پورت USB

چرا پورت USB ابداع شد ؟
پورتUSB) Universal Serial Bus) در نتیجه نیاز كاربران به پورت‌هایی سریع‌تر در كامپیوترها ابداع شد. در سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل توجه‌ای در زمینه كامپیوتر و تجهیزات مربوط به آن بدست آمده است .
مثلاً سرعت هارد دیسك‌ها (Hard Disks) به میزان قابل توجه‌ای افرایش یافته، دیسك‌هائی با ظرفیت‌های ۱۲۰GByte و بالاتر به بازار آمده است. سرعت پردازنده‌ها به بیش از ۴ GHz رسیده است و حافظه‌های RAMبا ظرفیت های ۱GByte رایج می‌باشند. اما در میان تمام تجهیزات اصلی كامپیوتر و تجهیزات جانبی آن به نظر می‌رسید كه رشد پورت‌های ورودی ـ خروجی ( l/O Ports ) متوقف شده و در این زمینه بهبود چندانی حاصل نگردیده است . پورت‌های ورودی ـ خروجی كه مهم‌ترین آنها پورت سری ( Serial Port ) و پورت موازی (Parallel Port) می‌باشند، دروازه ارتباط كامپیوتر با سایر كامپیوترها و تجهیزات جانبی هستند و به همین دلیل به پورت‌های كامپیوتر، درگاه نیز گفته می‌شود (درگاه سری ـ درگاه موازی). چون از این پورت‌ها برای ورود اطلاعات به كامپیوتر و خروج اطلاعات از كامپیوتر استفاده می‌گردد، به آنها پورت‌های ورودی ـ خروجی می‌گویند. پورت‌های سری و موازی در موارد مختلفی به كار می‌روند. شما برای اتصال ماوس (Mouse)، مودم اكسترنال (External Modem)، ارتباط دو كامپیوتر از طریق برنامه NC ( Norton Commander )، اتصال پرینتر و اسكنر و پلاتر ( Plotter ) به كامپیوتر و كاربردهای دیگر ، از پورت‌هایی كه در پشت كامپیوتر قرار دارند استفاده می‌كنید . بیش از بیست سال این پورت‌ها نیاز بسیاری از كاربران را به خوبی برآورده كردند ولی همراه با سایر تجهیرات كامپیوتری پیشرفت نداشتند.
كاربران حرفه‌ای یا كاربران عادی كامپیوترها ملاحظه می‌كردند كه هر از چند گاه مدل‌های جدید CPU ، Main Board ، Hard Disk و ... به بازار عرضه می‌شود ولی مدل جدیدی از پورت‌های سری یا پورت‌های موازی به بازار نمی‌آید. كم كم این موضوع به یك مشكل تبدیل شد زیرا سرعت كند ارسال اطلاعات ، تنظیمات نسبتاً پیچیده پورت سریال ، تعداد اندك پورت‌ها بر روی هر كامپیوتر (معمولاً در پورت سری و یك پورت موازی) باعث شد كه پورت‌ها به‌عنوان گلوگاه كامپیوتر (Computer Bottleneck) شناخته شود كه این گلوگاه یا گذرگاه تنگ، باعث كندی بخشی از عملكرد كامپیوتر می‌شد. بنابراین لازم بود كه تحول بزرگی در زمینه پورت كامپیوترها بوقوع بپیوندد و این تحول بزرگ ابداع پورت‌های USB ( Universal Serial Bus ) بود.
در طراحی پورت USB ، اهدافی مانند كاربرد آسان، سرعت زیاد، قیمت مناسب ، ساختار تا حد ممكن ساده و چندین هدف دیگر در نظر گرفته شد كه مهمترین آنها عبارت بودند از: اتصال دستگاههای جانبی مانند پرینتر ، مودم ، ماوس و ... به این پورت آسان باشد و برخلاف پورتهای سری و موازی موجود ، احتیاج به تنظیمات lRQ یا تنظیمات شماره پورت l/O نداشته باشد (رجوع كنید به مقاله تغییر منابع پورت ـ مجله كامپیوتر جوان ـ شماره ۵۲ ـ صفحه ۲۶).
• سرعت انتقال اطلاعات در این پورت ۱۲Mbps ( Mega Bit _ Per _ Second) باشد و در عین حال هزینه آن نیز پایین باشد به طوری كه قیمت یك مادربرد كه بر روی آن پورت USB وجود دارد با یك مادربرد بدون پورت USB تفاوت خیلی زیادی نداشته باشد .
