الناقل التسلسلي العالمي سهل الاستخدام للغاية ويوفر وسيلة موثوقة وفعالة لنقل المعلومات، سواء كانت “USB 1” أو “USB 2” أو “USB 3” أو حتى “USB 4″، كما تتطلب المعلومات طريقة معيارية للنقل عبر واجهة الـ”USB” جنباً إلى جنب مع تنسيق قياسي لحزم بيانات الناقل التسلسلي العالمي، حيث حدد النظام بروتوكول نقل بيانات الـ”USB” وتنسيق حزمة المعلومات، مما يتيح تنسيق البيانات وحملها بطريقة محددة توفر اتصالاً موثوقاً به.
أساسيات تشغيل USB:
بالنسبة لمعظم الأنظمة التي تستخدم “USB”، سيكون المستقبل شكلاً من أشكال الكمبيوتر أي سطح المكتب والكمبيوتر المحمول والجهاز اللوحي، وعلى الرغم من أنّ هذا لا يلزم دائماً أن يكون هو الحال على الرغم من إجراء بعض التغييرات بين التحديثات المختلفة لمعيار “USB” أثناء تقدمه من “USB 1” إلى “USB 2″ و”USB 3” و”USB 4″، فإنّ التشغيل الأساسي والبروتوكول وأنماط نقل الإشارات والبيانات وتنسيق حزم البيانات هي في الأساس نفسها.
عناصر شبكة USB:
- المضيف “Host”: هو الكمبيوتر أو العنصر الذي يعمل كعنصر رئيسي أو وحدة تحكم لنظام “USB”، حيث يحتوي المضيف على محور موجود بداخله وهذا يسمى “Root Hub”.
- المحور أو المركز “Hub”: هو جهاز يعمل على زيادة عدد المنافذ المتاحة بشكل فعال، حيث سيكون له اتصال واحد مع اتصال المنبع والعديد من المنافذ في اتجاه التيار، ومن الممكن توصيل محور بأخرى لتوسيع القدرة والاتصال بشكل أكبر.
- المنفذ “Port”: هو المقبس الذي يتم من خلاله الوصول إلى شبكة “USB”، حيث يمكن أن يكون على مضيف أو محور.
- الوظيفة “Function”: هي الأجهزة الطرفية أو العناصر التي يتصل بها ارتباط “USB”، كالماوس ولوحات المفاتيح وذاكرة الفلاش
- الجهاز “Device”: يستخدم هذا المصطلح بشكل جماعي للوظائف والمحاور.
قد يتكون التخطيط المادي لشبكة “USB” من مضيف به منفذين وقد يكون لكل منهما محور متصل به أجهزة أو “وظائف” أخرى، حيث يختلف التخطيط المادي الفعلي لنظام “USB” وفقاً للوضع الفعلي، لكن العملية دائماً ما تكون هي نفسها بشكل أساسي، أمّا بالنسبة لتدفق البيانات تنتقل الإشارات على طول الناقل بحيث يمكن الوصول إليها من خلال جميع الوظائف، لكن وظيفة الوجهة فقط تقبلها.
مع البيانات الخاصة بجميع الأجهزة الموجودة على طول الناقل، من الضروري لعملية “USB” أن يتم قبول البيانات فقط من خلال الوظيفة المطلوبة، ولتحقيق ذلك عند توصيل جهاز بالناقل يتم تعيين رقم أو عنوان فريد من قبل المضيف للوقت الذي يتم توصيله فيه، وبالإضافة إلى العنوان يحتوي الجهاز على نقاط نهاية وهذه هي المصادر والوجهات الفعلية للاتصالات بين المضيف والجهاز، حيث يمكن أن تعمل نقاط النهاية في اتجاه واحد فقط أي الإدخال أو الإخراج، ولكن ليس كلاهما.
يمكن أن تحتوي الأجهزة على ما يصل إلى “16 نقطة”، ويجب حجز نقطة لكل من المدخلات والمخرجات باعتبارها “نقطة النهاية الصفرية” لهذا الاتجاه، وعلى الرغم من أنّ كل جهاز يمكن أن يحتوي على “16 مدخلاً” و” 16نقطة” نهاية للمخرجات، فمن النادر استخدامها جميعاً، حيث تُستخدم نقاط النهاية الصفرية في مجموعة متنوعة من الأنشطة بما في ذلك الاكتشاف التلقائي وتكوين الجهاز على الناقل ونقطتا النهاية الصفرية هما الوحيدتان اللتان يمكن الوصول إليهما، حتى يتم توصيل الجهاز بشكل صحيح في الناقل.
أنابيب بيانات USB:
أنبوب بيانات “USB”: هو اتصال من وحدة تحكم المضيف إلى كيان منطقي داخل الجهاز أي نقطة النهاية حيث يعتمد الاتصال داخل “USB” على مفهوم استخدام أنابيب البيانات، كما يمكن اعتبار هذه القنوات منطقية داخل تدفق البيانات على الناقل.
