبل 90 أوم (الشكل 7.4) بطول أقصى يبلغ 5 أمتار. جهد الإمداد المقدر هو 5 فولت.
الشكل 7.4. كابل USB
يوفر المضيف (المحور) الطاقة لأجهزة USB المتصلة به. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون أجهزة USB ذاتية التشغيل. طاقة ناقل USB محدودة.
يوفر ناقل USB نطاقين من معدلات نقل البيانات: سرعة منخفضة(1.5 ميجابت في الثانية) و السرعه العاليه(12 ميجابت في الثانية). يُستخدم وضع السرعة المنخفضة للتفاعل مع الأجهزة التفاعلية (الماوس وكرة التتبع وما إلى ذلك) ، ويتم استخدام الوضع عالي السرعة مع محول الهاتف أو أجهزة الصوت أو الفيديو. يسبق كل حزمة بيانات حقل تزامن يسمح للمستقبلات بمحاذاة أجهزة ضبط الوقت الخاصة بهم (المذبذبات) لتلقي البيانات. يحتوي حقل المزامنة على نبضات مزامنة مشفرة NRZI محشوة بت.
يشكل الارتباط بين المضيف ونقطة النهاية قناة. يمكن أن يحتوي جهاز USB على نقطة نهاية تدعم فقط قناة تحكم ، أو نقطة نهاية تستخدم قناة لنقل البيانات.
يقوم USB بإجراء الأنواع التالية من عمليات النقل على القنوات المقابلة في أحد الاتجاهين أو كلاهما:
التحكم في إرسال الطلب / الاستجابة التلقائي (غير الدوري) ، ويستخدم لنقل الأوامر / الحالة وعادة ما يستخدم لتكوين الجهاز في وقت توصيله ؛
نقل الحاوية ، الذي يحدث بشكل عشوائي في الوقت المناسب ، ويتألف من عدد كبيرإخراج البيانات ، على سبيل المثال ، إلى طابعة أو ماسح ضوئي ؛
مقاطعة الإرسال (نقل البيانات بشكل غير دوري بتردد منخفض من الجهاز في أي وقت ، ويتألف من بايت واحد أو أكثر يتم إرساله إلى الكمبيوتر الرئيسي ويتطلب صيانة الجهاز) ؛
النقل غير المتزامن (التدفق الدوري) ، مما يوفر اتصالًا مستمرًا بين المضيف والجهاز ، في الوقت الفعلي بسرعة ووقت استجابة محددين مسبقًا.
تحتوي جميع أجهزة USB على نقطة نهاية O يمكن لقناة التحكم الوصول إليها افتراضيًا. تصف معلومات نقطة النهاية O جهاز USB وتتكون من الأجزاء التالية: معيار باستخدام واصفات للجهاز وهيكله وواجهته ونقاط النهاية ؛ فئة الجهاز ومعلومات البائع. يتم استخدام نقطة النهاية O لتهيئة جهاز USB وتكوينه.
تنقل القنوات المعلومات بين المضيف ونقطة النهاية باستخدام ذاكرة التخزين المؤقت. هناك نوعان من أنماط تشغيل القناة: دفق - بيانات ليس لها بنية محددة ، ورسالة - بيانات مرسلة وفقًا لترتيب معين. يمتلك برنامج النظام (البرنامج) القناة حصريًا ويعرضها لبرامج أخرى. يطلب مستخدم البرنامج عمليات النقل عبر القناة ، وينتظرها ، ثم يتم إخطاره باستكمال عمليات نقل البيانات. يمكن لنقطة النهاية إرسال إشارة NAK إلى المضيف بأنها مشغولة.
تنقل القنوات المتدفقة حزم البيانات غير USB في اتجاه واحد أو آخر (نقل أحادي الاتجاه). تدعم القنوات المتدفقة عمليات نقل الحاوية والمتزامنة والمقاطعة.
يسمح نقل التحكم بالوصول إلى أي جزء من الجهاز ويهدف إلى تبادل المعلومات ، مثل التكوين / الأمر / الحالة ، بين برنامج المستخدم والموظف. يحتوي نقل التحكم بشكل عام على معلومات الطلب (حزمة التثبيت) ، والبيانات ، ومعلومات الحالة الوظيفية التي يتم إرجاعها إلى المضيف. تحتوي حزمة التثبيت على بنية محددة تتكون من مجموعة من الأوامر المطلوبة لإنشاء اتصال بين مضيف وجهاز USB. يحتوي وصف حالة الجهاز أيضًا على بنية محددة ، ولا تحتوي بيانات التحكم التي تلي حزمة التثبيت على أي بنية وتحتوي على معلومات حول الوصول المطلوب. يتم تنفيذ إرسال التحكم كتدفق ثنائي الاتجاه للمعلومات عبر قنوات الرسائل. يحد معيار ناقل USB من حجم حزمة البيانات للأجهزة عالية السرعة إلى 8 أو 16 أو 32 أو 64 بايت ، بينما يمكن أن تحتوي الأجهزة منخفضة السرعة على حزمة بيانات لا تزيد عن 8 بايت. تحتوي حزمة التثبيت دائمًا على 8 بايت. في البداية (بعد إعادة التعيين) ، يستخدم المضيف حزمة بيانات 8 بايت ، وهي كافية للعمليات القياسية ، وبعد تحديد نوع نقطة النهاية من معلومات التكوين الخاصة به ، يمكن استخدام حزمة كبيرة لإجراء عمليات محددة. وبالتالي ، يتم تقسيم جميع البيانات أثناء الإرسال إلى أجزاء متساوية (حزم) ، باستثناء الجزء الأخير الذي يحتوي على البيانات المتبقية.
في حالة انشغال نقطة النهاية لفترة معينة ، سيعيد المضيف محاولة الوصول إليها بعد فترة. إذا اكتشف المضيف خطأ ما ، فإنه يعيد الإرسال.
يوضح الشكل 7.5 مخططًا عامًا لكيفية تفاعل مكونات ناقل USB.
الشكل 7.5. المخطط العام لتفاعل مكونات ناقل USB
يحتوي المضيف (مركز التنسيق) على: برنامج نظام USB يدعم واجهة USB في نظام تشغيل معين ويتم توفيره معها ؛ برنامج المستخدم المطلوب للتحكم في تشغيل جهاز USB محدد مضمن في نظام التشغيل أو مزود بالجهاز ، ووحدة تحكم تسمح للأجهزة بالاتصال بمضيف. يحتوي جهاز USB أيضًا على عدة مستويات تنفيذ: واجهة الناقل ومنطق الجهاز (مجموعة النقاط) والوظيفة (المستوى الوظيفي للجهاز).
يستخدم ناقل USB طريقة تشفير NRZI (لا عودة إلى الصفر مع الانعكاس). في هذه الحالة ، تتمثل طريقة تشفير NRZI في أنه إذا كانت بتة البيانات المرسلة تساوي 0 ، فإن مستوى الجهد يتغير ، وإذا كان يساوي 1 ، فسيتم الاحتفاظ بمستوى الجهد. يوضح الشكل 7.6 مثالاً لتشفير البيانات باستخدام طريقة NRZI.