• بتواند در انواع مدل‌های مختلف كامپیوتر از جمله كامپیوترهای Laptop (كامپیوترهای كیفی) و كامپیوترهای Desktop ( همین كامپیوترهایی كه اكثر كاربران از آن استفاده می‌كنند ) نصب شود .
• ساختار خیلی پیچیده‌ای نداشته باشد تا اینكه سازندگان دستگاه‌های جانبی (مانند ماوس ، پرینتر و ... ) تمایل داشته باشند كه این پورت را به تجهیزات جانبی اضافه كنند.
به این ترتیب پورت USB توسط مهندسین ابداع گردید و نمونه‌های جدید این پورت پس از تكمیل و رفع اشكالات نمونه‌های قبلی تكمیل گردید. نمایندگان هفت شركت بزرگ نرم افزاری و سخت افراری جهان نشست‌های مشتركی تشكیل دادند تا ساختار (و استانداردهای) این پورت جدید را تعیین نمایند.
این هفت شركت عبارت بودند از :
Compaq ، HewlettPackard ، lntel ، Lucent ، Microsoft ، NEC و Philips . اطلاعات مربوط به تصمیمات این گروه و آخرین تغییرات این استاندارد را در سایت ( www.usb.org ) می‌توانید ملاحظه نماید .
در سال ۱۹۹۶ اولین نسخه استاندارد USB ( استاندارد USB شامل اطلاعاتی درباره روش طراحی ، نحوه استفاده و ویژگی‌های پورت USB بود) بنام USB۱.۰ به دنیای كامپیوتر ارایه شد .
در سال ۱۹۹۸ نسخه دوم این ستاندارد با رفع اشكالات نسخه قبل و افزودن ویژگی‌های جدید، به‌نام استاندارد USB۱.۱ معرفی شد . سال ۲۰۰۰ ، زمان ارایه جدیدترین و سریع ترین استاندارد USB، یعنی استاندارد USB۲.۰ بود. این نسخه از استاندارد اشكالات كمتری دارد و سرعت آن از استانداردهای قبلی بیشتر است (۴۰ برابر سرعت USB۱.۱). البته این استاندارد با نسخه قبلی (استاندارد USB۱.۰ و استاندارد USB۲.۰) سازگار است. امروزه دستگاهای جانبی بسیاری دارای پورت USB هستند و هر روز بر تعداد و تنوع این دستگاه‌ها افزوده می‌شود. از میان دستگاههای جانبی كه در حال حاضر دارای پورت USB هستند به این موارد می‌توان اشاره كرد :
پرینتر ، اسكنر، ماوس، Joystick، دوربین‌های دیجیتالی، دوربین‌های دیجیتالی مخصوص اینترنت (Webcam)، مودم ، بلندگو Zip Drive ، (Speaker) ،Flash Disks.
۲_ پورت USB چگونه كار می‌كند ؟
راز كیفیت پورت USB این است كه در طراحی این استاندارد از تجربیات موجود در طراحی سایر استانداردها و تجهیزات كامپیوتری استفاده شده است . در طراحی استاندارد USB ویژگی‌های طراحی شبكه با توپولوژی Star ، دسترسی به كانال مشترك و ... را ملاحظه می‌كنیم .
در این قسمت با بررسی ساختار داخلی پورت USB، خواهیم دانست كه چگونه پورت USB ویژگیهای بیان شده در قسمت قبل را بدست آورده است. در این بررسی چند سوال اساسی را پاسخ خواهیم داد :
• سرعت زیاد پورت USB از كجا ناشی می‌شود و چرا در پورت سری یا پورت موازی نمی‌توان به این سرعت دست یافت ؟
• چرا اتصال ابزارهای جانبی به پورت USB، تنظیم خاصی نمی‌خواهد، در حالی كه در اتصال ابزارهای جانبی به پورت‌های سری یا موازی (مانند مودم به پورت سری) تنظیمات IRQ یا تنظیمات شماره پورت باید انجام شود ؟
• استفاده از چه تكنیكی باعث شده تا بتوان ابزارهای جانبی كه دارای پورت USB هستند را بدنبال یكدیگر به كامپیوتر متصل نمود ؟
معماری پورت USB بسیار شبیه به توپولوژی Star در شبكه‌های كامپیوتری است. در این شبكه كامپیوتری ، روش كابل كشی بین كامپیوترها را توپولوژی (Topology)، می‌گویند. یكی از متداول‌ترین توپولوژی‌هایی كه امروزه در دنیا به كار می‌رود ، توپولوژی Star (ستاره) است. در این توپولوژی، همه كامپیوترهای شبكه توسط یك دستگاه مركزی به یكدیگر متصل می‌شوند. به این دستگاه مركزی Hub (هاب) می‌گویند. اگر تعداد زیادی كامپیوتر به یكدیگر متصل شوند، می‌توان از چندین Hub استفاده كرد و یك شبكه بزرگ را تشكیل داد. در شكل ۴ یك شبكه بزرگ كه از چندین Hub تشكیل شده است را ملاحظه می‌كنید. توپولوژی استاندارد USB ، توپولوژی Star است .