نظراً لأنّ الأنابيب تتوافق مع نقاط النهاية، يتم استخدام المصطلحات أحياناً بالتبادل، وبعد ذلك يستخدم المضيف مفهوم أنبوب البيانات لضمان توجيه البيانات من وإلى الجهاز بشكل صحيح أو معرفة المصدر، حيث يستخدم أنبوب البيانات مجموعة من العنوان ونقطة النهاية والاتجاه لتحديده، وللتواصل مع نقاط النهاية الصفرية هناك حاجة إلى شكل خاص من أنبوب البيانات لأنّه يحتاج إلى استخدامه لإنشاء الاتصال الأولي.
أنواع أنابيب USB:
- أنبوب الرسائل: هو عبارة عن أنبوب “USB” ثنائي الاتجاه ويستخدم للتحكم في البيانات، حيث تُستخدم أنابيب الرسائل عادةً للأوامر القصيرة والبسيطة للجهاز ولردود الحالة من الجهاز، كما يمكن استخدامها بواسطة أنبوب التحكم في الناقلة رقم “0”.
- تيار الأنبوب: هو أنابيب “USB” أحادي الاتجاه ومتصل بنقطة نهاية أحادية الاتجاه تنقل البيانات باستخدام عمليات نقل متزامنة أو متقطعة أو مجمعة.
أساسيات إشارات USB:
يقلل استخدام الأزواج الملتوية والإشارات التفاضلية من تأثيرات التداخل الخارجي الذي قد يتم التقاطه، كما أنّه يقلل من تأثير أي حلقات همهمة “hum loops” والتي قد تسبب مشاكل، كما تستخدم البيانات نظام “NRZI” أي عدم العودة إلى الصفر من حيث التشغيل عندما يتم تشغيل مضيف “USB”، فإنّه يستقصي كل جهاز من الأجهزة الفرعية بدوره.
أنواع معاملات البيانات داخل USB:
1- التحكم “Control”:
يستخدم المضيف هذا النوع من معاملات البيانات ضمن بروتوكول “USB” العام لإرسال أوامر أو معلمات الاستعلام، حيث يتم تحديد أطوال الحزم ضمن البروتوكول على أنّها “8 بايت” للسرعة المنخفضة و”8-64 بايت” للأجهزة عالية السرعة و”64 بايت” للأجهزة فائقة السرعة.
2- المقاطعة “Interrupt”:
يحدد بروتوكول “USB” رسالة المقاطعة، وغالباً ما تستخدمه الأجهزة التي ترسل كميات صغيرة من البيانات على سبيل المثال الماوس أو لوحات المفاتيح، حيث إنّها رسالة تم الاستقصاء عنها من المضيف الذي يتعين عليه طلب بيانات محددة للجهاز البعيد.
3- مجمع “Bulk”:
يتم استخدام رسالة بروتوكول “USB” هذه بواسطة أجهزة مثل الطابعات التي تتطلب كميات أكبر من البيانات، في هذا الشكل من نقل البيانات يتم إرسال كتل متغيرة الطول من البيانات أو طلبها بواسطة المضيف، حيث يبلغ الحد الأقصى للطول “64 بايت” للأجهزة عالية السرعة أو “512 بايت” للأجهزة فائقة السرعة، حيث يتم التحقق من سلامة البيانات باستخدام التحقق الدوري من التكرار، ويتم إرسال إقرار بالاستلام، كما لا يتم استخدام آلية نقل بيانات “USB” هذه بواسطة الأجهزة الطرفية الحرجة للوقت لأنّها تستخدم عرض النطاق الترددي الذي لا تستخدمه الآليات الأخرى.
4- متزامن “Isochronous”:
يستخدم هذا النوع من نقل البيانات لدفق البيانات في الوقت الفعلي ويستخدم لتطبيقات مثل قنوات الصوت الحية ولا يتم فحص البيانات، حيث لا يوجد وقت لإعادة إرسال أي حزم بيانات بها أخطاء، كما يمكن للبيانات المفقودة استيعابها بشكل أفضل من التأخير الذي تحدثه إعادة إرسال البيانات، حيث يمكن أن تصل أحجام الحزمة إلى “1024 بايت”، كما توفر منهجية وبروتوكول نقل البيانات لـ “USB” طريقة فعالة لنقل البيانات عبر الواجهة بطريقة فعالة وموثوقة.
حزم بيانات USB:
- حزم الرموز: تشير حزمة بيانات “Token USB” بشكل أساسي إلى نوع المعاملة التي يجب اتباعها.
- حزم البيانات: تحمل حزم بيانات “USB” بيانات الحمولة النافعة وتحمل البيانات كما هو مطلوب.
- حزم التوصيل: تُستخدم حزم التوصيل للإقرار بحزم البيانات المستلمة أو للإبلاغ عن الأخطاء.
- بداية حزم الإطار: بداية حزم الإطار المستخدمة للإشارة إلى بداية إطار جديد من البيانات.