الشكل 7.6. مثال على ترميز NRZI
وبالتالي ، تتسبب سلسلة من الأصفار في تبديل مستويات الإشارة ، وتشكل سلسلة من تلك الأجزاء مقاطع طويلة من المستويات دون أي انتقالات ، مما قد ينتهك شرط التزامن عند اختيار كل بت. لذلك ، عند إرسال البيانات ، يتم إدخال صفر كل ستة وحدات متتالية للتأكد من أن كل فاصل بتات يتم الكشف عنه بشكل موثوق عند الاستقبال في أسوأ الحالات عندما تكون بتات البيانات فردية. يقوم جهاز الاستقبال بفك تشفير كود NRZI ويتجاهل البتات الصفرية المدرجة. يوضح الشكل 7.7 مخطط توقيت لخطوات تشفير البيانات.
يُظهر الرسم التخطيطي أولاً البيانات الأولية التي تحتوي على حقل مزامنة وحزمة بيانات ، ونمط المزامنة الذي يحتوي على 7 أصفار وينتهي بـ 1 بت ، وبعد ذلك تبدأ حزمة البيانات. ثم يُظهر الرسم التخطيطي البيانات المعبأة ، والتي تحتوي بالإضافة إلى ذلك على البتة المدرجة 0 بعد ستة آحاد.تتضمن الستة أيضًا آخر بت واحد من مجموعة المزامنة. بعد ذلك ، يتم ترميز البيانات المعبأة باستخدام طريقة NRZI ، مع مراعاة مجال التركيب المتزامن. تتطلب قاعدة الحشو إدخال البتة 0 ، حتى لو كانت هذه البتة الأخيرة ، قبل إشارة EOP (نهاية الحزمة).
الشكل 7.7. مخطط توقيت خطوات ترميز البيانات
دعنا نلقي نظرة على بعض المتطلبات الكهربائية لناقل USB. يوضح الشكل 7.8 مخططًا تخطيطيًا لبرنامج تشغيل ناقل USB متماثل (برنامج تشغيل) يحتوي على مخازن CMOS متطابقة.
الشكل 7.8. دارة المشكل التفاضلية
يحتوي المحرك التفاضلي المتوازن على ناتجين مستقطبين بشكل معاكس ، D + و D- ، مع ثلاث حالات لتحقيق عملية ثنائية الاتجاه ثنائية الاتجاه. يمثل أحد المخرجات مكرر الإدخال المؤقت ، والآخر هو مكمله. هذه المخرجات متصلة بواسطة زوج من الأسلاك المتقاطعة بمدخلات جهاز الاستقبال التفاضلي. وبالتالي ، تحمل الأسلاك إشارتين تتأثران بشكل متساوٍ بضوضاء النمط المشترك التي يتم التخلص منها بواسطة جهاز الاستقبال التفاضلي.
نظرًا لأن مخرجات السائق لها أقطاب مختلفة ، عند إرسال البيانات بتردد عالٍ ، تظهر إشارات ثنائية القطب المنعكسة ، وهي ليست ضوضاء النمط الشائع. لذلك ، يجب التخلص من إمكانية حدوث إشارات منعكسة على جانب الاستقبال من الواجهة.
يؤدي تطبيق مبدأ الإرسال التفاضلي إلى زيادة مناعة الضوضاء ، ونتيجة لذلك ، يسمح بزيادة معدل نقل البيانات.
يوضح الشكل 7.9 مخططًا للإشارات عند مخرجات المشكل لمعدل إرسال يبلغ 12 Mbit / s (a) و 1.5 Mbit / s (b).
الشكل 7.9. مخططات للإشارات عند مخرجات صانعي البيانات لمعدلات إرسال البيانات 12 ميجابت / ثانية (أ) و 1.5 ميجابت / ثانية (ب)
يتم استخدام الكبل المحمي الملتوي المزدوج بسرعة 12 ميجابت في الثانية ، وكبل غير محمي مع زوج غير مجدول من الموصلات بمعدل 1.5 ميجابت في الثانية. يظهر في الشكل 7.10 اقتران أجهزة الإرسال والاستقبال (PP) باستخدام كبل USB في حالة الإرسال عالي السرعة (أ) والسرعة المنخفضة (ب).
يمكن أن نرى من الرسوم البيانية أن الأجهزة عالية السرعة تحتوي على مقاومة تحميل (R H) على خط D + ، وأخرى منخفضة السرعة على خط D ، مما يسمح لك بتحديد نوع جهاز USB المتصل. عندما لا يقوم جهاز USB بتشغيل الخطين D + و D ، فإن الجهد الكهربي لخط RH يبلغ حوالي 3 فولت ، والآخر قريب من 0 فولت. تسمى حالة الحافلة هذه بالسلب.
الشكل 7.10. مخططات الواجهة للمضيف (المحور) والوظيفة (المحور) للإرسال عالي السرعة (أ) والسرعة المنخفضة (ب)
إذا لم يكن الجهاز متصلاً بالمنفذ السفلي للمضيف (المحور) (أو لا توجد طاقة) ، فعندئذٍ على كلا الخطين D + و D- غير متماثل مستوى منخفضالجهد (0.6 فولت) ، والذي يستخدم لتحديد حالة الفصل أو نهاية رسالة الاندفاع (EOP). بالنسبة لعمليات الإرسال عالية السرعة ، تكون حالة الفصل هي صفر غير متماثل لـ 2.5 مللي ثانية (30 وحدة زمنية بت).
يعتبر الاتصال بالجهاز قائمًا إذا كان الجهد على أحد خطوط D + (D-) أعلى من عتبة عالية غير متماثلة تبلغ 1.5 فولت في غضون 2.5 مللي ثانية.
انظر الشكل 7.11 لتحديد ما إذا كان جهاز USB مفصولاً ومتصلاً.
الشكل 7.11. إثبات حقيقة الفصل (أ) وتوصيل جهاز USB (ب)
يتم تقدير إجمالي وقت نقل البيانات بعدد بتات البيانات مضروبة في الفترة (T) التي يحددها معدل نقل البيانات. يوضح الشكل 7.12 مخطط التوقيت لخطوط البيانات التفاضلية D + و D-.
الشكل 7.12. توقيت نقل البيانات
وفقًا لرمز NRZI ، تتسبب البتة 0 في تبديل مستويات الجهد ، وتحافظ البتة 1 على مستويات الجهد المقابلة على خطوط D + و D-. مدة الصفر غير المتماثل في EOP هي 2T ، باستثناء وقت التأخير.
يتم تحديد بداية الحزمة (SOF) بواسطة البتة الأولى من حقل التزامن عندما تصبح الحالة السلبية للخطوط D + و D- نشطة. تدعم أجهزة USB وضع الإيقاف المؤقت ، والذي ينتج عن الحالة السلبية لخطوط D + و D- التي يتم احتجازها لأكثر من 3 مللي ثانية.
يمكن تعيين إشارة إعادة الضبط بواسطة أمر المضيف ، والذي ينتشر عبر جميع لوحات الوصل ويجلب الأجهزة المتصلة إلى حالتها الأولية. إشارة إعادة التعيين هي صفر غير متماثل يتم الاحتفاظ به في الحافلة لمدة 10 مللي ثانية.
