بدأت مسيرة المسرى التسلسلي العام USB عام 1996 بهدف تأمين طريقة سهلة لربط مختلف الطرفيات إلى الحاسوب ، ومنذ ذلك الوقت غدت منافذ USB الطريقة الأكثر شعبية للربط مع الحاسوب لتزيح المنافذ التقليدية القديمة عن مضمار السباق (المنفذ RS-232 التسلسلي و Centronics التفرعي) ، وخلال هذه السنين طرأت الكثير من التغييرات و التحسينات على هذه التقنية ، وآخرها كان إصدار مواصفات النسخة الثالثة منها ، و هو ما سنستعرضه بقليل من التفصيل من خلال هذه المقالة ...

بالرغم من التطور المستمر لتقنية USB منذ انطلاقها ، لكن استخداماتها و فوائدها ظلت ثابتة تقريبا طيلة هذا الوقت ، ويمكننا تلخيص ذلك بما يلي :

• إمكانية وصل الأجهزة إلى الحاسوب و فصلها عنه أثناء العمل الطبيعي ودون الحاجة إلى إطفائه .
• إمكانية تغذية الأجهزة المتصلة بمسرى USB بالطاقة الكهربائية من خلال المسرى نفسه في معظم الأحيان .
• إمكانية التوصيل والتشغيل الفوري لمعظم الأجهزة ، لكن في بعض الأحيان يتطلب تشغيل الجهاز تثبيت برنامج القيادة أو التعريف Driver .

يتم إجراء جميع التحسينات و تطوير المواصفات من قبل منتدى مطوري USB أو USB-IF ، يتألف هذا المنتدى من مجموعة من الخبراء من الشركات المطورة لـ USB ، وهي : Hewlett-Packard ، Microsoft ، Intel ، NEC ، ST-NXP Wireless ، Texas Instruments .

انتشر استخدام USB بشكل كبير في هذه الأيام ، واستطاع إخراج المنافذ القديمة من المنافسة ، و قد تلاحظون اختفاء المنفذين RS-232 و Centronics من أجهزة الحاسوب الحديثة وحلول منافذ USB2.0 مكانها . وعلى الرغم من توقع ظهور الإصدار الجديد USB3.0 في الأسواق مع نهاية العام الحالي 2009 لكن من غير المتوقع أن يدعم نظام التشغيل الجديد Windows 7 هذه التقنية ، وربما يتوفر الدعم لاحقا .

تطور المنفذ USB :

يبين الجدول التالي إصدارات USB المختلفة و سرعاتها ، في الواقع لا يمكننا القول أن USB3.0 سيكون بديلا عن الإصدار USB2.0 ، لكنه في الحقيقة مكمل له ، فالإصدار 3.0 سيتضمن مسرى USB2.0 مضافا إليه ميزة السرعة الخارقة أو SuperSpeed (التي قد تصل إلى 400MBytes/s) . ستساعد هذه السرعة المرتفعة على نقل كميات هائلة من البيانات بين التجهيزات المختلفة كالأقراص الصلبة و آلات التصوير ذات الدقة العالية التي ستظهر في الأسواق في المستقبل القريب .

ميزات أخرى يقدمها الإصدار الجديد USB3.0 ، ومنها إمكانية تزويد التجهيزات الطرفية بالتغذية الكهربائية تماما كالإصدارات السابقة ولكن باستطاعات أكبر هذه المرة ، بالإضافة إلى التوافق الكامل مع جميع الإصدارات السابقة بسرعاتها المختلفة المنخفضة والكاملة و العالية إضافة للسرعة الخارقة للإصدار الجديد .

معمارية USB 3.0 :

تتوزع معمارية USB 3.0 في طبقات يوضحها الشكل التالي :

في الطبقة الأولى يوجد المضيف ، وهو الشريحة التي تدير المسرى بكامله ، ومكانها في الحاسوب ، وتمتلك عدة منافذ للبيانات بالاتجاه السفلي Downstream Port أو DS Port ، لوصل الموزعات و الطرفيات .