انتقال اطلاعات ابزارهای جانبی به كامپیوتر ، توسط Host Controller مدیریت و كنترل می‌شود. در واقع Host Controller رابط بین وسایل جانبی و كامپیوتر است. Host Controller در داخل كامپیوتر قرار دارد. اگر تعداد وسایل جانبی زیاد باشد، برای اتصال آنها به كامپیوتر از تعداد بیشتری Hub استفاده می‌گردد.
استفاده از توپولوژی Star موجب شده است كه تعداد زیادی ابزار جانبی در استاندارد بتوانند به یكدیگر متصل شوند. در استاندارد USB با این روش می‌توان تا ۱۲۷ ابزار جانبی را به كامپیوتر متصل نمود . در هر كامپیوتر معمولاً Host Controller۲ و Hub ۲ وجود دارد. اگر به قسمت Device Manager كامپیوتر خود مراجعه كنید می‌توانید این موضوع را تحقیق كنید. همچنین در این قسمت می‌توانید اطلاعات جالب دیگری درباره پورت USB كامپیوتر خود بدست آورید. بعضی از وسایل جانبی مانند كی برد یا مانیتور ، در داخل خود دارای Hub هستند و به این ترتیب امكان اتصال ابزارهای جانبی دیگر را به كامپیوتر فراهم می‌كنند. ارتباط هر كامپیوتر با Hub توسط كابل USB برقرار می‌شود.
جهت حركت به سمت بالای هرم را Upstream و جهت حركت به سمت پایین هرم را Downstream می گویند .
به انتهای كابل USB كه در جهت بالای هرم ( Upstream ) متصل می شود ، كانكتور نوع A ( A Connector ) می گویند و انتهای كابل USB كه در جهت پایین هرم ( Downstream ) متصل می شود ، كانكتور نوع B ( B Connector ) می گویند .
چون شكل ظاهری كانكتور A و كانكتور B با یكدیگر فرق می كند ، كاربرد در اتصال این كابل دچار مشكل نخواهد شد . در این كابل چهار سیم وجود دارد . دو سیم برای انتقال ولتاژ ۵ ولت و دو سیم برای انتقال داده بكار می رود . از ولتاژ ۵ ولت می توان به عنوان منبع تغذیه ابزار های جانب استفاده كرد . به همین دلیل بعضی ابزارهای جانبی كابل برق ندارند و فقط با اتصال كابل USB كار می كنند .
البته اگر ابزار جانبی مصرف برق زیادی داشته باشد ، كابل USB نمی تواند جریان الكتریكی لازم را برای این ابزار جانبی تأمین كند و لازم است دستگاه جانبی ، منبع تغذیه الكتریكی جداگانه ای داشته باشد ( Hub كامپیوتر می تواند حداكثر ۵۰۰ میلی آمپر در هر پورت USB به ابزارهای جانبی جریان بدهد ولی هر Hub دیگر به غیر از Hub كامپیوتر در هر پورت خود می تواند حداكثر تا ۱۰۰ میلی آمپر به ابزارهای جانبی جریان تحویل بدهد . بنابراین اگر یك ابزار جانبی بیش از ۱۰۰ میلی آمپر جریان مصرف می كند ، بهتر است از منبع تغذیه كابل USB استفاده نكند ) .
برای انتقال داده ها در كابل USB از دو سیم كه به دور یكدیگر پیچیده شده اند ، استفاده شده است . استفاده از دو سیم كه بدور یكدیگر پیچیده شده اند ، باعث می شود كه سرعت انتقال اطلاعات به مقدار زیادی افزایش بیابد .
این تكنیك در شبكه های با توپولوژی Star بكار رفته است و بوسیله همین روش سرعتهایی بالای ۱۰۰Mpbs بدست آمده است . سرعت انتقال اطلاعات در استاندارد USB۱.۰ و استاندارد USB۱.۱ از ۱.۵Mbps تا ۱۲Mbps می رسد ، یعنی ۴۰ برابر سرعت نسخه قبلی .