اعتمادًا على مصدر استهلاك الطاقة ، يتم تمييز أنواع الأجهزة التالية:
المحاور التي تستمد الطاقة من الحافلة وتوفر الطاقة للأجهزة الوظيفية الداخلية والمنافذ السفلية ؛
محاور ذاتية التشغيل تسمح لك بتزويد الطاقة لخمس وحدات ، كل منها يستهلك 100 مللي أمبير ، وهو حمل الوحدة ؛
أجهزة منخفضة الطاقة (مع حمولة وحدة واحدة) وعالية الطاقة (مع حمولة من خمس وحدات) تستهلك الطاقة من الناقل ؛
الأجهزة الوظيفية التي تحتوي على مصدر طاقة خارجي وتحمل حمولة وحدة واحدة يتم توفيرها من الناقل.
دعنا نلقي نظرة على تنسيقات الحزم المحددة بواسطة معيار ناقل USB. يتم التمييز بين المصادقة والمعلومات وحزم الإقرار. يسبق كل حزمة إرسال حقل مزامنة 8 بت. يظهر شكل رزمة التعريف في الشكل. 7.13.
الشكل 7.13. تنسيق حزمة التعريف
بعد حقل التزامن لكل حزمة ، يتم إرسال معرف 8 بت (ID) ، بتة الأقل أهمية أولاً. تحدد البتات D0-D3 من حقل المعرّف نوع الحزمة (تنسيق وطريقة اكتشاف أخطاء الحزمة المقابلة) ، والبتات D4-D7 هي القيم العكسية لأربع بتات ذات أهمية أقل وتعمل كحقل للتحقق الإرسال الصحيح لمجال المعرف ، والذي ينقسم إلى تحديد الهوية والمعلومات والإقرار والخاصة.
يستخدم عنوان جهاز 7 بت ورقم 4 بت CT لتحديد جهاز ونقطة نهاية (CT). حقل العنوان مخصص لإدخال البيانات (الإخراج) ومعرفات الإعداد. عند إعادة التعيين أو إيقاف التشغيل ، يتم تعيين عنوان الجهاز على 0 ثم برمجته بواسطة المضيف. تحتوي الأجهزة منخفضة السرعة على ما يصل إلى نقطتي نهاية ، وتحتوي الأجهزة عالية السرعة على ما يصل إلى 16 نقطة نهاية. يتم حماية حقل العنوان وأرقام التصوير المقطعي المحوسب بواسطة رمز فحص دوري مكون من 5 بتات (CCC). التحقق الدوري من التكرار هو أن بتات حقل KCC هي معاملات متعدد الحدود الثنائي (مكافئ 5 بت) ، ويتم الحصول على وحدات بايت التحكم في الخطأ بقسمة كثير الحدود هذا على متعدد الحدود 16 بت المحدد. يتم تحديد وجود أو عدم وجود خطأ من الكود الثنائي للباقي.
تتكون حزمة حقل البيانات من حقل معرف 8 بت وحقل بيانات (0-1023 بايت) وحقل KCC 16 بت (الشكل 7.14).
الشكل 7.14. تنسيق حزم البيانات
هناك مجموعتان من حزم البيانات (Data (0) و Data (1)) بمعرفات مختلفة مطلوبة للحفاظ على التزامن الصحيح. يتم تمثيل البيانات الموجودة في الحزمة على شكل سلسلة من البايتات.
تحتوي حزمة المصافحة على حقل المعرف فقط ويهدف إلى التحقق من نجاح نقل البيانات. هناك ثلاثة أنواع من هذه الحزمة: ACK (إقرار) - تم استلام حزمة البيانات بدون أخطاء وحزمة المعرف صحيحة (تُستخدم الحزمة لنقل البيانات) ؛ NAK (غير معترف به) - حزمة تشير إلى عدم قدرة الجهاز على تلقي البيانات من المضيف (عطل مؤقت) أو لا يحتوي الجهاز على بيانات لإرسالها إلى المضيف (بالإضافة إلى ذلك ، تُستخدم الحزمة للإبلاغ عن توقف مؤقت في الإرسال أو استقبال البيانات بواسطة الجهاز) ؛ STALL عبارة عن حزمة استجابة تشير إلى فشل دائم والحاجة إلى تدخل البرنامج المضيف.
تسمح حزمة تعريف SOF (بداية الإطار) للمحاور أو الأجهزة بتحديد بداية الإطار ومزامنة أجهزة ضبط الوقت الداخلية الخاصة بهم مع مؤقت الكمبيوتر المضيف. يظهر تنسيق حزمة المصادقة في الشكل 7.15.
الشكل 7.15. تنسيق حزمة التعريف
يتكون الإطار من سلسلة من المعاملات (إجراءات الناقل) تبدأ من رمز SOF وتستمر حتى بداية رمز SOF التالي. يحدد الجهاز أو الموزع بداية الإطار بواسطة معرف حزمة SOF 8 بت.
هناك المعاملات التالية: صفيف البيانات ، والتحكم ، والمقاطعة ، والنوع المتزامن.
تتكون معاملة مجموعة البيانات عند إدخال البيانات في مضيف من حزمة مصادقة مع طلب إدخال ، وحزمة بيانات (بيانات (0/1)) من الجهاز ، وحزمة إقرار (NAK أو STALL) يرسلها الجهاز بعد البيانات . إذا تم استلام حزمة البيانات بشكل صحيح ، فسيستجيب المضيف للجهاز بحزمة ACK.
عند إدخال البيانات من مضيف إلى جهاز ، يرسل المضيف حزمة مصادقة مع طلب إخراج ، متبوعًا بحزمة بيانات. يستجيب الجهاز للمضيف بإحدى حزم المصافحة الثلاث (ACK أو NAK أو STALL).
يظهر تسلسل إجراءات المضيف والجهاز عند نقل صفائف البيانات في الشكل 7.16.
الشكل 7.16. المضيف وتسلسل الجهاز
يوضح الشكل 7.17 تسلسل المعرفات عند كتابة وقراءة مصفوفة بيانات.
الشكل 7.17. تسلسل المعرفات عند كتابة وقراءة مصفوفة بيانات
من أجل مزامنة مكونات ناقل USB ، يتم تشذير الحزم مع معرف البيانات (0) والحزم التي تحتوي على معرف البيانات (1). يتم تبديل حزم البيانات في جهاز الإرسال بعد استلام حزمة ACK ، وفي جهاز الاستقبال - بعد استلام الحزمة التالية.
تحتوي انتقالات التحكم على مرحلتين: التثبيت والحالة ، يمكن أن يكون بينهما مرحلة معلومات. أثناء مرحلة التثبيت ، يتم فقط نقل البيانات ذات تنسيق حقل معرف البيانات (0) إلى نقطة نهاية التحكم بالجهاز.
تظهر معاملة التثبيت في الشكل 7.18.
الشكل 7.18. تثبيت الصفقة
لا يتم إصدار ACK إذا كانت البيانات غير صالحة. إذا كانت هناك مرحلة بيانات ، يتم نقلها في اتجاه واحد وفقًا لمتطلبات البروتوكول. يمكن أن تتكون هذه المرحلة من العديد من معاملات الإدخال والإخراج ويتم تحديد حجم صفيف البيانات في حزمة التثبيت.
مرحلة الحالة هي الأخيرة في التسلسل قيد النظر وتستخدم معرّف البيانات 0.