الطرفيات أو الأجهزة المتصلة بالمسرى (كالطابعات ، الأقراص الصلبة ..) تمتلك منفذا للبيانات بالاتجاه العلوي Upstream Port واختصارا US Port ، يمكن أن تحتوي الطرفية على أكثر من جهاز . تعرف الأجهزة بمصدر البيانات و وجهتها ، و يتم النقل بين المضيف و وظيفة منطقية يحتويها الجهاز ، فمثلا يمكننا أن نلاحظ وجود لوحات مفاتيح تحتوي قارئة لبطاقات الذاكرة مبيتة داخلها ، فنقول أن هذه الطرفية تحتوي على جهازين ، لوحة مفاتيح وقارئة لبطاقات الذاكرة . في هذه الحالة يتخاطب المضيف مع كل وظيفة من وظائف الطرفية بما يناسبها .

تمتلك الموزعات منفذا للنقل بالاتجاه العلوي يتصل بمخرج موزع آخر أو ينتهي إلى مخرج المضيف ، كما تمتلك الموزعات عدة منافذ للنقل بالاتجاه السفلي لتفريع المسرى . يجب التنبه إلى أن استخدام كلمة مخرج أو مدخل لا تدل على الاتجاه (باعتبار أن البيانات تنتقل بالاتجاهين على المسرى و عبر أي منفذ) و إنما تدل على كيفية التوضع ضمن معمارية المسرى .

من الممكن أن يصل عدد الأجهزة على المسرى إلى 127 جهاز كحد أقصى ، و يمكن أن تفصل 5 موزعات بين المضيف و الجهاز ، ولهذا السبب يمكن أن تحتوي الطبقة السابعة على أجهزة فقط دون الموزعات ، و تجدر الإشارة إلى أن منافذ النقل بالاتجاه العلوي مفصولة عن منافذ الاتجاه السفلي منعا لحدوث الأخطاء .

يتكفل نظام USB3.0 بالتوافق الكامل مع جميع الإصدارات السابقة نظرا لازدواجية بنية المسرى التي يتمتع بها . يبين الشكل التالي مثالا يبين توصيل مضيف USB3.0 و موزع USB3.0 و طرفيتين مختلفتين ، إحداهما تعمل على النسخة USB2.0 و الأخرى على USB3.0 :

تجمع التوصيلات القديمة USB2.0 مع الإضافات الجديدة على المسرى في كبل توصيل واحد ، فهو بالتالي يحتوي على مسريين هما USB2.0 و مسرى السرعة الخارقة SuperSpeed فيؤلفان معا المسرى الجديد USB3.0 . التحول الأساسي في آلية عمل المسرى الجديد هو أن تدفق البيانات يكون باتجاه الجهاز الهدف فقط ، أما المسرى USB2.0 فهو مستخدم لتبادل المعلومات عبر المسرى فقط دون نقل للبيانات .

مضيف USB 3.0

لأجل ضمان التوافقية الكاملة التي يتمتع بها المسرى الجديد كما بينا سابقا ، يحتوي المضيف الجديد مضيفا للسرعة الخارقة و آخر للسرعة العالية (USB2.0) لذلك فمن الممكن أن يعمل المسرى الجديد بآليتيه المختلفتين بنفس الوقت و بالسرعتين المختلفتين الخارقة والعالية .

موزعات USB 3.0

يبين الشكل بينية موزع USB3.0 المؤلف من موزعين حقيقة ،و كالمضيف تماما أحدهما خاص بالسرعة الخارقة و الآخر للمسرى USB2.0 ، وواضح أن تفريع المسرى باستخدام الموزعات متوافق مع جميع الأجهزة :

طرفيات USB3.0

من الممكن أن تأخذ الطرفيات التي تحتوي على جهاز واحد عدة تركيبات (سواء احتوت على وظيفة واحدة أو أكثر) وهي :

• طرفية ذات وظيفة واحدة :

• طرفية متعددة الوظائف و متعددة التوصيلات :

ويمكن أن تحتوي الطرفية الواحدة على أكثر من جهاز كما بينا سابقا ، وفي هذه الحالة فهي تتصل مع المسرى عبر موزع مدمج في الطرفية فتنتج تركيبة أخرى :

• طرفية متعددة الأجهزة :

تجدر الملاحظة إلى أن الطرفية التي تجمع بين وظائف المسريين USB2.0 و USB3.0 لن تتمكن من تشغيلهما معا بنفس اللحظة بخلاف المضيف كما رأينا سابقا .