البته استاندارد USB۲.۰ می تواند با سرعتهای ۱.۵Mbps و ۱۲Mbps نیز داده ها را منتقل كند و این كار برای سازگاری استاندارد USB۲.۰ با استاندارد USB۱.۰ و USB۱.۱ است . سرعت های متفاوت ، برای ابزارهای جانبی متفاوت كاربرد دارد . سرعت انتقال ۱.۵Mbps برای ابزار هایی مانند كی برد و ماوس مناسب است و سرعت ۴۸۰Mbps برای دریافت اطلاعات از ابزارهای با سرعت انتقال زیاد مانند دوربین های ویدیویی به كار می رود .
سرعت انتقال اطلاعات در استاندارد USB۲.۰ ۴۰۰ برابر سرعت انتقال اطلاعات در پورت سری و ۱۶۰ برابر سرعت انتقال اطلاعات در پورت موازی است . به USB۲.۰ گاهی اوقات High Speed USB نیز گفته می شود .
اما چرا اتصال ابزارهای جانبی به پورت USB آسان است و احتیاج به تنظیمات خاصی ندارد .
وقتی یك ابزار جانبی به پورت Hub متصل می‌شود، Hub از این موضوع مطلع شده و آن را به Hub بالایی (Upstream) اطلاع می‌دهد تا این كه خبر به Host Controller برسد. روش شناسایی این موضوع با اندازه‌گیری مقاومت الكتریكی است . با اتصال هر Hub یا هر ابزار جانبی به پورت USB ، مقاومت الكتریكی آن تغییر می‌كند و به این ترتیب Host Controller متوجه می شود كه یك دستگاه جدید به شكبه اتصالات USB وصل شده است . سپس Host Controller از ابزار جانبی درخواست می‌كند كه خود را بیشتر معرفی كند . ابزار جانبی اطلاعاتی در مورد هویت خود (در مورد اینكه ابزار جانبی یك ماوس است یا مانیتور یا ... ) ارسال می‌كند. سپس Hub حداكثر سرعتی را كه ابزار جانبی با آن كار می‌كند بدست آورده و این اطلاعات را برای Host Controller می‌فرستد. در صورتی كه برای كار كردن با ابزار جانبی به درایو خاصی احتیاج باشد، سیستم عامل از كاربر درخواست می‌كند كه دیسك حاوی درایور را در CD_ ROM یا Floppy_ Drive قرار دهد. اتصال ابزارهای جانبی یا Hub به پورت‌های USB می‌تواند وقتی كه كامپیوتر روشن است، نیز انجام شود. در اصطلاح می‌گویند پورت USB دارای خاصیت Hot Plug یا Hot Swappable است و قطع كردن یا متصل كردن یك ابزار جانبی به پورت USB احتیاج به Restart كردن كامپیوتر ندارد. به مجموع این مراحل شناسایی در اصطلاح Enumeration می‌گویند.
۳_ مشكلات استفاده از پورت USB :
هر تكنولوژی جدید مزایای جدیدی را برای كاربران به ارمغان می‌آورد و البته مشكلات جدیدی را نیز ایجاد می‌كند كه این مشكلات نیز در تكنولوژی‌های بعدی به ترتیب برطرف خواهد شد. این موضوع درباره پورت USB نیز صادق است. یكی از مشكلات پورت USB این است كه اگر به هر Host بیش از یك ابزار جانبی با حجم تبادل داده بالا متصل شود ، این ابزارها نمی‌توانند همزمان با یكدیگر به تبادل داده بپردازند . مثلاً اگر یك پرینتر و یك اسكنر به یك Host Controller كامپیوتر متصل شوند، و شما در یك زمان بخواهید یك فایل بزرگ برای پرینتر بفرستید و همزمان یك تصویر بزرگ را نیز اسكن كنید، این كار همزمان امكان پذیر نیست و یكی از ابزارها مثلاً پرینتر باید منتظر بماند تا كار اسكنر تمام شود. یكی دیگر از مشكلات پورت USB طول كابل آن است. طول كابل پورت USB حداكثر می‌تواند تا ۵/۴ متر باشد و اگر بخواهیم با كمك اتصال چند Hub طول كابل را افزایش دهیم ، حداكثر این مسافت ۲۴ متر خواهد بود.

منبع : مرکز اطلاع‌رسانی خانواده شمیم