يوضح الشكل 7.19 ترتيب المعاملات ومعرفات البيانات للتحكم في القراءة أو الكتابة.
الشكل 7.19. تسلسل المعاملات ومعرف البيانات
في مرحلة الحالة ، يتم إرسال المعلومات التالية من الجهاز إلى المضيف: أكمل الجهاز المهمة (ACK) ، ولا يحتوي الجهاز على أخطاء (STALL) ، والجهاز مشغول (NACK).
تحتوي معاملات المقاطعة على معرفات الإدخال. يوضح الشكل 7.20 تسلسل معاملات المقاطعة.
الشكل 7.20. تسلسل حركة المقاطعة
إذا تلقى الجهاز معرف إدخال ، فإنه يصدر بيانات المقاطعة في شكل حزمة ويتلقى ACK أو يرسل NACK / STALL. يتم إرسال حزمة NAK بواسطة جهاز عندما لا تحتوي على معلومات لمقاطعة جديدة ، ويتم إرسال حزمة STALL بواسطة جهاز إذا تم تعليق العملية مؤقتًا.
لا تحتوي المعاملات المتزامنة على مرحلة إقرار. يوضح الشكل 7.21 مراحل المعاملات المتزامنة.
الشكل 7.21. مراحل المعاملات غير المتزامنة
عندما يتم تنفيذ الوضع المتزامن ، يتم تغيير حزم البيانات ذات المعرفات المقابلة بدورها ، أي تتبع حزمة البيانات (0) أولاً ، تليها حزمة البيانات (1) ، وهكذا.
| سابق |
معايير USB 1.1 و 2.0
الناقل التسلسلي العالمي (USB) هو واجهة تسلسلية أخرى. نظرًا لأن هذه هي الواجهة التسلسلية الأكثر شيوعًا ، فهي تستحق الفصل الخاص بها.
يسمح ناقل USB بالاتصال التسلسلي لما يصل إلى 127 جهازًا (يمكنك توصيل جهاز بجهاز إذا وفرت الشركة المصنعة للجهاز هذه الإمكانية). كما في حالة IEEE ، يتم دعم التوصيل / التوصيل السريع للأجهزة ، أي أنك لست بحاجة إلى إيقاف تشغيل طاقة الكمبيوتر لتوصيل / فصل الجهاز. علاوة على ذلك ، كما هو الحال مع IEEE ، يمكن تشغيل الأجهزة عبر USB ، مما يلغي الحاجة إلى مصادر طاقة إضافية.
ظهر ناقل USB في يناير 1996 ، عندما تم الإعلان عن إصدار USB 1.0. بعد ذلك بعامين ، في عام 1998 ، ظهر ناقل USB 1.1. جميع الأجهزة 1.0 تقريبًا متوافقة مع USB 1.1 ، والعكس صحيح - كانت هناك تغييرات طفيفة فقط.
ظهر ناقل USB 2.0 في عام 2003. وهو متوافق مع الإصدارات السابقة للإصدارات 1.0 و 1.1. هذا يعني أنه يمكنك توصيل الأجهزة الإصدار 1.0 و 1.1 بناقل USB 2.0. من السهل جدًا تحديد إصدار الجهاز - من خلال شعار USB. في التين. يظهر 10.1 شعار إصدارات USB 1.0 و 1.1 (الآن إصدار الجهاز 1.1 أكثر شيوعًا) ، وفي الشكل. 10.2 - شعار USB 2.0.
أرز. 10.1. شعار USB 1.1: قديم (يسار) وجديد (يمين)
أرز. 10.2. شعار USB 2.0
تحديديتم عرض حافلات USB 1.1 في الجدول. 10.1.
// - الجدول 10.1. مواصفات ناقل USB1.1 - // 
يرجى ملاحظة أن ناقل USB 1.1 يمكن أن يعمل في وضعين: سرعة منخفضة وسرعة عالية. في الأول ، يكون سعر الصرف 1.5 ميجابت / ثانية ، في الثانية - 12 ميجابت / ثانية.
مواصفات ناقل USB 2.0 هي نفسها تقريبًا ، ولكن هناك ثلاثة أوضاع سرعة لـ USB 2.0:
سرعة منخفضة (سرعة 10-1500 كيلوبت في الثانية) - لأجهزة الإدخال (لوحة المفاتيح والماوس وعصا التحكم) ؛
السرعة الكاملة (0.5-12 ميجابت في الثانية) - أجهزة مختلفة متوسطة السرعة ؛
عالية السرعة (5-480 ميجابت / ثانية) - ناقلات البيانات وأجهزة الفيديو.
توصيل أجهزة USB
في الجزء الخلفي من وحدة النظام ، يمكنك عادةً العثور على أربعة منافذ USB (أحيانًا 6 أو حتى 8). تنتمي هذه المنافذ (الشكل 10.3) إلى محاور USB الجذرية. يحتوي كل Root Hub على منفذي USB. لذلك ، إذا كان لديك أربعة منافذ USB على اللوحة الأم ، فهناك محورا جذر في النظام ؛ إذا كان هناك ثمانية منافذ ، فهناك أربعة محاور جذر في النظام.
//-- أرز. 10.3. منافذ USB - //
افتح إدارة الأجهزة (للقيام بذلك ، قم بتشغيل الأمر ابدأ ، الإعدادات ، لوحة التحكم ، النظام ، انتقل إلى علامة التبويب الأجهزة وانقر فوق الزر إدارة الأجهزة). في نافذة إدارة الأجهزة ، قم بتوسيع المجموعة Universal Serial Bus Controllers (الشكل 10.4).
//-- أرز. 10.4. مدير الجهاز --//
انقر بزر الماوس الأيمن على أي محور جذر وحدد خصائص. في النافذة التي تظهر ، انتقل إلى علامة التبويب "الطاقة". سترى المعلومات التالية (الشكل 10.5):
نوع الطاقة للمحور هو محور الجذر لدينا ، لذلك له قوته الخاصة ؛
معلومات حول الأجهزة المتصلة بمنافذ الموزع وحول مصدر الطاقة الخاص بها - في حالتنا ، يتم توصيل جهاز واحد ويتطلب مصدر طاقة بسعة 100 مللي أمبير. على الأكثر ، يمكن لمحورنا نقل ما يصل إلى 500 مللي أمبير لكل منفذ ؛
عدد المنافذ المجانية - يحتوي مركز الجذر على منفذين فقط ، أحدهما مشغول (تم توصيل جهاز تخزين - قرص USB) ، لذا فإن أحد المنافذ يكون مجانيًا.