أسلاك و موصلات USB3.0 :

تتضمن توصيلات USB3.0 كافة نواقل USB2.0 مضافا إليها نواقل السرعة الخارقة ، انظر الشكل التالي :

• A : الغلاف
• B : الشبكة المعدنية الحاجبة (shield)
• C : قلب الناقل
• D : زوج مجدول غير محجب UTP-Unshielded Twisted Pair لإشارة البيانات التفاضلية UTP_D– و UTP_D+
• E : زوجين مجدولين و محجبين ٍٍٍSTP-Shielded Twisted Pair تفاضليين SDP1– و SDP1+ و SDP2– و SDP2+
• F :التغذية PWR
• G :الأرضي GND_PWRrt

لاحظ أن الزوج المجدول غير المحجب هو نفسه ناقل المسرى USB2.0 يضاف إليه زوجين مجدولين محجبين مخصصين للسرعة الخارقة ، و بقيت أسلاك التغذية الموجبة و الأرضي في النسخة USB3.0 كما هي في USB2.0 .

يحقق الزوج غير المحجب نقلا نصف مزدوج للبيانات أو Half-duplex (يتم النقل بالاتجاهين بتغيير اتجاه المسرى عند الحاجة لذلك ، فلا يمكن النقل بالاتجاهين في نفس الوقت) بينما يحقق الزوجان المحجبان اتصالا بسيطا لكل اتجاه أو Dual-simplex يمكن من النقل بالتجاهين في نفس الوقت . تبلغ القيمة الاسمية للجهد التفاضلي على زوجي البيانات المحجبين 1Vpp .

توجد خمسة أشكال لكبلات التوصيل الخاصة بالنسخة USB3.0 اعتمادا على الموصلات المستخدمة ، والتي تصنف بدورها ضمن مجموعتين رئيسيتين هما A و B . يستخدم النوع A لمنافذ النقل بالاتجاه السفلي DS Port (راجع معمارية المسرى) و النوع B بالاتجاه العلوي US Port ، و لأجل مرونة الاستخدام يوجد حجمان مختلفان للنوع B هما الحجم القياسي standard و الحجم الصغير micro .

جميع أنواع الكبلات باستثناء واحد منها تحتوي على موصل من النوع A و آخر من النوع B للوصل بين الحاسوب (المضيف) و الطرفيات أو الموزعات ، أو بين الموزعات فيما بينها أو مع الطرفيات . الاستثناء الوحيد هو الكبل الذي يحتوي على موصل من النوع A في كلا الطرفين (يستخدم للوصل بين مضيف وجهاز اتصال بين أجهزة الحاسوب) ، وقد تبدو هذه ميزة جديدة لأن المواصفات السابقة USB2.0 تمكن من وصل جهازين فقط بهذه الطريقة .

تشير مواصفات USB3.0 القياسية إلى وجوب تحقيق الشروط الكهربائية المحددة للمسرى لضمان العمل بطريقة صحيحة ، واعتمادا على ذلك فإن طول كبل التوصيل يمكن أن يصل إلى ثلاثة أمتار كحد أقصى . كما نلاحظ اختلاف موصلات و مقابس USB3.0 عن النسخة USB2.0 بسبب وجود نواقل جديدة ، لكن الموصلات والمقابس الجديدة تدعم جميع الأشكال القديمة بدون دعم السرعة الخارقة كما ذكرنا سابقا .