//-- أرز. 10.5. تفاصيل المحور - //
إذا كان لديك مركزان فقط ويمكنك توصيل جهازين فقط بكل منهما ، فكيف تسأل ، كيف يمكنك توصيل ما يصل إلى 127 جهاز USB بجهاز الكمبيوتر الخاص بك؟ أولاً ، يمكنك توصيل لوحات وصل USB إضافية بمنافذ محور الجذر (الشكل 10.6). يتصل محور USB بمنفذ USB ، ولكنه يوفر بدلاً من ذلك ثلاثة منافذ USB مجانية على الأقل. هناك نوعان من لوحات وصل USB: تعمل بالطاقة الذاتية ويتم تشغيلها من المنفذ الأصلي. من الأفضل شراء المحاور مع مزود الطاقة الخاص بها. لماذا ا؟ كما نعلم ، ينتقل تيار بحد أقصى 500 مللي أمبير لكل منفذ ؛ ستكون هناك حاجة إلى 100 مللي أمبير لتشغيل المحور نفسه ، لذلك سيكون هناك 400 مللي أمبير متبقية للأجهزة. اتضح أنك لن تكون قادرًا على توصيل أي جهاز USB قوي بكل منفذ من هذا المحور ، ولكن ستتمكن من توصيل أجهزة مثل أقراص USB التي تحتاج فقط إلى 100 مللي أمبير.
//-- أرز. 10.6. محور USB - //
إذا كان للمحور مصدر طاقة خاص به ، فسيكون من الممكن توفير 500 مللي أمبير لكل منفذ ، أي أن منافذ USB ستكون كاملة ، كما هو الحال في محاور الجذر.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لبعض الأجهزة ، مثل لوحة المفاتيح ، أن تعمل كمحور USB (يجب أن تكون هذه الأجهزة من أجهزة USB). يمكنك توصيل لوحة المفاتيح بمنفذ USB ، ويمكنك توصيل المزيد من الأجهزة بها. عادة ، يتم توصيل ماوسات USB وأحيانًا أقراص USB بلوحة المفاتيح. من الواضح أن هذه الأجهزة لا ينبغي أن تكون "شرهة" ، لأنه في المجموع يتم توفير نفس 500 مللي أمبير للميناء ؛ يذهب 100 مللي أمبير لتشغيل لوحة المفاتيح ، والباقي مقسم بين الأجهزة المتصلة بلوحة المفاتيح. بالنظر إلى مثل هذا الاتصال الهرمي للأجهزة ، من السهل تخيل 127 جهازًا فقط متصلًا بجهاز كمبيوتر. هذا ليس 63000 كما هو الحال مع IEEE-1394!
الآن حول موصلات USB. يتم استدعاء الموصلات الموجودة على الجزء الخلفي من وحدة النظام (موصلات USB الأكثر شيوعًا) نوع USBيظهر كابل الموصل من النوع A في الشكل. 10.7.
//-- أرز. 10.7. اكتب كبل - //
يظهر الموصل والكابل من النوع B في الشكل. 10.8. عادةً ما يتم استخدام موصل من النوع B على الأجهزة الطرفية (الطابعات والماسحات الضوئية). كبل USB لتوصيل جهاز طرفي بجهاز كمبيوتر (الشكل 10.9) مزود بموصل من النوع B (للتوصيل بطابعة / ماسحة ضوئية) وموصل من النوع A (للتوصيل بجهاز كمبيوتر).
//-- أرز. 10.8. الموصل (أنثى) والكابل من النوع B - // 
//-- أرز. 10.9. كابل طابعة USB - //
بالإضافة إلى الموصلات من النوع A و B ، يوجد أيضًا موصل صغير يسمى mini-USB (الشكل 10.10). يستخدم عادة لتوصيل كبل USB بكاميرا رقمية ، هاتف محمول. في هذه الحالة ، يكون أحد طرفي الكبل هو mini-USB والآخر من النوع A.
//-- أرز. 10.10. كبل USB صغير - //
ترقية أجهزة الكمبيوتر القديمة
لا تحتوي أجهزة الكمبيوتر القديمة على منافذ USB ، ولكن يمكنك تثبيت وحدة تحكم USB مصممة كبطاقة توسيع PCI (الشكل 10.11) أو كبطاقة كمبيوتر شخصي (لأجهزة الكمبيوتر المحمولة). عند شراء جهاز تحكم ، تأكد من أنه يدعم USB 2.0 (الشكل 10.12) - إذا كان مثبتًا ، فسيكون الأحدث.
//-- أرز. 10.11. وحدة تحكم USB كلوحة PCI (4 منافذ USB) - // 
//-- أرز. 10.12. بطاقة كمبيوتر ثنائي المنفذ (تضيف دعم USB إلى الكمبيوتر المحمول القديم) - //
في بعض الأحيان ، لا يكون الكمبيوتر قديمًا جدًا - يوجد دعم USB ، ولكن الإصدار 1.1 ، لكنك تحتاج إلى توصيل جهاز USB 2.0. في هذه الحالة ، ستساعد أيضًا وحدة تحكم PCI. أكرر مرة أخرى: عند الشراء ، تحتاج إلى التأكد من أنك تشتري وحدة تحكم USB 2.0 بالضبط.
حاليًا ، لم يتم اعتماد معيار USB 3.0 بعد ، ولكنه قيد التطوير بالفعل. من المفترض أن تنقل الإشارات باستخدام كابل الألياف البصرية. سيكون USB 3.0 متوافقًا مع الإصدارات السابقة للإصدارين 2.0 و 1.1.
تعمل الشركات التالية حاليًا على إنشاء USB 3.0: Intel و Microsoft و Hewlett-Packard و Texas Instruments و NEC و NXP Semiconductors. معدل نقل البيانات المخطط (الذروة) - 4.8 جيجابت في الثانية.
هل يدعم نظامك USB
يبدو أنه إذا كان هناك منافذ USB ، فيجب أن يكون هناك دعم USB أيضًا. لكن هذا ليس هو الحال دائما. على سبيل المثال ، لا يحتوي Windows 2000 و Windows XP SP1 على برنامج تشغيل USB 2.0. حتى إذا كان لديك وحدة تحكم USB 2.0 ، بدون تثبيت برنامج تشغيل لـ USB 2.0 ، سيعمل ناقل USB مثل USB 1.1.
قم بتنزيل برنامج USB Ready على http://www.usb.org/about/ faq / ans3 / usbready.exe ، والذي سيختبر نظامك لدعم USB (الشكل 10.13).
//-- أرز. 10.13. برنامج USB جاهز - //
ما الذي يجب أن يفعله أولئك الذين لديهم وحدة تحكم USB جديدة؟ هناك عدة خيارات:
تثبيت إصدار جديد من نظام التشغيل - Windows Vista ، ولكنه ليس رخيصًا ؛
ترقية إصدار نظام التشغيل إلى Windows XP SP2 ؛ قم بتثبيت برنامج تشغيل USB 2.0.
أنت لا تريد دائمًا إعادة تثبيت نظام يعمل بشكل جيد. ثم سنبحث عن سائق. في بعض الأحيان يأتي مع اللوحة الأم - فأنت محظوظ. ولكن إذا لم يتم تضمينها في المجموعة ، فسنبحث عنها على الإنترنت. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه لم يعد موجودًا على موقع Microsoft على الويب. لقد وجدت برنامج التشغيل الذي أحتاجه على softodrom.ru:
http://soft.softodrom.ru/ap/p4515.shtml.
إذا انتهى وقت طباعة الكتاب ، لم يعد موجودًا ، يرجى الاتصال بي - سأشاركه معك.
تم نشر أول مواصفات USB (الإصدار 1.0) في أوائل عام 1996 ، وظهرت المواصفات 1.1 في خريف عام 1998 ، لتصحيح المشكلات الموجودة في الإصدار الأول. في ربيع عام 2000 ، تم نشر الإصدار 2.0 ، والذي وفر 40 ضعفًا في عرض النطاق الترددي للحافلة. وبالتالي ، توفر المواصفات 1.0 و 1.1 التشغيل بسرعات 12 ميجابت / ثانية و 1.5 ميجابت / ثانية ، والمواصفات 2.0 - بسرعات 480 ميجابت / ثانية. يوفر هذا التوافق مع الإصدارات السابقة لـ USB 2.0 مع USB 1.x.
ظهرت مواصفات USB 3.0 النهائية في عام 2008. تم إنشاء USB 3.0 بواسطة Intel و Microsoft و Hewlett-Packard و Texas Instruments و NEC وما إلى ذلك. NXP أشباه الموصلات في مواصفات USB 3.0 ، الموصلات القياسية والكابلات متوافقة ماديًا وعمليًا مع USB 2.0. بالإضافة إلى خطوط USB 2.0 الأربعة ، يضيف USB 3.0 أربعة خطوط اتصال أخرى (زوجان ملتويان). توجد المسامير الجديدة في موصلات USB 3.0 بشكل منفصل عن المسامير القديمة في صف اتصال مختلف. تزيد مواصفات USB 3.0 من الحد الأقصى لمعدل نقل البيانات إلى 4.8 جيجابت / ثانية ، وبالتالي تزداد سرعة النقل من 60 ميجابايت / ثانية إلى 600 ميجابايت / ثانية وتتيح لك نقل 1 تيرابايت ليس في 8-10 ساعات ، ولكن في 40 دقيقة -1 ساعة. يتميز الإصدار 3.0 أيضًا بقوة تيار متزايدة من 500 مللي أمبير إلى 900 مللي أمبير ، لذلك لا يمكن للمستخدم فقط تشغيل المزيد من الأجهزة من محور واحد ، ولكن الأجهزة نفسها في كثير من الحالات ستكون قادرة على التخلص من مصادر الطاقة المنفصلة.
هندسة USB المشتركة
تخضع البنية المادية لـ USB للقواعد التالية:
- الأجهزة المتصلة بالمضيف ؛
- يتم إجراء الاتصال المادي للأجهزة ببعضها البعض وفقًا لطوبولوجيا نجم متعدد المستويات ، يكون الجزء العلوي منه هو محور الجذر ؛
- مركز كل نجم هو محور.
- يربط كل مقطع كابل نقطتين ببعضهما البعض: مضيف إلى محور أو وظيفة , محور مع وظيفة أو محور آخر ؛
- يمكن توصيل جهاز USB طرفي أو محور آخر بكل منفذ من منافذ الموزع ، بينما يُسمح بما يصل إلى 5 مستويات من تتابع المحاور ، دون حساب الجذر.
الطبقة العليا هي محور الجذر ، والتي تتم مشاركتها عادةً مع وحدة تحكم USB.
يمكن توصيل أي من الأجهزة أو لوحات الوصل الأخرى بلوحة وصل الجذر لزيادة عدد المنافذ المتاحة. يمكن صنع المكثف كجهاز منفصل ، أو مدمج في جهاز آخر ، أي يمكن تصنيف أجهزة USB كأجهزة وظيفية ، أي تلك التي تؤدي وظيفة محددة (على سبيل المثال ، الفئران) ، وأجهزة الموزع التي تؤدي وظيفة توزيع فقط ، والأجهزة ذات الموقع المشترك التي تتضمن محورًا يمد مجموعة المنافذ (على سبيل المثال ، الشاشات المزودة بمنافذ لتوصيل الآخرين).
في المستوى الخامس ، لا يمكن استخدام الجهاز المركب. بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى المضيف بشكل منفصل ، والذي يعتبر أكثر من مجمع للبرامج والأجهزة أكثر من كونه مجرد جهاز.
يتم إخفاء تفاصيل العمارة المادية عن برامج التطبيقات في برنامج النظام (البرنامج) ، لذلك تبدو البنية المنطقية كنجم عادي ، مع وجود برنامج التطبيق في مركزه ومجموعة من نقاط النهاية كرؤوس لها. يتواصل التطبيق مع كل نقطة نهاية.
مكونات USB
يتكون ناقل USB من العناصر التالية:
خصائص جهاز USB
- العنونة - يجب أن يستجيب الجهاز للعنوان الفريد المخصص له وفقط له ؛
- التكوين - بعد التشغيل أو إعادة التعيين ، يجب أن يوفر الجهاز عنوانًا صفريًا حتى يتمكن من تكوين منافذه ؛
- نقل البيانات - يحتوي الجهاز على مجموعة من نقاط النهاية للتواصل مع المضيف. بالنسبة لنقاط النهاية التي تقبل أنواع نقل مختلفة ، يتوفر واحد منها فقط بعد التكوين ؛
- إدارة الطاقة - عند التوصيل ، يجب ألا يستمد أي جهاز من تيار الناقل بما يزيد عن 100 مللي أمبير. أثناء التكوين ، يعلن الجهاز عن متطلباته الحالية ، ولكن ليس أكثر من 500 مللي أمبير. إذا لم يتمكن المحور من تزويد الجهاز بالتيار المعلن ، فلن يتم استخدام الجهاز ؛
- تعليق - يجب أن يدعم جهاز USB الوضع المعلق بحيث لا يتجاوز استهلاكه الحالي 500 μA. يجب أن يتم تعليق جهاز USB تلقائيًا عندما لا يكون الناقل نشطًا ؛
- التنبيه عن بُعد - تسمح إمكانية التنبيه عن بُعد لجهاز USB المُعلق بالإشارة إلى مضيف ، والذي قد يكون أيضًا في حالة تعليق. تم وصف إمكانية التنبيه عن بُعد في تكوين جهاز USB. يمكن تعطيل هذه الوظيفة أثناء التكوين.
المستويات المنطقية لتبادل البيانات
تحدد مواصفات USB ثلاثة المستوى المنطقيمع قواعد معينة للتفاعل. يحتوي جهاز USB على واجهة وأجزاء منطقية ووظيفية. ينقسم المضيف أيضًا إلى ثلاثة أجزاء - الواجهة والنظام والبرامج. كل جزء مسؤول فقط عن مجموعة معينة من المهام.
وبالتالي ، يتم تنفيذ عملية تبادل البيانات بين برنامج التطبيق وناقل USB عن طريق تمرير مخازن الذاكرة عبر الطبقات التالية:
- مستوى برنامج العميل في المضيف:
- يتم تمثيله عادةً بواسطة برنامج تشغيل جهاز USB ؛
- يوفر تفاعل المستخدم مع نظام التشغيل من ناحية وبرنامج تشغيل النظام من ناحية أخرى ؛
- مستوى النظام مشغل يو اس بيفي المضيف (USB ، برنامج تشغيل الناقل التسلسلي العالمي):
- يتحكم في ترقيم الأجهزة على الحافلة ؛
- يتحكم في توزيع النطاق الترددي للحافلة وإمدادات الطاقة ؛
- يعالج الطلبات من السائقين المخصصين ؛
- مستوى برنامج تشغيل جهاز تحكم المضيف (HCD):
- يحول طلبات الإدخال / الإخراج إلى هياكل بيانات يتم من خلالها تنفيذ المعاملات المادية ؛
- يعمل مع سجلات المضيف.