التغذية الكهربائية من مسرى USB3.0 :

من المعروف أن مسرى USB بجميع إصداراته يسمح بتغذية الطرفيات من المسرى نفسه عبر خطوط التغذية المخصصة لذلك و بجهد تبلغ قيمته 5V (القيمة الدنيا هي 4V) . وضعت مواصفات USB مصطلح (وحدة تحميل) للتعبير عن استجرار التيار من المسرى :

• USB2.0 : تساوي وحدة التحميل 100mA ، فإن بقي الاستهلاك أقل من ذلك بقيت التغذية مؤمنة ووصفت الطرفية بأنها منخفضة التيار . أما إن كان الاستهلاك أكبر من ذلك (قد يصل إلى 5 وحدات أو 500mA) وصفت الطرفية بأنها مرتفعة الاستهلاك للتيار . الفائدة من كل هذه القواعد هي كون المضيف قادرا على تحديد مقدرة المسرى على تأمين التيار اللازم لتشغيل الطرفيات المتصلة به و إخبارها بإمكانية التشغيل أو عدمه .
• USB3.0 : تساوي وحدة التحميل في المواصفات الجديدة 150mA ، و كما في النسخة السابقة تكون الطرفية منخفضة الاستهلاك للتيار إذا لم تكمل وحدة تحميل واحدة (150mA) ، وتكون مرتفعة الاستهلاك إن تجاوزت هذه القيمة ، وقد تصل إلى 6 وحدات (900mA) ، كذلك يستطيع المضيف تحديد مقدرة المسرى على تأمين التيار اللازم لتشغيل الطرفيات المتصلة به و إخبارها بإمكانية التشغيل أو عدمه .

من الواضح أن مواصفات النسخة الجديدة USB3.0 زادت قيمة التيار الخاص بتغذية الطرفيات مما يعطي العديد منها فرصة كبيرة للتخلص من وحدات التغذية المرفقة معها بسبب قصور مقدرة النسخة السابقة عن إمدادها بما يكفي من الطاقة ، و بقيت الطرفيات ذات الاستهلاك الكبير نسبيا للتيار الكهربائي مقيدة بقدرات المسرى و محتاجة لوحدات تغذية خارجية للتمكن من العمل .

المزيد عن التغذية الكهربائية :

باتت قدرة مسرى USB بمختلف إصداراته على تغذية الطرفيات واضحة بعد التفاصيل التي مرت آنفا ، لكن النظام الكهربائي الجديد للمسرى USB3.0 يحمل في طياته فكرة جديدة و شديدة الأهمية ، و هي إعطاء الطرفيات القدرة على تغذية عناصر أخرى على المسرى ، لذلك تستخدم موصلات خاصة من النوع B تحتوي على جميع النواقل إضافة لناقلين جديدين يحققان نقل الطاقة من طرفية لأخرى وهما dpwr و dgnd الذين يؤمنان تغذية كهربائية بجهد مستمر يبلغ 5V و تيار 1A . يجب الانتباه إلى أن هذه التغذية مصدرها الطرفية (التي تملك بالطبع وحدة تغذية خارجية) وليس المسرى ، و كمثال تطبيقي على ذلك : إذا كان لدينا طابعة تعمل على مسرى USB3.0 تحتوي مقبسا مغذى من النوع B ، وبدلا من وصل هذا المقبس مع المسرى (المضيف أو أحد الموزعات) يمكننا بدلا من ذلك وصله مع موائم USB لاسلكي . بهذه الطريقة يمكن للموائم الحصول على التغذية اللازمة لتشغيله من الطابعة نفسها دون الحاجة لأي مصدر آخر .

أرجو أن تكون هذه المقالة كافية لإعطاء فكرة لغير المختصين عن هذا الموضوع الواسع ، أما أصحابنا أهل الاختصاص فأرجو أن ينتظروا قليلا دعم هذه المقالة بأخرى فيها مزيد من التفاصيل إن توفر لي الوقت لذلك إن شاء الله ، وحتى ذلك الوقت يمكنكم الاستمتاع بالمعلومات المنشورة في منتدى مطوري USB على الرابط USB-IF ، كما أرجو المعذرة على الانقطاع الطويل نسبيا بسبب بعض الظروف المربكة ، وسأترككم مع شعار التقنية الجديدة لتتأملوه جيدا و تنتظروا معي ظهوره في الأسواق ، والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته ....