العلاقة بين برنامج العميل وأجهزة USB: يوفر USB واجهة برمجة وهو فقط للتفاعل ، مما يسمح لبرنامج العميل بالتواجد بمعزل عن جهاز معين متصل بالناقل وتكوينه. للعميل برامج USBهي مجرد مجموعة من الوظائف.
يظهر تفاعل مكونات USB في الرسم البياني أدناه:
يتضمن الهيكل قيد النظر العناصر التالية:
جهاز USB المادي- جهاز موجود على الحافلة يؤدي وظائف تهم المستخدم النهائي.
برنامج العميل SW- برنامج خاص بالجهاز يعمل على الكمبيوتر المضيف. يمكن جزء مننظام التشغيل أو منتج خاص.
نظام USB SW- دعم نظام USB ، بغض النظر عن الأجهزة المحددة وبرامج العميل.
جهاز تحكم مضيف USB- أجهزة وبرامج لتوصيل أجهزة USB بالكمبيوتر المضيف.
مبادئ نقل البيانات
آلية نقل البيانات غير متزامنة وقائمة على الكتلة. يتم استدعاء كتلة البيانات المرسلة إطار USBأو إطار USBويتم إرساله في فترة زمنية محددة. يتم تنفيذ تشغيل الأوامر وكتل البيانات باستخدام تجريد منطقي يسمى قناة.القناة هي ارتباط منطقي بين مضيف ونقطة نهاية جهاز خارجي.
لإرسال الأوامر (والبيانات المضمنة في الأوامر) ، يتم استخدام القناة الافتراضية ، ولإرسال البيانات ، إما تدفق قنواتأو قنوات الرسائل.
يسلم الدفق البيانات من أحد طرفي القناة إلى الطرف الآخر ، وهو دائمًا أحادي الاتجاه. يمكن استخدام نفس رقم نقطة النهاية لقناتين متدفقتين - الإدخال والإخراج. يمكن للتيار أن ينفذ أنواع التبادل التالية: مستمر ومتوازن ومقاطعات. يكون التسليم دائمًا بترتيب الوارد أولاً يصرف أولاً (FIFO) ؛ من منظور USB ، فإن دفق البيانات غير منظم. تكون الرسائل بالتنسيق المحدد بواسطة مواصفات USB. يرسل المضيف طلبًا إلى نقطة النهاية ، متبوعًا بحزمة رسالة (مستلمة) ، متبوعة بحزمة معلومات حالة نقطة النهاية. عادةً لا يمكن إرسال الرسالة التالية قبل معالجة الرسالة السابقة ، ولكن عند معالجة الأخطاء ، من الممكن تجاهل الرسائل غير المعالجة. الرسائل ذات الاتجاهين تعالج نفس نقطة النهاية. يتم استخدام تبادل التحكم فقط لتسليم الرسائل.
ترتبط القنوات بخصائص مناظرة لنقطة النهاية. يتم تنظيم القنوات عند تكوين أجهزة USB. لكل جهاز يتم تشغيله ، توجد قناة رسائل (Control Pipe 0) تحمل معلومات التكوين والتحكم والحالة.
يتم بدء أي تبادل على ناقل USB بواسطة جهاز التحكم المضيف. ينظم التبادلات مع الأجهزة وفقًا لخطة تخصيص الموارد الخاصة به.
تقوم وحدة التحكم بشكل دوري (مع فترة 1.0 ± 0.0005 مللي ثانية) بتشكيل إطارات (إطارات) تتناسب فيها جميع عمليات النقل المجدولة.
يبدأ كل إطار بإرسال حزمة علامة بداية الإطار (SOF) ، وهي إشارة ساعة لجميع الأجهزة ، بما في ذلك لوحات الوصل. في نهاية كل إطار ، يتم تخصيص فاصل زمني EOF (نهاية الإطار) ، حيث تمنع المحاور الإرسال نحو وحدة التحكم. إذا اكتشف الموزع أن البيانات يتم نقلها من بعض المنافذ في هذا الوقت ، فسيتم تعطيل هذا المنفذ.
في وضع الإرسال عالي السرعة ، يتم إرسال حزم SOF في بداية كل إطار صغير (الفترة 125 ± 0.0625 ميكرو ثانية).
يقوم المضيف بجدولة تنزيل الإطارات بحيث يكون هناك دائمًا مساحة لعمليات الإرسال ذات الأولوية القصوى فيها ، و مكان خالتمتلئ الإطارات بإرسالات ذات أولوية منخفضة لكميات كبيرة من البيانات. تسمح مواصفات USB باستعارة ما يصل إلى 90٪ من عرض النطاق الترددي للناقل للمعاملات الدورية (المتزامنة والمقاطعات).
كل إطار له رقمه الخاص. تعمل وحدة التحكم المضيفة مع عداد 32 بت ، ولكن يتم إرسال أقل 11 بتًا أهمية فقط في رمز SOF. يزيد رقم الكتلة بشكل دوري أثناء EOF.
يعد تزامن الأجهزة ووحدة التحكم أمرًا مهمًا للنقل المتزامن. هناك ثلاثة خيارات للمزامنة:
- تزامن المولد الداخلي للجهاز مع علامات SOF ؛
- ضبط معدل الإطارات على تردد الجهاز ؛
- مطابقة معدل الإرسال (الاستقبال) للجهاز مع معدل الإطارات.
يمكن إجراء العديد من المعاملات في كل إطار ، ويعتمد عددها المسموح به على السرعة وطول حقل البيانات لكل منها ، وكذلك على التأخيرات التي تحدثها الكابلات والمحاور والأجهزة. يجب إكمال جميع معاملات الإطار قبل وقت EOF. يمكن تغيير معدل الإطارات قليلاً باستخدام سجل خاص في وحدة التحكم المضيفة ، مما يسمح بتعديل المعدل لعمليات النقل المتزامنة. يمكن ضبط معدل إطار وحدة التحكم على تردد الساعة الداخلية لجهاز واحد فقط.
يتم إرسال المعلومات على القناة في شكل حزم (Packet). تبدأ كل حزمة بحقل SYNC (SYNChronization) متبوعًا بـ PID (Packet IDentifier). حقل التحقق هو معكوس أحادي المعامل لمعرف المنتج.
تعتمد بنية بيانات الحزمة على المجموعة التي تنتمي إليها.
1. يرسل برنامج العميل طلبات IPR إلى طبقة USBD.
2. يقوم برنامج تشغيل USBD بتقسيم الطلبات إلى معاملات وفقًا للقواعد التالية:
- يعتبر تنفيذ الطلب مكتملاً عندما يتم إكمال جميع المعاملات المكونة له بنجاح ؛
- لا يتم إبلاغ برنامج العميل بجميع تفاصيل معالجة المعاملات (مثل انتظار الاستعداد ، وإعادة تشغيل المعاملة في حالة حدوث خطأ ، وعدم توفر جهاز الاستقبال ، وما إلى ذلك) ؛
- يمكن للبرنامج بدء طلب فقط والانتظار إما حتى يكتمل الطلب أو تنتهي مهلته ؛
- يمكن أن يشير الجهاز إلى أخطاء جسيمة ، مما يؤدي إلى إنهاء غير طبيعي للطلب ، والذي يتم إخطاره لمنشئ الطلب.
3. يتلقى برنامج تشغيل جهاز تحكم المضيف قائمة المعاملات من برنامج تشغيل نظام الناقل ويقوم بالإجراءات التالية:
- جدولة تنفيذ المعاملات المستلمة عن طريق إضافتها إلى قائمة المعاملات ؛
- يسترجع المعاملة التالية من القائمة وينقلها إلى طبقة تحكم المضيف لواجهة ناقل USB ؛
4. المتحكم المضيف لواجهة ناقل USB يشكل الإطارات ؛
5. تُرسل الأرتال عن طريق إرسال بتات متسلسلة باستخدام طريقة NRZI
وبالتالي ، يمكن تشكيل المخطط المبسط التالي:
1. يتكون كل إطار من الرسائل ذات الأولوية القصوى ، والتي يتم تكوين تكوينها بواسطة برنامج التشغيل المضيف ؛
2. يتكون كل تحويل من معاملة واحدة أو أكثر ؛
3. تتكون كل صفقة من حزم.
4. تتكون كل حزمة من معرف حزمة وبيانات (إن وجدت) ومجموع اختباري.
أنواع رسائل USB
تحدد مواصفات الناقل أربعة أنواع مختلفة من النقل لنقاط النهاية:
- التحكم في التروس (تحويلات التحكم) - يستخدمه المضيف لتهيئة الجهاز أثناء الاتصال ، للتحكم في الجهاز والحصول على معلومات الحالة أثناء التشغيل. يضمن البروتوكول تسليم مضمون لهذه الحزم. لا يمكن أن يتجاوز طول حقل بيانات رسالة التحكم 64 بايت بأقصى سرعة و 8 بايت بسرعة منخفضة. لمثل هذه الحزم ، يضمن المضيف تخصيص 10٪ من عرض النطاق الترددي ؛
- نقل صفائف البيانات (عمليات نقل البيانات المجمعة) - تُستخدم عندما يكون ذلك ضروريًا لضمان التسليم المضمون للبيانات من مضيف إلى آخر أو من وظيفة إلى مضيف ، ولكن وقت التسليم غير محدود. يستغرق هذا النقل النطاق الترددي المتاح بالكامل للحافلة. تحتوي الحزم على حقل بيانات يبلغ 8 أو 16 أو 32 أو 64 بايت. هذه الإرسالات لها الأولوية الدنيا ، ويمكن تعليقها عند تحميل الحافلة بكثافة. مسموح فقط بمعدل الباود الكامل. تستخدم هذه الطرود ، على سبيل المثال ، بواسطة الطابعات أو الماسحات الضوئية ؛
- يقطع الإرسال (تحويلات المقاطعة) - تُستخدم عندما يكون مطلوبًا لإرسال حزم بيانات مفردة ذات حجم صغير. يجب إرسال كل حزمة في وقت محدود. عمليات النقل تلقائية ويجب ألا تتم صيانتها بشكل أبطأ مما يتطلبه الجهاز. يمكن أن يصل حجم حقل البيانات إلى 64 بايت بأقصى سرعة وما يصل إلى 8 بايت بسرعة منخفضة. يتم تعيين حد وقت الخدمة في نطاق 1-255 مللي ثانية للسرعة الكاملة و10-255 مللي ثانية للسرعة المنخفضة. تستخدم عمليات النقل هذه في أجهزة الإدخال مثل الماوس ولوحة المفاتيح ؛
- تحويلات متزامنة (عمليات النقل غير المتزامن) - تُستخدم لتبادل البيانات في "الوقت الفعلي" ، عندما يلزم إرسال كمية محددة بدقة من البيانات في كل فترة زمنية ، ولكن تسليم المعلومات غير مضمون (يتم نقل البيانات دون تكرار في حالة الفشل ، الحزمة الخسارة مسموح بها). تأخذ عمليات النقل هذه جزءًا تم التفاوض عليه مسبقًا من عرض النطاق الترددي للحافلة ولها تأخير تسليم محدد مسبقًا. تُستخدم الإرسالات المتزامنة بشكل شائع في أجهزة الوسائط المتعددة لنقل بيانات الصوت والفيديو ، مثل نقل الصوت الرقمي. يتم تقسيم عمليات النقل غير المتزامن وفقًا لطريقة مزامنة نقاط النهاية - مصادر البيانات أو متلقيها - مع النظام: فهي تميز بين فئات الأجهزة غير المتزامنة والمتزامنة والتكيفية ، وكل منها يتوافق مع نوع قناة USB الخاص بها.
آلية المقاطعة
لا توجد آلية مقاطعة حقيقية لناقل USB. بدلاً من ذلك ، يستقصي المضيف الأجهزة المتصلة لبيانات المقاطعة. يتم إجراء الاستقصاء على فترات زمنية محددة ، عادةً كل 1 إلى 32 مللي ثانية. يسمح للجهاز بإرسال حتى 64 بايت من البيانات.
من وجهة نظر السائق ، يتم تحديد إمكانات معالجة المقاطعة فعليًا بواسطة المضيف ، والذي يوفر دعمًا للتنفيذ المادي لواجهة USB.
أوضاع نقل البيانات
يحتوي ناقل USB على ثلاثة أوضاع لنقل البيانات:
- سرعة منخفضة (LS ، سرعة منخفضة) 1.5 ميجابت / ثانية ؛
- السرعة الكاملة (LF ، السرعة الكاملة) 12 ميجابت / ثانية ؛
- عالي السرعة (HS ، عالي السرعة ، لـ USB 2.0 فقط) 480 ميجابت في الثانية.
توصيل الأجهزة الطرفية بحافلة USB
لتوصيل الأجهزة الطرفية بحافلة USB ، يتم استخدام كبل بأربعة أسلاك ، بينما يتم استخدام سلكين (زوج مجدول) في اتصال تفاضلي لتلقي البيانات وإرسالها ، وسلكان لتشغيل الجهاز المحيطي.
حددت المواصفة 1.0 نوعين من الموصلات:
بعد ذلك ، تم تطوير موصلات مصغرة لاستخدام USB في الأجهزة المحمولة والمتنقلة ، تسمى Mini-USB.
هناك أيضًا موصلات من النوعين Mini AB و Micro AB ، حيث يتم توصيل الموصلات المقابلة من النوع A والنوع B.
هناك أيضًا موصلات مصغرة - Micro USB.
| نوع USB 2.0 | معنى الاتصالات | لون السلك | |
|---|---|---|---|
|
| |||
|
| |||
اتصال الجهاز بأقصى سرعة
اتصال الجهاز بسرعة منخفضة
يتم تشفير إشارات المزامنة مع البيانات باستخدام طريقة NRZI (عدم الرجوع إلى الصفر المقلوب). يسبق كل حزمة حقل SYNC يسمح للمستقبل بضبط تردد جهاز الإرسال.
يحتوي الكبل أيضًا على خطوط VBus و GND لنقل جهد الإمداد 5 فولت إلى الأجهزة. يتم اختيار المقطع العرضي للموصلات وفقًا لطول المقطع لضمان مستوى الإشارة المضمون وجهد الإمداد.