  التعليقات (6)

إظهار/إخفاء التعليقات

abuYaseen

04-01-2010

جزاك الله خير الجزاء

بسم الله الرحمن الرحيم

أخي الحبيب، أريد في المقدمة أن أشكرك على هذا الموقع الجميل وأسأل الله أن يجعله في ميزان حسناتك.
في الحقيقة أنا فرحت عندما وجدت موقعك الذي يدور حول هندسة الالكترونيك العملية بسبب قلة هذه المواقع (باللغة العربية) التي حاولت البحث عنها ولقد رأيت أنك ذكرت هذا أيضاً من الدوافع التي كانت وراء هذا العمل. اهتمامي في هذا يأتي في إطار دراستي لهذا المجال في الغرب وتفكيري بعمل يفيد المسلمين في هذه العلوم. لقد حصلت على بعض الأعداد في مجلة "tronix" التي علمت أنها كانت تنتج في سوريا ولكن للأسف علمت بعد ذلك أنها توقفت عن الصدور. لذلك أسأل الله أن يثبتك ويعينك على المضي قدماً في إضافة الجديد والاعتناء بالموقع.

أرجو أن تضيف فقرة للأسئلة والتعليقات العامة لمثل هذه المواضيع.

جزاك الله خير الجزاء.

أخوك في الله أبو ياسين

مازن صوفي

15-01-2010

ألف شكر، مقالة رائعة

ألف شكر أخي أبو النور، اعتدنا عليك هذه السوية الرفيعة من الصياغة اللغوية والعرض العلمي الشيّق. مقالة أكثر من رائعة.

أود الاستفسار فقط ( وقد يكون سؤالاً يخص الواجهات بشكل عام)، ما هو المعيار المحدد لعدد الطرفيات أو الموزعات المرتبطة بواجهة تخاطب تسلسلية USB ؟ هل هو معيار التغذية ؟ أم أن هناك توافقيات معينة لربط الدارات وخصائص المعالجات لا يمكن تجاوزها وتوضع من قبل الجهة المصنعة ؟

أجدد شكري الجزيل، وبانتظار المقالة التخصصية ( وإن كنت من غير المختصين )

أبو النور

18-01-2010

...

أهلا بك أخي مازن مرة أخرى ..

المعيار المحدد لعدد الطرفيات هو حقل العنوان في رزمة المعطيات ، وهو بطول 7 بت على ما أذكر ، مع حجز العنوان 0 لعملية التعداد Enumeration ، أما عدد الموزعات فهو محدد من قبل المواصفات الفنية للمسرى وليس لدي علم حتى الآن عن أي معامل يحدد عدد الموزعات غير المواصفات الفنية ...

وسيم

12-02-2010

عمل رائع

السلام عليكم أبا النور!
تحية طيبة.
مررت بالعديد من المدونات العربية، لكن ما أعجبني في مدونتك هو شيئان:
1. المستوى الهندسي الرائع للطرح والتناول الدقيق للمواضيع.
2. الإخراج المميز للمدونة.
فأقل ما يمكن به وصف جهدك، أنه محاولة لإثراء المحتوى العربي التقني
لي عتب عليك أرجو ان تأخذه بصدر رحب، هو قلة التدوينات في الفترة الأخيرة، فعسى أن يكون المانع خيرا.

وبإمكانك الاطلاع على مدونتي التقنية MuslimLead.com
والتي أتمنى أن أسد بها جزءا من هذا القراغ التقني.

أبو النور

22-02-2010

المانع خير إن شاء الله ..

شكرا جزيلا أخي وسيم على مرورك .. والمانع خير إن شاء الله ..

القضية وما فيها أن الموقع لا زال في طور النمو وهناك الكثير من التغييرات التي يتم إجراؤها على بنية الموقع ، وهي سبب قلة التدوينات ، وأعدك أنه خلال الشهر القادم ستجد ما يسرك إن شاء الله وترقب النقلة النوعية التي ستحدث في نشاط الموقع ... بارك الله فيك .

COPRA

08-12-2010

جميل

راااااااااااااااءع

أضف تعليق

إظهار/إخفاء صندوق مربع التعليقات

البريد الإلكتروني الاسم الموقع الإلكتروني		عنوان التعليق التعليق تصغير | تكبير
		أضف تعليق